С недавних пор существует элегантная формула для вычисления числа Пи, которую в 1995 году впервые опубликовали Дэвид Бэйли, Питер Борвайн и Саймон Плафф:
Казалось бы: что в ней особенного — формул для вычисления Пи великое множество: от школьного метода Монте-Карло до труднопостижимого интеграла Пуассона и формулы Франсуа Виета из позднего Средневековья. Но именно на эту формулу стоит обратить особое внимание — она позволяет вычислить n-й знак числа пи без нахождения предыдущих. За информацией о том, как это работает, а также за готовым кодом на языке C, вычисляющим 1 000 000-й знак, прошу под хабракат.
Как же работает алгоритм вычисления N-го знака Пи?
К примеру, если нам нужен 1000-й шестнадцатеричный знак числа Пи, мы домножаем всю формулу на 16^1000, тем самым обращая множитель, стоящий перед скобками, в 16^(1000-k). При возведении в степень мы используем двоичный алгоритм возведения в степень или, как будет показано в примере ниже, возведение в степень по модулю . После этого вычисляем сумму нескольких членов ряда. Причём необязательно вычислять много: по мере возрастания k 16^(N-k) быстро убывает, так что, последующие члены не будут оказывать влияния на значение искомых цифр). Вот и вся магия — гениальная и простая.
Формула Бэйли-Борвайна-Плаффа была найдена Саймоном Плаффом при помощи алгоритма PSLQ , который был в 2000 году включён в список Top 10 Algorithms of the Century . Сам же алгоритм PSLQ был в свою очередь разработан Бэйли. Вот такой мексиканский сериал про математиков.
Кстати, время работы алгоритма — O(N), использование памяти — O(log N), где N — порядковый номер искомого знака.
Думаю, уместно будет привести код на языке Си, написанный непосредственно автором алгоритма, Дэвидом Бэйли:
/*
This program implements the BBP algorithm to generate a few hexadecimal
digits beginning immediately after a given position id, or in other words
beginning at position id + 1. On most systems using IEEE 64-bit floating-
point arithmetic, this code works correctly so long as d is less than
approximately 1.18 x 10^7. If 80-bit arithmetic can be employed, this limit
is significantly higher. Whatever arithmetic is used, results for a given
position id can be checked by repeating with id-1 or id+1, and verifying
that the hex digits perfectly overlap with an offset of one, except possibly
for a few trailing digits. The resulting fractions are typically accurate
to at least 11 decimal digits, and to at least 9 hex digits.
*/
/* David H. Bailey 2006-09-08 */
#include
Какие возможности это даёт? Например: мы можем создать систему распределённых вычислений, рассчитывающую число Пи и поставить всем Хабром новый рекорд по точности вычисления (который сейчас, к слову, составляет 10 триллионов знаков после запятой). Согласно эмпирическим данным, дробная часть числа Пи представляет собой нормальную числовую последовательность (хотя доказать это достоверно ещё не удалось), а значит, последовательности цифр из него можно использовать в генерации паролей и просто случайных чисел, или в криптографических алгоритмах (например, в хэшировании). Способов применения можно найти великое множество - надо только включить фантазию.
Больше информации по теме вы можете найти в статье самого Дэвида Бэйли, где он подробно рассказывает про алгоритм и его имплементацию (pdf);
И, похоже, вы только что прочитали первую русскоязычную статью об этом алгоритме в рунете - других я найти не смог.
Значение числа (произносится «пи» ) — математическая константа, равная отношению
Обозначается буквой греческого алфавита «пи». Старое название — лудольфово число .
Чему равно число пи? В простых случаях хватает знать первые 3 знака (3,14). Но для более
сложных случаев и там, где нужна бОльшая точность необходимо знать больше, чем 3 цифры.
Какое число пи? Первые 1000 знаков числа пи после запятой:
3,1415926535 8979323846 2643383279 5028841971 6939937510 5820974944 5923078164 0628620899 8628034825 3421170679 8214808651 3282306647 0938446095 5058223172 5359408128 4811174502 8410270193 8521105559 6446229489 5493038196 4428810975 6659334461 2847564823 3786783165 2712019091 4564856692 3460348610 4543266482 1339360726 0249141273 7245870066 0631558817 4881520920 9628292540 9171536436 7892590360 0113305305 4882046652 1384146951 9415116094 3305727036 5759591953 0921861173 8193261179 3105118548 0744623799 6274956735 1885752724 8912279381 8301194912 9833673362 4406566430 8602139494 6395224737 1907021798 6094370277 0539217176 2931767523 8467481846 7669405132 0005681271 4526356082 7785771342 7577896091 7363717872 1468440901 2249534301 4654958537 1050792279 6892589235 4201995611 2129021960 8640344181 5981362977 4771309960 5187072113 4999999837 2978049951 0597317328 1609631859 5024459455 3469083026 4252230825 3344685035 2619311881 7101000313 7838752886 5875332083 8142061717 7669147303 5982534904 2875546873 1159562863 8823537875 9375195778 1857780532 1712268066 1300192787 6611195909 2164201989...
