MAGAZÍN D'INVESTGACIÓ PERIODÍSTICA (iniciat el 1960 com AUCA satírica.. per M.Capdevila a classe de F.E.N.)
-VINCIT OMNIA VERITAS -
VOLTAIRE: "El temps fa justícia i posa a cadascú al seu lloc.."- "No aniràs mai a dormir..sense ampliar el teu magí"
"La història l'escriu qui guanya".. així.. "El poble que no coneix la seva història... es veurà obligat a repetir-la.."
En matemàtiques , el nombre és una relació numèrica definida per la relació entre la circumferència d'unacircumferència i el seu diàmetre ; és a dir, si una circumferència té un perímetre {estil d'estil p}
i diàmetre d}
, llavors aquest nombre és igual a {estil d'estil p / d}
. Està representat per la lletra grega π. La lletra grega π (llegeix: pi ) va ser adoptada per al nombre de la paraula grega per a perímetre, "περίμετρος", probablement per William Jones el 1706 i popularitzada per Leonhard Euleruns anys més tard. Altres noms per a aquesta constant són circulars constants o nombre de Ludolph .
El primer a utilitzar la lletra grega eren els matemàtics anglesos, però per designar la circumferència d’un cercle. El primer que va utilitzar la definició actual [ 1 ] va ser William Jones . No obstant això, només va ser després que Leonhard Euler usés que hi havia acceptació de la notació per part de la comunitat científica. [ 2 ]
El valor de pertany als nombres irracionals . Per als càlculs més senzills és habitual aproximar-se {stylestyle {pi}}
per 3.14. Bona part de les calculadores científiques de 8 dígits
per 3.114.926. Per calcular les rutes de navegació interplanetària, la NASA utilitza {stylestyle pi: aprox. 3.141592653589793}
(fins als 15 decimals) [1] . Per calcular un cercle amb 46 mil milions de anys llum de la llum al voltant de l’ univers observable, una aproximació de
amb només 40 decimals per assegurar l’exactitud d’un àtom d’hidrogen[2] .
Un enginyer japonès i un estudiant nord-americà en informàtica han calculat, mitjançant un ordinador amb dotze nuclis físics, cinc bilions de dígits, que equivalen a 6 terabytes de dades. [ 3 ]
Aproximació del nombre pi al decimal tricentenari: {stylestyle scripts {pi}} = 3.14159 26535 89793 23846 26433 83279 50288 41971 69399 37510 58209 74944 59230 78164 06286 20899 86280 34825 34211 70679 82148 08651 32823 06647 09384 46095 50582 23172 53594 08128 48111 74502 84102 70193 85211 05559 64462 29489 54930 38196 44288 10975 66593 34461 28475 64823 37867 83165 27120 19091 45648 56692 34603 48610 45432 66482 13393 60726 02491 41273
Des de l' Antiguitat, s'han trobat diverses aproximacions per calcular l’àrea del cercle. [ 4 ] Entre els egipcis, per exemple, al papir d'Ahmes , el valor atribuït a
seria {displaystyle esquerra ({frac {4} {3} a la dreta} 4}
encara que també es troba el valor {mostrar estil 3 {frac {1} {6}}.
[ 5 ] [ 6 ] A la Bíblia (1 Reis 7:23), és possible trobar que els hebreus utilitzen el valor {stylestyle 3}
com a aproximació de
. [ 5 ] [ 7 ] Entre els babilonis, era habitual utilitzar el valor {stylestyle 3}
per calcular l’àrea del cercle, encara que sigui el valor {mostrar estil 3 {frac {1} {8}}}
ja s’anomenen aproximacions. [ 4 ]
Hi ha moltes maneres d’obtenir el valor aproximat de mitjançant mètodes numèrics. Considerem això
és un nombre irracional i transcendent, de manera que els mètodes de càlcul impliquen sempre aproximacions, aproximacions successives i / o sèries infinites de sumes, multiplicacions i divisions.
