10-04-2019  (680 ) Categoria: Articles

.PI

 

La lletra grec en minúscula πs'utilitza com a símbol de Pi
Una circumferència de diàmetre 1 té perímetre {stylestyle scripts {pi}}scriptstyle {pi}

En matemàtiques , el nombre pi 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}p i diàmetre d}d , llavors aquest nombre és igual a {estil d'estil p / d}{estil d'estil w / 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 constantsnombre de Ludolph .


Notació

El primer a utilitzar la lletra grega pi 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 ]

Valor de pi

El valor de pi pertany als nombres irracionals . Per als càlculs més senzills és habitual aproximar-se {stylestyle {pi}}{pi} per 3.14. Bona part de les calculadores científiques de 8 dígits pi per 3.114.926. Per calcular les rutes de navegació interplanetària, la NASA utilitza {stylestyle pi: aprox. 3.141592653589793}{estil estil 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 pi 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}}scriptstyle {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

Aproximacions a pi

Des de l' Antiguitat, s'han trobat diverses aproximacions pi per calcular l’àrea del cercle. [ 4 ] Entre els egipcis, per exemple, al papir d'Ahmes , el valor atribuït a piseria {displaystyle esquerra ({frac {4} {3} a la dreta} 4}{displaystyle left ({frac {4} {3} fins a la dreta} 4} encara que també es troba el valor {mostrar estil 3 {frac {1} {6}}.{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}3 com a aproximació de pi . [ 5 ] [ 7 ] Entre els babilonis, era habitual utilitzar el valor {stylestyle 3}3 per calcular l’àrea del cercle, encara que sigui el valor {mostrar estil 3 {frac {1} {8}}}{display style 3 {frac {1} {8}} ja s’anomenen aproximacions. [ 4 ]

Mètodes de càlcul

Hi ha moltes maneres d’obtenir el valor aproximat de pi mitjançant mètodes numèrics. Considerem això pi 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.

Mètode clàssic per calcular pi

Mètode clàssic per calcular pi

El primer intent rigorós de trobar pi es deu a un dels matemàtics més coneguts de l' AntiguitatArquimedes .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}}{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:}c =?  d:

(4 + 100) 8 + 62000 pi 200 {20000}(4 + 100) 8 8 + 62000 200 2000 Dret
{stylestyle 104 cdot 8 + 62000 pi 20020 Rightarrow}104?  8 + 62000?  200000?
{Mostra estil 832 + 62000 pi CDOT 20000 Rightarrow}832 + 62000 pi 200 20000
{displaystyle 62832 pi CDOT 20000 Rightarrow}62832 pi cdot 20000 Rightarrow
{62832 sobre 20000}{62832 més de 20000} pi

El valor de {stylestyle {pi},}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}}{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}}{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}.}pi.

Una aproximació de {stylestyle {pi}}{pi} que presenta una diferència d'aproximadament {Mostra estil 2 {,}} 7 × 10-7}{Mostra l'estil 2 {,}} 7 × 10-7} és el següent:

{355 sobre 113}{355 més de 113} pi

Formulació matemàtica del mètode d'Arquimedes edita el codi font

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}a ^ 2 = b ^ 2 + c ^ 2 - 2bc cos?

Hem format un triangle isòsceles, base l}l i els costats {stylestyle r = 1}r = 1 :

{estil l2 = r2 + r2 -2r2) alfa}2 = r ^ 2 + r ^ 2 - 2 ^ 2 cos?

l 2 = 1 2 + 1 2 -2 cos?1 ^ 2 = 1 ^ 2 + 1 ^ 2 - 2 amb?

l 2 = 2-2 alfa}l 2 = 2-2 cos

l = {sqrt {2-2) cos 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}n , per tant:

l = {sqrt {2-2 cos cos esquerra ({frac {360} {n}}}}}}l = sqrt {2 - 2 cos a l'esquerra (360 {n} a la dreta)}

D'aquesta manera, el perímetre del polígon serà:

p = n. {sqrt {2-2 cos cos esquerra ({frac {360} {n}}}}}}p = n sqrt {2 - 2 cos a l'esquerra (360 {n} a la dreta)}

Com? pi està representat pel perímetre del polígon dividit pel seu diàmetre , tenim:

{stylestyle pi = {frac {n} {sqrt {2-2) cos esquerra {{360} {n}}}}} {2}}}2 = 2 cos a l'esquerra (fracció {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)}{estilisme pi = n.  operatorname {sen} a l'esquerra {{frac {180} {n}} a dreta}}

Mètodes estadístics [ editar | edita el codi font

Metode estadístic Montecarlo per a càlcul d'uniq - postMath-00000039-QINU

Un altre mètode interessant per calcular pi 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)}O = (0, 0) i B = (1,1).}B = (1, 1). Llavors es calcula la distància dels punts dibuixats {stylestyle c_ {n} = (x n, y n}}c_n = (x_n, y_n) a l’origen O = (0, 0). pi 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}pi 4 386/500 = 3.088

Un altre mètode que utilitza les estadístiques de Monte Carlo per al càlcul de pi es coneix com Buffon's Needle , proposada al segle XVIII pel naturalista francès Georges de Buffon .

