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第6章 圆周率

圆周率是指圆的周长同它直径的比值,它是一个常数,用希腊字母π表示:π=3.14159265358979323846……

它是一个无理数,又是超越数。在中国古代有圆率、圆率周等名称。

古老的圆周率

古希腊的欧几里得在《几何原本》(约公元前3世纪初)中提到圆周率是常数,中国古算书《周髀算经》(约公元前2世纪)中有“径一而周三”的记载,也认为圆周率是常数。历史上曾采用过圆周率的多种近似值,早期大都是通过实验而得到的结果,如古埃及纸草书(约公元前1700年)中取π≈3.1604.

第一个用科学方法寻求圆周率数值的人是阿基米德,他在《圆的度量》(公元前3世纪)中用圆内接和外切正多边形的周长确定圆周长的上下界,从正六边形开始,逐次加倍计算到正96边形,得到(3 (10/71))<π<(3 (1/7)),开创了圆周率计算的几何方法(亦称古典方法或阿基米德方法),得出精确到小数点后两位的π值。

圆周率的漫漫长路

中国数学家刘徽在注释《九章算术》时(公元263年)只用圆内接正多边形就求得π的近似值,也得出精确到两位小数的π值,他的方法被后人称为割圆术。南北朝时代的数学家祖冲之进一步得出精确到小数点后7位的π值(约5世纪下半叶),给出不足近似值3.1415926和过剩近似值3.1415927,除此之外还得到两个近似分数值,密率355/113和约率22/7.

这个密率在西方直到1573年才由德国人奥托得到,1625年发表于荷兰工程师安托尼斯的著作中,欧洲称之为“安托尼斯率”。

阿拉伯数学家卡西在15世纪初求得圆周率17位精确小数值,打破祖冲之保持近千年的纪录。荷兰数学家鲁道夫·科伊伦于1596年将π值算到20位小数值,后投入毕生精力,于1610年算到小数点后第三十五位,该数值被用他的名字称为“鲁道夫数”。

1579年法国数学家韦达给出π的第一个解析表达式。此后,无穷乘积式、无穷连分数、无穷级数等各种π值表达式纷纷出现,π值计算精度也迅速增加。1706年英国天文学教授梅钦计算π值突破100位小数大关。1873年另一位英国数学家尚可斯将π值计算到小数点后707位,可惜他的结果从528位起是错的。到1948年英国的弗格森和美国的伦奇共同发表了π的808位小数值,成为人工计算圆周率值的最高纪录。

电子计算机的出现使π值计算有了突飞猛进的发展。1949年美国马里兰州阿伯丁的军队弹道研究实验室首次用计算机(ENIAC)计算π值,一下子就算到2037位小数,突破了千位数。1989年美国哥伦比亚大学研究人员用克雷-2型和IBM-VF型巨型电子计算机计算出π值小数点后4.8亿位数,后又继续算到小数点后10.1 亿位数,创下新的纪录。

除π的数值计算外,它的性质探讨也吸引了众多数学家。1761年德国数学家兰伯特第一个证明π是无理数。1794年法国数学家勒让德又证明了π2也是无理数。到1882年德国数学家林德曼首次证明了π是超越数,由此否定了困惑人们2000多年的“化圆为方”尺规作图问题。还有人对π的特征及与其他数字的联系进行研究,如1929年苏联数学家格尔丰德证明了eπ是超越数等。