В обычных условиях приблизительное значение числа пи можно вычислить следуя пунктам,
приведенным ниже:
- Берем круг , обматываем по его краю нить один раз.
- Измеряем длину нити.
- Измеряем диаметр круга.
- Делим длину нити на длину диаметра. Получили число пи.
Свойства числа Пи.
- пи — иррациональное число , т.е. значение числа пи не возможно точно выразить в виде
дроби m/n , где m и n являются целыми числами . Из этого видно, что десятичное представление
числа пи никогда не заканчивается и оно не является периодическим.
- пи — трансцендентное число, т.е. оно не может быть корнем какого-либо многочлена с целыми
коэффициентами. В 1882 году профессор Кёнигсбергский доказал трансцендентность числа пи , а
позднее, профессором Мюнхенского университета Линдеманом. Доказательство упростил
Феликс Клейн в 1894 году.
- так как в евклидовой геометрии площадь круга и длина окружности - это функции числа пи,
то доказательство трансцендентности пи дало конец спору о квадратуре круга, длившемуся более
2,5 тысяч лет.
- пи является элементом кольца периодов (то есть, вычислимым и арифметическим числом).
Но никто не знает, принадлежит ли к кольцу периодов.
Формула числа пи.
- Франсуа Виет:
- Формула Валлиса:
- Ряд Лейбница:
- Другие ряды:
Число "Пи" в математике обозначает отношение длины окружности к длине её диаметра. История происхождения числа "Пи" уходит в далёкое прошлое. Множество историков пытались установить, когда и кем был придуман этот символ, но выяснить так и не удалось.
Число "Пи" является трансцендентным числом, или говоря простыми словами оно не может быть корнем некоего многочлена с целыми коэффициентами. Оно может обозначаться, как вещественное либо, как косвенное число, которое не является алгебраическим.
Число "Пи" равняется 3,1415926535 8979323846 2643383279 5028841971 6939937510...
Число "Пи" может быть не только иррациональным числом, которое нельзя выразить с помощью нескольких различных чисел. Число "Пи" можно представить некоей десятичной дроби, которое располагает бесконечным множеством цифр после запятой. Ещё интересный момент - все эти числа не способны повторяться.
Число "Пи"
можно соотнести с дробным числом 22/7, так называемым символом "тройной октавы
". Это число знали ещё древнегреческие жрецы. Кроме того, даже простые жители могли применять его для решения, каких-либо бытовых проблем, а также использовать для проектирования, таких сложнейших строений, как усыпальницы.
Как заявляет учёный и исследователь Хэйенс, подобное число можно проследить среди развалин Стоунхенджа, а также обнаружить в мексиканских пирамидах.
Число "Пи" упоминал в своих трудах Ахмес, известный в то время инженер. Он пытался наиболее точно рассчитать его используя для этого измерение диаметра круга по нарисованным внутри него квадратам. Вероятно в некотором смысле это число имеет некий мистический, сакральный для древних смысл.
Число "Пи" по сути является самым загадочным математическим символом. Его можно причислить к дельте, омеге и др. Оно представляет из себя такое отношение, которое окажется точно таким, независимо в кокой точке мироздания будет находиться наблюдатель. Кроме того, оно будет неизменным от объекта измерения.
