圆周率要多少位数才够用?请停止无休止的计算!NASA才用到15位

我们在小学数学课程中学习的圆周率π,是圆周长与直径的比值,它是一个无限不循环的小数。

我们通常用到九位小数3.141592653,就足够应付大多数运算了。如果要进行物理界的精密计算,也顶多取到小数点后几百位的数值

为什么科学家要计算圆周率的位数(我们到底需要多少位数的圆周率)(1)

但是近年来,世界掀起了一股背诵圆周率的挑战风,并且相关教程也一搜一大把。

有很多挑战者陆续打破吉尼斯纪录,目前的冠军保持者来自印度,他能在十个小时内背诵70000个数字

背诵圆周率是件相当费脑子的事,你得拥有过人的记忆力,然后刻苦背诵。因为圆周率往前推进毫无规律可循,任何记忆技巧都不好使,要想记住它只能靠死记硬背。

为什么科学家要计算圆周率的位数(我们到底需要多少位数的圆周率)(2)

当挑战者们在尽可能地背诵更多的圆周率数字时,科学家还在努力地计算新的数字串。

π的计算很简单,只需要用圆周长除以圆的直径,便可以得出它的值为:3.1415926535897932384626433等等。

在纸上写下这些数字很简单,但在实践中去精确测量圆的周长却要困难的多,即使用最好的卷尺去手工测量,也会因为尺子的厚度不均,而产生偏差。

为什么科学家要计算圆周率的位数(我们到底需要多少位数的圆周率)(3)

只是,我们真的需要那么精确的圆周率吗?本期内容就来剖析一下,耗了几千年计算出来的圆周率在实践中究竟有多大意义

阿基米德“精疲力尽法”

阿基米德,是第一个用尽所有方法计算圆周率的人。在计算过程中,他自创了一套计算法叫“精疲力尽法”

阿基米德一开始用正方形来估算圆周率,算得生无可恋。这个方法听起来很荒谬,但阿基米德却觉得很有意义。

为什么科学家要计算圆周率的位数(我们到底需要多少位数的圆周率)(4)

圆,其实是一个无限的多边形,应该从边数最少的正方形开始估算,这样就能通过多个周长与直径的比率来一步步估算π

首先,我们将一个正方形放在一个圆形内,让它四角与圆边接触,然后用正方形边长的总和,除以它的对角直径,得出π的最低估值这个值大概是2.828

接着,我们再放置一个正方形在圆形外面,让它的边与圆形的边接触。这次我们用正方形边长总和,除以其中一条正方形边的长度,得到的值是4

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这两种情况,我们都除以了圆的直径,并且得出的数值是正确的。而缺乏准确性的,是正方形的具体周长。

很明显,内部正方形的周长较小,而外部正方形的周长较大

所以π值介于这两个数值之间,只要我们每次增加多边形的边数来反复计算,就能缩小范围,让π值越来越精确,当两方的数值重叠时,就能得出π的最终值。

为什么科学家要计算圆周率的位数(我们到底需要多少位数的圆周率)(6)

科学家一直这么算了几个世纪,身心疲惫,直到计算机的问世,才将他们从苦海中救了出来。

于是,目前计算机帮助人们将圆周率计算到了2.7万多亿的位数

我们其实不需要更多的圆周率

从阿基米德计算圆周率起至今,已经几千年了,从未有人叫停。这让人觉得,计算圆周率仿佛是件神圣的事。

我们不需要更多的圆周率了,我们也没有足够大的圆来证明它的精确度,并且它的实用性也是仁者见仁智者见智

为什么科学家要计算圆周率的位数(我们到底需要多少位数的圆周率)(7)

圆周率是拿来计算圆的面积、周长及球体体积的,用于将度数转换为弧度,数学家痴迷于精确值,工程师则认为够用就行。

而够用的结果就是,小数点后十五位3.141592653589793这个数,这便是数学与工程艺术的不同之处。

而这个数放在航天事业上都足够了,比如NASA的旅行者1号,就只将圆周率用到这里。

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旅行者1号

旅行者1号现在离地球约217亿公里远的地方,假如我们要为它的行驶轨迹计算周长,在圆周率的小数点后面,多添一位数有意义吗?

我们在末尾增加一个2,将圆周率延到小数点后十六位。先用十五位数值算出旅行者1号的轨迹周长为1360亿公里,再用十六位数值计算,得出的周长减少了8.67毫米

但这个数值在偌大的太阳系内,渺小到可以忽略不计,这就是为什么,美国喷气推进实验室和NASA都不需要更长的圆周率

为什么科学家要计算圆周率的位数(我们到底需要多少位数的圆周率)(9)

一般来讲,我们做个普通运算,顶多把圆周率用到3.1415

数字越长计算越麻烦,且没有实用价值。所以,停止无休止的计算吧,π是无限的,人们永远也无法算出它的终点

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