Mètodes de sèries infinites

El francès François Viète , que estudiava el mètode d 'Arquimedes, va desenvolupar la sèrie següent per al càlcul de pi el 1593:

{frac {2} {sqrt {2}} {2} {sqrt {2}} 2 + {sqrt {2} {sqrt {2}}}}} {2}} cdot points = {frac {2} {pi}}Sqrt {2} sqrt {2} sqrt {2} sqrt {2} 2}} {2} punts = frac {2} {pi}

El matemàtic John Wallis va desenvolupar una altra sèrie infinita el 1655:

{frac {2} {1}} {frac {2} {3}} {frac {4} {3} {frac {4} {5}} (1) i (2), (2) i (4), respectivament. dots = {frac {pi} {2}}.?  2 {1}?  {3} 2?  {4} {3} {4} {5} {6} {5} {} frac {6} {7} {7} agost {8} {9} {punteja frac = {pi} {2}.

Una altra sèrie coneguda per al càlcul de pi va ser desenvolupat per Leibniz el 1682, utilitzant la sèrie de Taylor per a la funció {stylestyle arctan (x)}{estilisme arctan (x)} , prenent {stylestyle x = 1}{estil x = 1} i, per tant, arctan (1) = {frac {pi} {4}}}{estil de visualització visual arctan (1) = {frac {pi} {4}}} .

suma n = 0} {infty} {frac {(-1) n} {2n + 1}} = 1 - {1} {3} frac {1} {5}} {{1} {7}} {{1} {9}} - punts = {frac {pi} {4}}}}sum_ {n = 0} frac {(1) ^ n} {2n + 1} = 1 - {1} {3} + {1} {5} - {1} {7} + {1} {9} - bats frac = {pi} {4}.

Johann Heinrich Lambert va publicar, el 1770, una sèrie en forma de divisions infinites:

{Mostra {4} {frac {4} {pi} = 1 + {frac {1 2} {3 + {2 2} {5 + { 2} {7 + {4 2} {9 + {frac {5} {11 + {frac {6}}} }}}}}1 2 3 4 5 2 3 4 5 2 3 4 5 2 3 4 5 2 3 4 3 4 4 4 4 4 4 5 4 5 6 7 4 4 4 5 6 7 8 9 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 [9+?  5 ^ 2 ^ {11 + {6} {2}

Mètodes de càlcul numèric

Un dels estudis dels mètodes de càlcul numèric és obtenir l’arrel d’una funció. Quan considerem la funció {stylestyle f (x) = sin (x)}{estil estil f (x) = sin (x)} ho sabem f (pi) = sin (pi) = 0.estil de visualització f (pi) = sin (pi) = 0. Els principals mètodes del càlcul numèric per obtenir la funció arrel {stylestyle f (x)}f (x) pot incloure una cerca binària al rang {stylestyle [a, b]}[a, b] on ho sabem f (3) = sin (3)> 0}{estil de visualització f (3) = sin (3)> 0} (a = 3)}(a = 3) i f (4) = sin (4) <0}{estil de visualització f (4) = sin (4) <0} (b = 4)}(b = 4) llavors podem perfeccionar l’interval a:

{Mostra estil a la dreta [a, {{a + b} sobre 2} a la dreta],}{Mostra l'estil a dreta [a, {{a + b} sobre 2} a dreta],} si {Mostra estil f a l'esquerra ({{a + b} sobre 2} a la dreta) <0}{Mostra l'estil fa l'lumbra ({{a + b} sobre 2} a la dreta) <0} i
{stylestyle esquerra [{{a + b} sobre 2}, b dret],}{estilisme restant {2},}} si {mostrar estil f a l'esquerra ({{a + b} sobre 2} a la dreta){mostra l'estil fa l'esquerra ({{a + b} el 2} a la dreta)

Sortida des de l’abast {stylestyle pi a [3,4]}pi [3,4] aquest mètode us permet afinar-lo successivament als intervals

  1. {stylestyle pi a [3.3.3]}pi a [3, 3.5]
  2. {stylestyle pi a [3.3.25]}pi a [3, 3.25]
  3. {stylestyle pi a [3.125.3.25]}pi a [3.125, 3.25]
  4. {stylestyle pi a [3.125.3.1875]}pi a [3.125, 3.1875]

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)}{estil estil f (x) = sin (x)} utilitzant un punt de partida {estil x_ {0}}x_0 que requereix que sàpiguem {stylestyle f '(x) = cos (x).}{estil estil f '(x) = cos (x).}

Prendre's a tu mateix {estil x_ {0} = 3}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)}}(xi) = {xi} - {{xi}} {{f (xi}}} sobre {cos (xi )}} = x_ {i} - {(xi)}}

tenim les següents sèries per a pi

  1. {estil x_ {0} = 3}x_0 = 3
  2. {stylestyle x_ {1} = 3.14254654}x_1 = 3.14254654
  3. {stylestyle x_ {2} = 3.14159265}x_2 = 3.14159265