Вероятнее всего, первым человеком, который решил вычислить число "Пи" с помощью математического метода является Архимед. Он решил он рисовал в окружности правильные многоугольники. Считая диаметр окружности единицей, учёный обозначал периметр нарисованного в круге многоугольника, рассматривая периметр вписанного многоугольника, как верхнюю оценку, а как нижнюю оценку длины окружности
Что такое число "Пи"
ЧИСЛО p – отношение длины окружности к ее диаметру, – величина постоянная и не зависит от размеров окружности. Число, выражающее это отношение, принято обозначать греческой буквой 241 (от «perijereia » – окружность, периферия). Это обозначение стало употребительным после работы Леонарда Эйлера , относящейся к 1736, однако впервые оно было употреблено Уильямом Джонсом (1675–1749) в 1706. Как и всякое иррациональное число, оно представляется бесконечной непериодической десятичной дробью:
p = 3,141592653589793238462643… Нужды практических расчетов, относящихся к окружностям и круглым телам, заставили уже в глубокой древности искать для 241 приближений с помощью рациональных чисел. Сведения о том, что окружность ровно втрое длиннее диаметра, находятся в клинописных табличках Древнего Междуречья. Такое же значение числа p есть и в тексте Библии: «И сделал литое из меди море, – от края до края его десять локтей, – совсем круглое, вышиною в пять локтей, и снурок в тридцать локтей обнимал его кругом» (3 Цар. 7. 23). Так же считали и древние китайцы. Но уже во 2 тыс. до н.э. древние египтяне пользовались более точным значением числа 241, которое получается из формулы для площади круга диаметра d :
Этому правилу из 50-й задачи папируса Райнда соответствует значение 4(8/9) 2 » 3,1605. Папирус Райнда, найденный в 1858, назван так по имени его первого владельца, его переписал писец Ахмес около 1650 до н.э., автор же оригинала неизвестен, установлено только, что текст создавался во второй половине 19 в. до н.э. Хотя каким образом египтяне получили саму формулу, из контекста неясно. В так называемом Московском папирусе, который был переписан неким учеником между 1800 и 1600 до н.э. с более древнего текста, примерно 1900 до н.э., есть еще одна интересная задача о вычислении поверхности корзины «с отверстием 4½». Неизвестно, какой формы была корзина, но все исследователи сходятся во мнении, что и здесь для числа p берется то же самое приближенное значение 4(8/9) 2 .
Чтобы понять, каким образом древние ученые получили тот или иной результат, нужно попытаться решить задачу, используя только знания и приемы вычислений того времени. Именно так поступают исследователи старинных текстов, однако решения, которые им удается найти, вовсе не обязательно «те самые». Очень часто для одной задачи предлагается несколько вариантов решения, каждый может выбрать себе по вкусу, однако никто не может утверждать, что именно им пользовались в древности. Относительно площади круга кажется правдоподобной гипотеза А.Е.Раик, автора многочисленных книг по истории математики: площадь круга диаметра d сравнивается с площадью описанного вокруг него квадрата, из которого по очереди удаляются малые квадраты со сторонами и (рис. 1). В наших обозначениях вычисления будут выглядеть так: в первом приближении площадь круга S равна разности между площадью квадрата со стороной d и суммарной площадью четырех малых квадратов А со стороной d :
В пользу этой гипотезы свидетельствуют аналогичные вычисления в одной из задач Московского папируса, где предлагается сосчитать
С 6 в. до н.э. математика стремительно развивалась в Древней Греции. Именно древнегреческие геометры строго доказали, что длина окружности пропорциональна ее диаметру (l = 2 p R ; R – радиус окружности, l – ее длина), а площадь круга равна половине произведения длины окружности и радиуса:
S = ½ l R = p R 2 .
Эти доказательства приписывают Евдоксу Книдскому иАрхимеду .
В 3 в. до н.э. Архимед в сочинении Об измерении круга вычислил периметры вписанных в окружность и описанных около нее правильных многоугольников (рис. 2) – от 6- до 96-угольника. Таким образом он установил, что число p находится между 3 10/71 и 3 1/7, т.е. 3,14084 < p < 3,14285. Последнее значение до сих пор используется при расчетах, не требующих особой точности. Более точное приближение 3 17/120 (p » 3,14166) нашел знаменитый астроном, создатель тригонометрии Клавдий Птолемей (2 в.), но оно не вошло в употребление.
Индийцы и арабы полагали, что p = . Это значение приводит так же и индийский математик Брахмагупта (598 – ок. 660). В Китае ученые в 3 в. использовали значение 3 7/50, которое хуже приближения Архимеда, но во второй половине 5 в. Цзу Чун Чжи (ок. 430 – ок. 501) получил для p приближение 355/113 (p » 3,1415927). Оно осталось неизвестно европейцам и было вновь найдено нидерландским математиком Адрианом Антонисом только в 1585. Это приближение дает ошибку лишь в седьмом десятичном знаке.
Поиски более точного приближения p продолжались и в дальнейшем. Например, аль-Каши (первая половина 15 в.) в Трактате об окружности (1427) вычислил 17 десятичных знаков p . В Европе такое же значение было найдено в 1597 году. Для этого ему пришлось вычислять сторону правильного 800 335 168-угольника. Нидерландский ученый Лудольф Ван Цейлен (1540–1610) нашел для него 32 правильных десятичных знака (опубликовано посмертно в 1615), это приближение называется лудольфовым числом.