El primer intent rigorós de trobar es deu a un dels matemàtics més coneguts de l' Antiguitat , Arquimedes .Mitjançant la construcció de polígons inscrits i circumscrits de 96 costats es va trobar que pi seria entre un valor entre 223/71 i 22/7, és a dir, seria aproximadament entre 3.1408 i 3.1429. Aquest mètode és l’anomenat mètode clàssic per calcular el pi. [ 8 ]
Ptolomeu , que vivia a Alexandria aproximadament al segle III dC, calculava sobre la base d’un polígon de 720 costats inscrit en una circumferència de 60 unitats de radi. El seu valor era aproximadament de 3.1416. Tenint en compte el que sabem ara, el seu enfocament era molt millor que el d’Arquimedes.
La "cerca" per al valor de {stylestyle {pi}} va arribar a Xina , on Liu Hui , una copiadora de llibres, va aconseguir obtenir el valor de 3.114159 amb un polígon de 3.072 cares. Però només a finals del segle V el matemàtic Tsu Ch'ung Chih va arribar a una millor aproximació: entre 3.1415926 i 3.1415927.
En aquest mateix moment, el matemàtic hindú Aryabhata va escriure en versos en un llibre la següent declaració: "Afegiu 4 a 100, multipliqueu per 8 i afegiu-ne 62.000. El resultat és aproximadament una circumferència de diàmetre 20.000".
Analitzant matemàticament i considerant l’equació {stylestyle c = pi CD d:}
El valor de {stylestyle {pi},} per tant, seria 3.1416 . Bviament, com més gran sigui el nombre de decimals, millor serà l’aproximació del valor real de pi. Però hem de tenir en compte que, aleshores, no era fàcil de calcular.
El major càlcul de decimals fins al segle XV va ser 3.11415926535897932 pel matemàtic àrab Ghiyath al-Kashi . El matemàtic holandès Ludolph van Ceulen , a finals del segle XVI , va calcular una {stylestyle {pi}} amb 35 decimals, començant per un polígon de 15 costats, duplicant el nombre de costats 37 vegades i després augmentant el nombre de costats. Per curiositat, la seva dona tenia gravada la tomba a la ciutat {stylestyle {pi}}
amb els 35 decimals esmentats anteriorment.
Avui en dia és relativament més fàcil, amb ordinadors moderns calculant fins a trilions de decimals per a {stylestyle {pi}.}
Una aproximació de {stylestyle {pi}} que presenta una diferència d'aproximadament {Mostra estil 2 {,}} 7 × 10-7}
és el següent:
Basant-se en el mètode d' Arquímedes és possible formular una representació matemàtica per calcular el pi, eficient per a un polígon de qualsevol nombre de costats.
Tenint en compte un polígon de n costats i el radi 1, tenim la mesura del costat expressat per la llei dels cosinus :
a2 = b2 + c2 -2bc) alfa}
Hem format un triangle isòsceles, base l} i els costats {stylestyle r = 1}
:
{estil l2 = r2 + r2 -2r2) alfa}
l 2 = 1 2 + 1 2 -2 cos?
l 2 = 2-2 alfa}
l = {sqrt {2-2) cos alfa}}}
L' angle del triangle isòsceles al centre del polígon s'expressa en 360 ° dividit pel nombre de costats n} , per tant:
l = {sqrt {2-2 cos cos esquerra ({frac {360} {n}}}}}}
D'aquesta manera, el perímetre del polígon serà:
p = n. {sqrt {2-2 cos cos esquerra ({frac {360} {n}}}}}}
Com? està representat pel perímetre del polígon dividit pel seu diàmetre , tenim:
{stylestyle pi = {frac {n} {sqrt {2-2) cos esquerra {{360} {n}}}}} {2}}}
Aplicant transformacions trigonomètriques, la fórmula anterior es pot simplificar:
{stylestyle pi = n. operatorname {sen} a l'esquerra ({frac {180} {n}} a la dreta)}
Un altre mètode interessant per calcular es pot realitzar a través de Monte Carlo utilitzant les estadístiques . En aquest mètode es dibuixen punts aleatoris en un quadrat entre les coordenades {stylestyle O = (0,0)}
i B = (1,1).}
Llavors es calcula la distància dels punts dibuixats {stylestyle c_ {n} = (x n, y n}}
a l’origen O = (0, 0).
es pot aproximar pel nombre de punts inscrits a la circumferència del radi 1 en relació amb el total de punts dibuixats al costat 1 del quadrat.
