π 圓周率的起源-國際圓周率日快樂! (π day) 01

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介紹

論到3月14號你會想到什麼? 許多人第一個想法或許是白色情人節,答案沒錯,但是你知道嗎? 3月14號不僅是一年一度的白色情人節,更是「國際圓周率日」。數學家將這天訂為「π day (pi day)」就是為了紀念這天日期近似圓周率的質而來的。除此,許多知名品牌與平台紛紛寄出了優惠,甚至還有背出越長的圓周率就有越高優惠的活動,吸引大批消費者在這天盡情採購。

π是甚麼呢? 說道π,它是一個無理數,代表π不能用分數完全表示出來,亦即它的小數部分是一個無限不循環小數。早在遠古時期,π的概念已在人類文明中悄悄形成。

實驗時期

在遠古時期π已經被估算到前兩位,也就是3和1這兩個數字,甚至有傳說古埃及人已經懂得用七分之二十二(約等於3.143),或九分之十六的平方(約等於3.1605)作為圓周率的大概數。而在古巴比倫時期,人們也推出了π大約等於八分之二十五(等於3.125)。

幾何法時期

隨著時代的演進,數學的發展有更進步與完善的系統,這個時期就又叫作「幾何法時期」。此時人們已經知道要怎麼把圖形切割,來計算近似值。這個時期最著名的人物就是希臘的數學家阿基米德,以及中國的數學家祖沖之。

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阿基米德在一個圓型內外做相切的六邊形,並計算外切正六邊形及內接正六邊形的邊長,以此計算圓周長的上下限,之後再將六邊形變成十二邊形,一直計算到正九十六邊形為止。阿基米德發現π介於3.1408與3.1429之間。

中國的祖沖之也利用割圓術來計算12,288形的邊長,將圓周率計算到小數點後7位數字,得到π的值在3.1415926和3.1415927之間。其實至此π已經有很接近的計算。

無窮級數

16世紀及17世紀時,π的計算開始改用無窮級數的計算方式。簡而言之,就是利用數列收斂的性質更精確地計算圓周率。此數列能無限接近但無法達到目標數值,也就是數學家一直想計算的π。

電腦時期

隨科技進步,計算機得研發加速了數學的進程。其中,著名的有迭代演算法。迭代演算法是在1970年代發展出的。迭代顧名思義會重覆一個特定的計算函數迴圈,方法是將前一次的計算結果作為下一次的初始值,並套入計算,使得計算結果漸漸的趨近所要找的值。

迭代演算法因為收斂速度比無窮級數快,且迭代每多一次計算,正確的位數會呈幾何級數增長,因此被廣泛應用。下圖是其中一種迭代演算法,供大家參考,不過複雜的過程與假設在這裡就不多做解釋了。

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其他

其實π一直充斥在我們生活當中,下面跟大家分享一個跟π相關的物理現象,有興趣的朋友可以點閱下面連結:

參考資料:

  1. 數學史 🔗
  2. Youtube頻道: 3Blue1Brown 🔗
  3. 圖片取自pixabay 🔗

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