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圓周率公式(有哪些計算圓周率的神奇公式?)
說起圓周率π,很多人就想到祖沖之老爺子的割圓術(shù)。
說實話,祖大人也挺無奈的,從我們小學(xué)就開始割圓,一直割到大學(xué)還在割。
但割圓術(shù)只適合手算,如何用電腦算π呢?
泰勒展開泰勒展開在科學(xué)計算中簡直有著匪夷所思的變態(tài)威力。
之前我有一篇文章泰勒為何要展開? 泰勒公式有什么神奇作用?介紹了什么是泰勒展開,它可以把復(fù)雜函數(shù)轉(zhuǎn)換成加減乘除,比如sinx:
之所以要展開,是因為通用計算機本質(zhì)上只能計算加減乘除。
用泰勒展開計算π首先想到的思路就是,反三角函數(shù),根據(jù)定義有:
那么,接下來的問題就是,
如何計算arctan(1)
有人說,直接調(diào)用C語言庫函數(shù)atan(double,double)不就行了。
確實,這可以完成計算,然而,這是一種令人不齒的開掛行為,就好像我問怎么跑完馬拉松,你說你開車一溜煙就跑完了一樣。
庫函數(shù)是別人寫好的,我們現(xiàn)在是思索如何實現(xiàn)計算,而不是考慮如何調(diào)用。
至此,我們只好請出祖?zhèn)髋浞剑補rctan(x)進(jìn)行泰勒展開:
然后,令x = 1,得到:
格雷戈里-萊布尼茨公式
它被稱為萊布尼茨級數(shù),也被稱為格雷戈里-萊布尼茨級數(shù),用以紀(jì)念萊布尼茨同時代的天文學(xué)家兼數(shù)學(xué)家詹姆斯·格雷戈里。
看起來很吊是不是······
但是啊但是,還不夠吊,因為問題還沒完:
這個級數(shù)收斂極慢。
比如,算到+4/9,也就是前五項,結(jié)果僅為3396,誤差有0.2之多。
它要到算500000項之后,才會精確到小數(shù)點后五位:
就算電腦也算得太累了。
何況萊布尼茲(1646年7月1日-1716年11月14日)當(dāng)年是沒有電腦的!
加快收斂于是,人們嘗試改進(jìn),希望能快點計算。
英國數(shù)學(xué)家梅欽在1706年用上面的級數(shù),發(fā)掘了一個可以快速收斂的公式:
配合上面arctan(x)泰勒展開,梅欽依據(jù)此公式(沒有電腦),把圓周率計算到小數(shù)點后一百多位。
英國數(shù)學(xué)家威廉·謝克斯花15年的時間以此計算到小數(shù)點后707位,不過在第528位時出錯,因此后面的都不正確了。
微微杯具就是了。
神奇公式現(xiàn)代有了電腦,我們希望更快的收斂速度,因此科學(xué)家在尋找新的級數(shù)。
歷史總是留給吊人的,也總是會生產(chǎn)一些吊人的。
比如:
拉馬努金公式
這玩意被稱為拉馬努金公式,是印度科學(xué)家拉馬努金發(fā)明的。
第一位用拉馬努金公式計算π并取得進(jìn)展的是比爾·高斯珀,他在1985年計算了小數(shù)點后一千七百萬位。
收斂再快一點?還有楚德諾夫斯基公式:
楚德諾夫斯基公式
楚德諾夫斯基兄弟于1989年算得π小數(shù)點后10億(10?)位,法布里斯·貝拉于2009年算得7千億(7×1012)位,亞歷山大·易和近藤滋在2011年算得一萬億(1013)位。
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