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比物理学不存在更恐怖的是圆周率

2024-07-07 04:19:56 来源:古今历史网_历史故事_历史知识分享平台 责编:admin

  

比物理学不存在更恐怖的是圆周率

  我仔细看了看,发现这份苹果派,是一个很完美的三角形切片,而它的俯视图,和下面这个式子的轮廓完美重合:

  假设烘焙的是迷你派,直径只有 1 厘米,那它的周长,就会成为今日的最大主角:

  “强调过多少次了,大题要有完整的计算过程,结果呢?喜欢只写答案是吧?行,谁能告诉我,这个式子的答案是多少?”

  后来,在大学微积分课上,我才知道,这个是约翰・沃利斯在 1655 年发现的沃利斯乘积,是欧洲第二个发现的无穷项圆周率公式:

  如果对方沉默了,你就语重心长地说:“连 π 都不认识,你还是多读点书吧。”

  虽然,这个数列的收敛速度很慢,要到 500,000 项之后,才能精确到 π 的第五小数...

  题干中,之所以要强调“近似等式”,是因为π 是无理数,并不能表示成两个整数之比的形式,虽然我们常用形如 22/7 的分数去近似表示 π,但实际上 π 是无限不循环小数。

  在任意一点截断,都能得到一个 π 的近似值,如果我在第二行截断,那就能得到 22/7;如果我在第四行截断,就能得到 355/113。

  圆的周长,介于它的外切多边形和内接多边形之间,当我们不断增加多边形的边数时,可以不断缩小之间的周长差,于是通过计算多边形的周长,就能得到具有一定精度的 π 值上下限。

  在我国最古老的天文学和数学著作《周髀算经》 中,有这样一句话:“数之法出于圆方”,三国时期的数学家赵爽对其注释为:“圆径一而周三”,意思是直径为 1 的圆,周长大约是 3。

  公元 462 年,祖冲之在《缀术》中记载了他计算得出的圆周率近似值 355/113,其展开成小数的值是 3.1415929203...

  例如,当时不论是普通百姓,还是皇室贵族,都十分关心着一件事:什么时候会降雨、降雨量如何。

  为此,朝廷官员需要修订历法,里面就涉及了圆周计算,如果 π 的近似值误差较大,就不能准确预知一年四季,最后直接影响整个国家的民生大计。

  假设一个圆的直径是 10000 米,那用它计算出的圆周长与真值相比,仅仅多了不到 3 毫米!

  因此,祖冲之的这一成就,不论是对当时的黎民百姓,还是对后世的研究进展,都可谓是意义重大。

  在纸上画满相距 4 厘米的平行线 厘米长的牙签,随机地抛在纸上,最后统计牙签与平行线相交的次数 k,计算 n / k 的值。

  假设有一组距离为 a 的平行线,投掷的牙签长为 l,牙签与直线相交的概率,可以这样简单计算:

  假设牙签 AD 与直线 MN 相交,B 是牙签的中点,牙签与直线的夹角为 θ,B 点到直线 MN 的垂直距离为 s,则需要满足 s≤lsinθ/2,牙签才会和直线相交。

  牙签与直线 MN 相交的角度 θ 变化范围是 0~π,s 的变化范围是 0~a / 2,简单画出示意图如下:

  示意图中的曲线是 s= lsinθ/2,则阴影部分代表着牙签与直线相交的情况,这个矩形面积代表着投掷总次数,所以相交概率可以这样计算:

  在上述小游戏中,我们选择了参数 a=2l,因此,正好得到 n / k=π。

  理论上而言,随着投掷的次数增加,就可以得到越来越准确的 π 值,历史上也有不少人曾经进行过这个实验:

  鲁道夫投掷了 5000 次,拉兹里尼只投掷了 3408 次,但得到的 π 值,却比鲁道夫精确很多。

  但实际上,这个投掷实验还涉及到最优停止问题:究竟投到多少次停止,才能获得较优解。

  撇开这些不论,蒲丰实验是第一个用几何形式表达概率问题的例子,首次使用了随机实验处理确定性的数学问题,这不仅是蒙特卡洛方法的雏形,也促进了积分几何学的诞生。

  冥冥之中,似乎有什么在牵引着我们,在不断探索圆周率的过程中,我们触碰到了,更广袤无垠的世界。

  我们对圆周率的探索,跨越了几千年,从未停止。当我们拨动时针,快进到这个时代,圆周率的故事,有了新的参与者:

  2021 年 8 月,瑞士的科学家刷新世界纪录,使用超级计算机,将圆周率计算到了小数点后的 62.8 万亿位,耗时 108 天零 9 小时。

  2022 年 3 月,GoogleCloud 将小数点后的 100 万亿位数都给计算了出来,共计用了不到 158 天的时间,而第 100 万亿位,恰好是 0。

  事实上,如果从实际测量的角度而言,圆周率 π 值精确到 39 位时,就可以将可观测宇宙的圆周计算,精确到一个原子大小,这已经能够满足目前绝大多数宇宙学的计算需求了。

  你有没有想过,超算发展如此快速,但我们要用什么方法,去检验超算的可靠性、精确度和运算速度等一系列指标?

  用超级计算机去计算多位 π 值,是目前用于检验计算机性能和改善计算方法的常用方法。

  就像我们不断刷新登顶珠穆朗玛峰的纪录一样,作为一台超级计算机,π 值,则是它们需要攀登的高峰。

  简单说来,首先要将 π 值计算程序用于一台能正常工作的超算上,进行多次实验,确认程序没有问题;

  接着将这程序用于测试机,如果测试机在计算圆周率的时候出错了,就说明这台超算的硬件是有问题的,需要进一步检查调整。

  当某台超级计算机刷新 π 值的世界纪录后,热身结束,接下来,就是在其他各个研究领域,一展芳华。

  而卡尔・萨根,则在小说《接触未来》中暗示,宇宙的创造者,在 π 的数字中,暗藏了一则信息。

  所以,对于很多 π 迷而言,大自然可能并不自然,而终极密码,也许就藏在 π 中。

  对于这个说法,至今没有什么理论依据,而且大概率很有可能,就只是巧合...

  相比之下,更加有意思的一点是,π2 的值和重力加速度 g 的数值十分接近。

  1660 年,伦敦皇家学会提出,在地球表面摆长约一米的单摆,一次摆动的时间大约是一秒。

  也就是说,对于长度 m 的最初定义是:一次摆动时间为 1s 的单摆的长度。

  由于 T 描述的是完成一次往返摆动的时间,所以我们代入 T=2s,忽略单位,简单变形可以得到:

  后来,我们对单位长度 m 的定义不断调整,导致数值有了变化,但差距并不大,所以现在的 π2也就和重力加速度 g 的数值十分接近,但并不完全相等了。

  事实上,不仅仅是各种物理公式中有 π,我们的日常生活,也和圆周率息息相关。

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