Число p появляется не только при решении геометрических задач. Со времени Ф.Виета (1540–1603) разыскание пределов некоторых арифметических последовательностей, составляемых по простым законам, приводило к тому же числу p . В связи с этим в определении числа p принимали участие почти все известные математики: Ф.Виет, Х.Гюйгенс , Дж.Валлис, Г.В.Лейбниц , Л.Эйлер . Они получали различные выражения для 241 в виде бесконечного произведения, суммы ряда, бесконечной дроби.
Например, в 1593 Ф.Виет (1540–1603) вывел формулу
В 1658 англичанин Уильям Броункер (1620–1684) нашел представление числа p в виде бесконечной непрерывной дроби
однако неизвестно, как он пришел к этому результату.
В 1665 Джон Валлис (1616–1703) доказал, что
Эта формула носит его имя. Для практического нахождения числа 241 она мало пригодна, но полезна в различных теоретических рассуждениях. В историю науки она вошла как один из первых примеров бесконечных произведений.
Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646–1716) в 1673 установил следующую формулу:
выражающую число p /4 как сумму ряда. Однако этот ряд сходится очень медленно. Чтобы вычислить p с точностью до десяти знаков, потребовалось бы, как показал Исаак Ньютон, найти сумму 5 млрд чисел и затратить на это около тысячи лет непрерывной работы.
Лондонский математик Джон Мэчин (1680–1751) в 1706, применяя формулу
получил выражение
которая до сих пор считается одной из лучших для приближенного вычисления p . Чтобы найти те же десять точных десятичных знаков, потребуется всего несколько часов ручного счета. Сам Джон Мэчин вычислил p со 100 верными знаками.
C помощью того же ряда для arctg x и формулы
значение числа p было получено на ЭВМ с точностью до ста тысяч десятичных знаков. Такого рода вычисления представляют интерес в связи с понятием случайных и псевдослучайных чисел. Статистическая обработка упорядоченной совокупности указанного количества знаков p показывает, что она обладает многими чертами случайной последовательности.
Есть несколько забавных способов запомнить число p точнее, чем просто 3,14. Например, выучив следующее четверостишие, можно без труда назвать семь десятичных знаков p :
Нужно только постараться
И запомнить все как есть:
Три, четырнадцать, пятнадцать,
Девяносто два и шесть .
(С.Бобров Волшебный двурог )
Подсчет количества букв в каждом слове следующих фраз так же дает значение числа p :
«Что я знаю о кругах?» (p » 3,1416). Эту поговорку предложил Я.И.Перельман.
«Вот и знаю я число, именуемое Пи. – Молодец!» (p » 3,1415927).
«Учи и знай в числе известном за цифрой цифру, как удачу примечать» (p » 3,14159265359).
Учитель одной из московских школ придумал строку: «Это я знаю и помню прекрасно», а его ученица сочинила забавное продолжение: «Пи многие знаки мне лишни, напрасны». Это двустишие позволяет определить 12 цифр.
А так выглядит 101 знак числа p без округления
3,14159 26535 89793 23846 26433 83279 50288 41971 69399 37510 58209 74944 59230 78164 06286 20899 86280 34825 34211 70679.
В наше время с помощью ЭВМ значение числа p вычислено с миллионами правильных знаков, но такая точность не нужна ни в каких вычислениях. А вот возможность аналитического определения числа ,
В последней формуле в числителе стоят все простые числа, а знаменатели отличаются от них на единицу, причем знаменатель больше числителя, если тот имеет вид 4n + 1, и меньше в противном случае.
Хотя еще с конца 16 в., т.е. с тех пор, как сформировались сами понятия рациональных и иррациональных чисел, многие ученые были убеждены в том, что p – число иррациональное, но только в 1766 немецкий математик Иоганн Генрих Ламберт (1728–1777), основываясь на открытой Эйлером зависимости между показательной и тригонометрической функциями, строго доказал это. Число p не может быть представлено в виде простой дроби, как ни были бы велики числитель и знаменатель.
В 1882 профессор Мюнхенского университета Карл Луиз Фердинанд Линдеман (1852–1939) используя результаты, полученные французским математиком Ш.Эрмитом , доказал, что p – число трансцендентное, т.е. оно не является корнем никакого алгебраического уравнения a n x n + a n– 1 x n– 1 + … + a 1 x + a 0 = 0 с целыми коэффициентами. Это доказательство поставило точку в истории древнейшей математической задачи о квадратуре круга. Тысячелетия эта задача не поддавалась усилиям математиков, выражение «квадратура круга» стало синонимом неразрешимой проблемы. А все дело оказалось в трансцендентной природе числа p .