A l’exemple cap al costat, 386/500 = 3.088}
Un altre mètode que utilitza les estadístiques de Monte Carlo per al càlcul de es coneix com Buffon's Needle , proposada al segle XVIII pel naturalista francès Georges de Buffon .
El francès François Viète , que estudiava el mètode d 'Arquimedes, va desenvolupar la sèrie següent per al càlcul de el 1593:
El matemàtic John Wallis va desenvolupar una altra sèrie infinita el 1655:
Una altra sèrie coneguda per al càlcul de va ser desenvolupat per Leibniz el 1682, utilitzant la sèrie de Taylor per a la funció {stylestyle arctan (x)}
, prenent {stylestyle x = 1}
i, per tant, arctan (1) = {frac {pi} {4}}}
.
Johann Heinrich Lambert va publicar, el 1770, una sèrie en forma de divisions infinites:
Un dels estudis dels mètodes de càlcul numèric és obtenir l’arrel d’una funció. Quan considerem la funció {stylestyle f (x) = sin (x)} ho sabem f (pi) = sin (pi) = 0.
Els principals mètodes del càlcul numèric per obtenir la funció arrel {stylestyle f (x)}
pot incloure una cerca binària al rang {stylestyle [a, b]}
on ho sabem f (3) = sin (3)> 0}
(a = 3)}
i f (4) = sin (4) <0}
(b = 4)}
llavors podem perfeccionar l’interval a:
Sortida des de l’abast {stylestyle pi a [3,4]} aquest mètode us permet afinar-lo successivament als intervals
i així successivament.
Encara en el càlcul numèric, el mètode de Newton-Raphson , més eficient que una cerca binària, permet obtenir aproximacions successives a l'arrel de la funció {stylestyle f (x) = sin (x)} utilitzant un punt de partida {estil x_ {0}}
que requereix que sàpiguem {stylestyle f '(x) = cos (x).}
Prendre's a tu mateix {estil x_ {0} = 3} i tenint en compte això per Newton-Rapson
{estil x_ {i + 1} = x_ {i} - {{f (x i}} sobre {f '(x_ {i}} = = x_ {i} - {{ {i})} sobre {cos (xi)}} = x_ {i} - {(xi)}}
tenim les següents sèries per a
Un mètode de càlcul numèric optimitzat per al càlcul de a través de les arrels d’una funció es pot obtenir simplificant
perquè a les rodalies de {stylestyle pi,} cos (x_ {i}) cong -1.}
[ 9 ]
Tingueu en compte que en aquests algorismes de càlcul numèric es considera com a transcendent, des de la funció {stylestyle f (x) = sin (x)}
no es pot escriure a través d'un polinomi finit de coeficients racionals; la funció {stylestyle f (x) = sin (x)}
s'obté mitjançant l’expansió de la sèrie de Taylor .
Yasumasa Kanada va utilitzar l’ algorisme de Gauss-Legendre , [ 10 ], que és un mètode numèric d’aproximacions successives [ 11 ] per obtenir el rècord mundial en el càlcul de llocs decimals de pi el 2002 . [ 12 ]
El 1995 , David Harold Bailey , en col·laboració amb Peter Borwein i Simon Plouffe , va descobrir una fórmula per calcular π, una suma infinita (sovint anomenada fórmula BBP ):
Aquesta fórmula us permet calcular fàcilment el desè primer binari decimal o hexadecimal de {stylestyle {pi}} sense haver de calcular els decimals anteriors. El lloc de Baileyconté la seva derivació i implementació en diversos llenguatges de programació. Gràcies a una fórmula derivada de la fórmula BBP , els 4 000 000 000 000 000 000
base es va obtenir el 2001 .
