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词说科学《π和e》

《桃源忆故人·π》

山巅一寺一壶酒,祖率承天不朽。
缀术割圆万绺,不见循环纽。
求根公式还乌有,判化圆为方否。
圆外再施身手,量子抛针搂。


《画堂春·e》

无穷倒数小加一,幂趋极限无敌。
自然规律纵迷离,也露端倪。
悬链螺旋正态,描图总不缺席。
零一虚数派纠集,上帝传奇。


  最早的圆周率是《周髀算经》里面的“周三径一,方五斜七”的记载,但这个周三径一的π要真造起宫殿来恐怕要冒随时倒塌的危险。所以必须要精确计算圆周率。
  公元263年,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,逐次分割为12、24、48、96、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。”(分割愈精细,误差愈少。分割之后再分割,直到不能再分割为止,它就会与圆周完全重叠,就不会有误差了),其中有求极限的思想。刘徽给出π=3.141024的圆周率近似值。
  公元466年,中国数学家祖冲之利用“缀术”将圆周率算到小数点后6位的精确度,这一纪录在世界上保持了一千年之久。同时,祖冲之给出了(密率)这个很好的分数近似值,它是分母小于16604的分数中最接近π的,为纪念祖冲之对圆周率发展的贡献,日本数学家三上义夫将这一推算值命名为“祖冲之圆周率”,简称“祖率”。只是可惜“缀术”已经失传。
  π是个无理数,即不可表达成两个整数之比,是由Johann Heinrich Lambert于1761年证明的。 1882年,Ferdinand Lindemann更证明了π是超越数,即不可能是任何有理数多项式方程的根。圆周率的超越性否定了化圆为方这古老尺规作图问题的可能性,因所有尺规作图只能得出代数数,而超越数不是代数数。
  与圆有关的问题里都有它或许不奇怪,但在和圆关系不大的物理学领域,如广义相对论公式、量子力学公是也能寻觅它的身影。更神奇的是:1733 年,法国博物学家布丰(Comte de Buffon)提出了一个问题:在地板上画一系列间距为 2 厘米的平行线,然后把一根长度为 1 厘米的针扔在地板上。那么,这根针与地板上的线条相交的概率是多少呢?4年后,布丰自己解决了这个问题——这个概率值居然是 1/π !
  现在一般都是用无穷级数的方法,借助电子计算机,只要你愿意,你可以将圆周率精确到任意位小数点。一般工程或天文运算不需要成千上万位精确度的π,因为40位精确度的π已经足以计算误差小于一个质子大小的银河系圆周。现今精度高π应用于计算机软硬件的测试,以不同的算法计算π而结果误差大代表计算机系统可能出问题。

e是一个常数,其值等于2.718281828459…………,它是一个无理数,和圆周率一样也是超越数,即不是任何有理多项式方程的根。用它来做底的对数叫做自然对数,为什么呢?因为这个e能和许许多多的自然规律扯上关系,比如悬链线(链子两端固定在墙上的形状)、正态分布曲线、螺旋线的方程式里都含有e。
  e是(1+1/n)^n的n趋向无穷大时的极限值。后来欧拉用字母e来表示这个数字,接着他提出了世界上最美的公式 e^(iπ)+1=0。这个恒等式用最简单的算法,连接了自然对数的底e、虚数单位i、圆周率π和0、1这5个数学中最常见的常数,美得让人惊艳,美得让人叹服!欧拉公式被称作“上帝公式”,这是上帝的绝唱。




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