圆周率(Pi)是圆的周长与直径的比值,一般用希腊字母π表示,是一个在数学及物理学中普遍存在的数学常数。历史上有无数机智的数学家创造了种种计算π的近似值的方法,而今天小美要教大家一个通俗易懂,上手简单的“粗暴”方法。
在这之前,先给大家科普点小知识(数学小能手、理工科大神等请自行略过,跳至分割线以后)。π等于一个圆形的周长与直径之比,是精确计算圆周长、圆面积、球体积等几何形状的关键值。在分析学里,π可以严格地定义为满足sinx=0的最小正实数x。
π是一个常数(约等于3.141592654),是代表圆周长和直径的比值。它是一个无理数,即无限不循环小数。在日常生活中,通常都用3.14代表圆周率去进行近似计算。而用十位小数3.141592654便足以应付一般计算。即使是工程师或物理学家要进行较精密的计算,充其量也只需取值至小数点后几百个位。
历史上曾经有无数的数学家为了得到更加精确的π值付出努力。古希腊大数学家阿基米德利用迭代算法和两侧数值逼近的概念,迭代到到近似圆内接正96边形和外接正96边形为止。最后,他求出圆周率的下界和上界分别为223/71和22/7,并取它们的平均值3.141851为圆周率的近似值。
中国数学家刘徽用“割圆术”计算圆周率,他先从圆内接正六边形,逐次分割一直算到圆内接正192边形。
他说“割之弥细,所失弥少,割之又割,以至于不可割,则与圆周合体而无所失矣。”,包含了求极限的思想。刘徽给出π=3.141024的圆周率近似值,刘徽在得圆周率=3.14之后,将这个数值和晋武库中汉王莽时代制造的铜制体积度量衡标准嘉量斛的直径和容积检验,发现3.14这个数值还是偏小。于是继续割圆到1536边形,求出3072边形的面积,得到令自己满意的圆周率:
公元480年左右,南北朝时期的数学家祖冲之进一步得出精确到小数点后7位的结果,给出不足近似值3.1415926和过剩近似值3.1415927。祖冲之的计算结果非常之精确,乃至在之后的800年里他计算出的π值都是最准确的。
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好了,进入正题——小美教大家一个足够简单、易于理解的方法来计算π值。对于这个神奇的数字,我们可以利用“重要性抽样”(importancesampling)来计算,这种听起来就很厉害的方法是基于更加高大上的蒙特卡洛模拟法(MonteCarloSimulations)的。看不懂也没什么关系,你只要学会下面的方法就可以了。
至于到底如何实现这种方法,一句话——差不多就是拿霰弹枪对着正方形板子狂射无数次……够简单,够粗暴!
首先,找块板子并裁成正方形,以正方形边长为半径画弧,然后把板子挂起来。完成这些准备工作之后,你就可以拿起自己的“小工具”对着它一通乱扫,枪眼越多越好,因为π的精度随着枪眼数量增加而提高。
射完之后,你需要统计一下板子上的枪眼个数,记得区分圆弧内外。
需要记住的是,圆弧内的枪眼个数和整个正方形内的个数比值为π/4(假设正方形边长为1,则以1为半径的圆面积为π,1/4圆的面积就是π/4,而正方形的面积为1)。ok,到这你就成功的算出π的近似值了。
事实上,真的有研究人员做过这个实验。加拿大蒙特利尔大学的VincentDumoulin和FélixThouin把这叫做“在僵尸世界末日计算π近似值的方法”:用Mossberg500霰弹枪向20米外的正方形铝靶反复射击,计算落点分布。两位数学家相信在僵尸末世霰弹枪很常见。他们在30857个样本中,通过射击和数数,他们计算出π的值是3.131,误差为0.33%。
有条件的童鞋赶紧拿起你的装备试一试吧~
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