Diverses relacions matemàtiques depenen del coneixement de la constant {stylestyle pi,} els més coneguts a nivell didàctic són:
Atès que la superfície de l’esfera és {estil S = 4 pi r2} ,
també es troba en les fórmules gravitacionals i l' electromagnetisme de la física {displaystyle left (F = {1 sobre 4 cdot epsilon0} Q {q sobre d2}}}
.
Johann Heinrich Lambert ho va demostrar el 1761 {stylestyle x} és racional i diferent de {displaystyle 0}
, així que tampoc {estil d'estudi (x)}
cap {estil d'estudi i x}
pot ser racional. Com? {stylestyle an esquerre ({frac {pi} {4}} dret) = 1}
, segueix això {frac {pi} {4}}}
és irracional , i per tant
és irracional. [ 13 ] [ 14 ]
Lindemann ho va demostrar el 1882 és transcendent usant el mètode Hermite utilitzat per demostrar que e és transcendent.Això vol dir que
no pot ser la solució de cap equació algebraica de coeficients racionals . La transcendència de {stylestyle {pi}}
estableix la impossibilitat de resoldre el problema de la quadratura del cercle : és impossible construir, només amb regle euclidià i compàs , un quadrat la zona del qual és estrictament igual a la zona d'un cercle donat.
La pregunta oberta més important és si {stylestyle {pi}} és un nombre normal , és a dir, si apareix alguna dada de successió de dígits {stylestyle {pi},}
com es podria esperar d’una seqüència de figures infinita i completament aleatòria. Això hauria de ser cert en qualsevol base , no només a la base 10.
Tampoc se sap que les figures apareixen un nombre infinit de vegades en la constitució de {stylestyle {pi}.}
Bailey i Crandall van demostrar el 2000 que l'existència de la fórmula Bailey-Borwein-Plouffe abans esmentada i fórmules similars impliquen la normalitat de {stylestyle {pi}} a la base 2.
Matemàtic | Any | Llocs decimals |
Egipcis ( Papir Rhind ) | 1650 aC | 1 |
Arquimedes | 250 AC | 3 |
Zu Chongzhi | 480 DC | 7 |
Ghiyath al-Kashi | 1424 | 16 |
Ludolph van Ceulen | 1596 | 35 |
Georg von Vega | 1794 | 126 |
Gauss | 1824 | 200 |
William Shanks | 1874 | 527 |
Levi B. Smith, John W. Wrench | 1949 | 1.120 |
Daniel Shanks, John W. Wrench | 1961 | 100.265 |
Jean Guilloud, M. Bouyer | 1973 | 1.000.000 |
Yasumasa Kanada , Sayaka Yoshino, Yoshiaki Tamura | 1982 | 16.777.206 |
Yasumasa Kanada, Yoshiaki Tamura, Yoshinobu Kubo | 1987 | 134,217,700 |
Chudnovskys | 1989 | 1.011.169.691 |
Yasumasa Kanada, Daisuke Takahashi | 1997 | 51.539.600.000 |
Yasumasa Kanada, Daisuke Takahashi | 1999 | 206.158.430.000 |
Yasumasa Kanada | 2002 | 1.241.100.000.000 |
Daisuke Takahashi | 2009 | 2.576.980.370.000 [ 15 ] |
Fabrice Bellard | 2010 | 2.699.999.990.000 [ 16 ] |
Shigeru Kondo i Alexander Yee | 2010 | 5.000.000.000.000 [ 17 ] |
Shigeru Kondo i Alexander Yee | 2011 | 10.000.000.000.050 [ 17 ] |
Shigeru Kondo | 2013 | 12,100,000,000,050 [ 17 ] |
Emma Haruka Iwao | 2019 | 31,415,926,535,897 [ 18 ] |