В память об этом открытии в зале перед математической аудиторией Мюнхенского университета был установлен бюст Линдемана. На постаменте под его именем изображен круг, пересеченный квадратом равной площади, внутри которого начертана буква p .
Марина Федосова
Пи («π») представляет из себя математическую константу, полученную довольно интересным путем. Допустим, что диаметр окружность равен 1 условной единице. Тогда число π - это длина данной окружности, которая приблизительно равна 3,14 условных единиц. Говоря другими словами, число «пи» выражает соотношение между длиной окружности и ее диаметром. Это соотношение будет всегда .
Пи обладает рядом свойств.
Во-первых, число π иррационально, это означает, что его нельзя представить в виде правильной дроби. Значение 3,14 является достаточно приблизительным, доподлинно не известно, же знаков после запятой у этой константы.
Во-вторых, число π - трансцендентное. Это означает, что оно никогда не может быть степенью -либо корня из другого числа. Говоря иначе, число π не является алгебраическим. Более того, если какое-либо число возвести в степень π, то опять же получится трансцендентное число.
Стоит отметить, что древние математики Египта, Греции, Рима, Сирии и Ирана уже знали, что соотношение между диаметром окружности и ее длиной является постоянной величиной. К примеру, в Вавилоне это соотношение оценивалось как 25/8, а в Египте как 256/81. Но наибольших успехов в вычислении значения числа π добился Архимед, который путем многократного описывания и вписывания в нее правильных добился довольно точных результатов. Периметр Архимед принял за минимальное значение числа π, а - за максимальное. Таким образом, Архимед вывел значение константы π, равное 3.142857142857143.
Забавно отметить, что существует «День числа π», который празднуется 14 . Это происходит потому, что если записать числами день и дату , то получится 3.14 - приблизительное значение данной константы. По другой версии, этот праздник надо отмечать 22 июля, так как 22/7 тоже является одним из первых соотношений, приблизительно равным 3.14
Число пи является математической константой, которая представляет собой отношение длины окружности к длине ее диаметра. Это число в математике принято обозначать греческой буквой π.
До сих пор не известно окончательное значение числа пи. В процессе его вычисления было открыто множество научных методов счета. Сейчас ученым известно более 500 миллиардов знаков после запятой, отделяющей десятичную дробь от целого числа. В десятичной части константы пи отсутствуют повторения, как в простой периодической дроби, и число знаков после запятой, скорее всего, бесконечно. Бесконечность этой константы и отсутствие периодически повторяющихся цифр после запятой не позволяют окружности сомкнуться, если, действуя в обратном порядке, умножить число пи на диаметр окружности.
Математики называют число пи записанным цифрами хаосом. В десятичной дроби этой константы можно найти любую задуманную последовательность цифр: любой телефонный номер, пин-код кредитной карты или историческую дату. Более того, если все книги перевести на язык десятичного цифрового кода, их также можно будет найти в числе пи. Там же находятся и еще ненаписанные книги. Поскольку число пи бесконечно, и последовательность цифр после запятой не повторяется, в нем потенциально можно найти абсолютно любую информацию о Вселенной. Этот факт позволяет назвать константу пи «божественной» и «разумной».
В школьной обычно используют минимально точное значение пи с двумя знаками после запятой – 3,14. Для практики на Земле достаточно числа пи с 11 знаками после запятой. Для расчета длины орбиты нашей планеты необходимо использовать число с 14 знаками после запятой. Точные вычисления в пределах нашей галактики возможны с применением числа пи с 34 знаками после запятой.
Нерешенные проблемы числа пи
Неизвестно является ли число пи алгебраически независимым. Также не вычислена точная мера иррациональности этой константы, хотя известно, что она не может быть больше 7,6063. Неизвестно является ли пи в степени n целым числом, если n представляет собой какое-либо положительное число.
Нет подтверждения тому, принадлежит ли пи к кольцу периодов. Кроме того, остается нерешенным вопрос о этого числа. Нормальным называют любое число, при записи которого в n-ричной системе исчисления образуются группы последовательных цифр, встречающиеся с одной и той же асимптотической частотой. Неизвестно даже, какие цифры от 0 до 9 встречаются бесконечное количество раз в десятичном представлении числа пи.