Un mètode de càlcul numèric optimitzat per al càlcul de pi a través de les arrels d’una funció es pot obtenir simplificant

{estil x_ {i + 1} = x_ {i} + sin (x_ {i})}{estil x i + 1 = x i + sin (x i)

perquè a les rodalies de {stylestyle pi,}pi, cos (x_ {i}) cong -1.}{estil de visualització visual (xi) cong -1.} [ 9 ]

Tingueu en compte que en aquests algorismes de càlcul numèric es considera pi com a transcendent, des de la funció {stylestyle f (x) = sin (x)}{estil estil f (x) = sin (x)} no es pot escriure a través d'un polinomi finit de coeficients racionals; la funció {stylestyle f (x) = sin (x)}{estil estil f (x) = sin (x)} s'obté mitjançant l’expansió de la sèrie de Taylor .

Algorisme de Gauss-Legendre

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 ]

Mètode de càlcul aïllat de decimals {stylestyle {pi}}{pi}

El 1995David Harold Bailey , en col·laboració amb Peter BorweinSimon Plouffe , va descobrir una fórmula per calcular π, una suma infinita (sovint anomenada fórmula BBP ):

{stylestyle pi = suma {k = 0} {frac {1} {16k}} a l'esquerra {4} {8k + 1}} 8k + 4} - {frac {1} {8k + 5}} {{1k + 6}}}(8k + 1) - {8k + 4} - {1k + 1} - {1k + 4} 1 (8k + 5) - {1k + 6}

Aquesta fórmula us permet calcular fàcilment el desè primer binari decimal o hexadecimal de {stylestyle {pi}}{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 pibase es va obtenir el 2001 .

Quantitats que depenen de pi

Diverses relacions matemàtiques depenen del coneixement de la constant {stylestyle pi,}pi, els més coneguts a nivell didàctic són:

Atès que la superfície de l’esfera és {estil S = 4 pi r2}S = 4 pi r2 , pi 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}}}{displaystyle left (F = {1 a 4 cdot epsilon0} Q {q a d2}}} .

Irracionalitattranscendència de pi

El perímetre de la circumferència és de 3.1416 ... vegades més gran que el diàmetre, sent la relació perímetre / diàmetre pi (pi)

Johann Heinrich Lambert ho va demostrar el 1761 {stylestyle x}x és racional i diferent de {displaystyle 0}{displaystyle 0} , així que tampoc {estil d'estudi (x)}{estil d'estud (x)} cap {estil d'estudi i x}ix pot ser racional. Com? {stylestyle an esquerre ({frac {pi} {4}} dret) = 1}{estil d'estil un residu {{frac {pi} {4} dret} = 1} , segueix això {frac {pi} {4}}}{estil visual {frac {pi} {4}}} és irracional , i per tant pi és irracional. [ 13 ] [ 14 ]

Lindemann ho va demostrar el 1882 pi és transcendent usant el mètode Hermite utilitzat per demostrar que e és transcendent.Això vol dir que pi no pot ser la solució de cap equació algebraica de coeficients racionals . La transcendència de {stylestyle {pi}}{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.

Preguntes sense resposta

La pregunta oberta més important és si {stylestyle {pi}}{pi} és un nombre normal , és a dir, si apareix alguna dada de successió de dígits {stylestyle {pi},}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}.}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}}{pi} a la base 2.

Cronologia del càlcul de pi

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 ]

Vegeu també

Matemàtics Wikipedia té un article sobre:
Portal de matemàtiques
Wikimedia Commons té suports relacionats amb: Pi

Notes

  1. És a dir, que π és un nombre que representa la relació entre el perímetre d'una circumferència i el seu diàmetre
  2. (Eves (2004) pàg. 144
  3. "PC de 18.000 $ EUA calcula 5 bilions de números de Pi"
  4. Ir para:A b Cajori (2007), pàg. 45
  5. (A b Eves (2004), pàg. 141
  6. Boyer (1996), pàg. 12
  7. El número Pi de la Bíblia
  8. (Eves (2004), pàg. 141 i 142
  9. "El càlcul del nombre pi" (PDF) . 2006 . Obtingut el 13 d’octubre de 2007
  10. Smith Harry J. Smith (20 d'octubre de 2004). "Algorisme de Gauss-Legendre" .Obtingut el 29 de gener de 2008
  11. Felipe, Enrique (12 d'abril de 2018). "Algorisme iteratiu Gauss-Legendre per al càlcul de Pi" . Consultat el 22 de març de 2019
  12. «Yasumasa Kanada» . 10 de desembre de 2002 . Obtingut el 29 de gener de 2008
  13. Ori Cajori (2007), pàg. 330
  14. Boyer (1996), pàg. 320
  15. «El nostre últim disc es va establir com a continuació»
  16. » « Registre de computació Pi »
  17. Ir para:A b c «Número mundial»
  18. ^ Mia, Neagle (14 de març de 2019). "Una recepta per batre el registre de les xifres més calculades de pi" . Google Blog . Consultat el 22 de març de 2019

Bibliografia

Enllaços externs




versió per imprimir