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最精确的圆周率

圆周长与直径的比,称为圆周率,符号是π。我国古代很早就得出了比较精确的圆周率。我国古籍《隋书·律厉志》记载,南北朝的科学家祖冲之推算圆周率为π的真实值在3.1415926于3.1415927之间。他所的得到π的近似分数是密率355/133。德国人奥托在1573年才重新的出祖冲之密率355/113,落后了11个世纪。英国数学家向克斯琼毕生精力,把圆周率算到小数点后707位,曾被传为佳话,但是他在第528位上产生了一个错误,因此后面的100多位数字是不正确的。

 
1983年,日本东京大学的两位学者利用超高速的HITAC电子计算机,把π算到了16777216位。他们打算在不久的将来把计算位数再要翻一番,并最终突破1亿位大关。

 

关于圆周率:


【圆周率的历史】
  π=pi
  古希腊欧几里得《几何原本》(约公元前3世纪初)中提到圆周率是常数,中国古算书《周髀算经》( 约公元前2世纪)中有“径一而周三”的记载,也认为圆周率是常数。历史上曾采用过圆周率的多种近似值,早期大都是通过实验而得到的结果,如古埃及纸草书(约公元前1700)中取pi=(4/3)^4≒3.1604 。第一个用科学方法寻求圆周率数值的人是阿基米德,他在《圆的度量》(公元前3世纪)中用圆内接和外切正多边形的周长确定圆周长的

上下界,从正六边形开始,逐次加倍计算到正96边形,得到(3+(10/71))<π<(3+(1/7)) ,开创了圆周率计算的几何方法(亦称古典方法,或阿基米德方法),得出精确到小数点后两位的π值。
  中国数学家刘徽在注释《九章算术》(263年)时只用圆内接正多边形就求得π的近似值,也得出精确到两位小数的π值,他的方法被后人称为割圆术。他用割圆术一直算到圆内接正192边形。
  南北朝时代数学家祖冲之进一步得出精确到小数点后7位的π值(约5世纪下半叶),给出不足近似值3.1415926和过剩近似值3.1415927,还得到两个近似分数值,密率355/113和约率22/7。其中的密率在西方直到1573才由德国人奥托得到,1625年发表于荷兰工程师安托尼斯的著作中,欧洲称之为安托尼斯率。
  阿拉伯数学家卡西在15世纪初求得圆周率17位精确小数值,打破祖冲之保持近千年的纪录。
  德国数学家柯伦于1596年将π值算到20位小数值,后投入毕生精力,于1610年算到小数后35位数,该数值被用他的名字称为鲁道夫数。
  无穷乘积式、无穷连分数、无穷级数等各种π值表达式纷纷出现,π值计算精度也迅速增加。1706年英国数学家梅钦计算π值突破100位小数大关。1873 年另一位英国数学家尚可斯将π值计算到小数

点后707位,可惜他的结果从528位起是错的。到1948年英国的弗格森和美国的伦奇共同发表了π的808位小数值,成为人工计算圆周率值的最高纪录。
  电子计算机的出现使π值计算有了突飞猛进的发展。1949年美国马里兰州阿伯丁的军队弹道研究实验室首次用计算机(ENIAC)计算π值,一下子就算到2037位小数,突破了千位数。1989年美国哥伦比亚大学研究人员用克雷-2型和IBM-VF型巨型电子计算机计算出π值小数点后4.8亿位数,后又继续算到小数点后10.1亿位数,创下新的纪录。至今,最新纪录是小数点后12411亿位。

 

【圆周率的计算】
   古今中外,许多人致力于圆周率的研究与计算。为了计算出圆周率的越来越好的近似值,一代代的数学家为这个神秘的数贡献了无数的时间与心血。
  十九世纪前,圆周率的计算进展相当缓慢,十九世纪后,计算圆周率的世界纪录频频创新。整个十九世纪,可以说是圆周率的手工计算量最大的世纪。
  进入二十世纪,随着计算机的发明,圆周率的计算有了突飞猛进。借助于超级计算机,人们已经得到了圆周率的2061亿位精度。
  历史上最马拉松式的计算,其一是德国的Ludolph Van Ceulen,他几乎耗尽了一生的时间,计算到圆的内接正262边形,于1609年得到

了圆周率的35位精度值,以至于圆周率在德国被称为Ludolph数;其二是英国的威廉·山克斯,他耗费了15年的光阴,在1874年算出了圆周率的小数点后707位,并将其刻在了墓碑上作为一生的荣誉。可惜,后人发现,他从第528位开始就算错了。
  把圆周率的数值算得这么精确,实际意义并不大。现代科技领域使用的圆周率值,有十几位已经足够了。如果用鲁道夫算出的35位精度的圆周率值,来计算一个能把太阳系包起来的一个圆的周长,误差还不到质子直径的百万分之一。以前的人计算圆周率,是要探究圆周率是否循环小数。自从1761年兰伯特证明了圆周率是无理数,1882年林德曼证明了圆周率是超越数后,圆周率的神秘面纱就被揭开了。
  现在的人计算圆周率, 多数是为了验证计算机的计算能力,还有,就是为了兴趣。

 

【圆周率的计算方法】
   古人计算圆周率,一般是用割圆法。即用圆的内接或外切正多边形来逼近圆的周长。阿基米德用正96边形得到圆周率小数点后3位的精度;刘徽用正3072边形得到5位精度;鲁道夫用正262边形得到了35位精度。这种基于几何的算法计算量大,速度慢,吃力不讨好。随着数学的发展,数学家们在进行数学研究时有意无意地发现了许多计算圆周率的公式。下面挑选一些

经典的常用公式加以介绍。除了这些经典公式外,还有很多其它公式和由这些经典公式衍生出来的公式,就不一一列举了。
  1、马青公式
  π=16arctan1/5-4arctan1/239
  这个公式由英国天文学教授约翰·马青于1706年发现。他利用这个公式计算到了100位的圆周率。马青公式每计算一项可以得到1.4位的十进制精度。因为它的计算过程中被乘数和被除数都不大于长整数,所以可以很容易地在计算机上编程实现。
  还有很多类似于马青公式的反正切公式。在所有这些公式中,马青公式似乎是最快的了。虽然如此,如果要计算更多的位数,比如几千万位,马青公式就力不从心了。
  2、拉马努金公式
  1914年,印度天才数学家拉马努金在他的论文里发表了一系列共14条圆周率的计算公式。这个公式每计算一项可以得到8位的十进制精度。1985年Gosper用这个公式计算到了圆周率的17,500,000位。
  1989年,大卫·丘德诺夫斯基和格雷高里·丘德诺夫斯基兄弟将拉马努金公式改良,这个公式被称为丘德诺夫斯基公式,每计算一项可以得到15位的十进制精度。1994年丘德诺夫斯基兄弟利用这个公式计算到了4,044,000,000位。丘德诺夫斯基公式的另一个更方便于计算机编程的形式是:
  3、AGM(Arithmetic-Ge

ometric Mean)算法
  高斯-勒让德公式:
  这个公式每迭代一次将得到双倍的十进制精度,比如要计算100万位,迭代20次就够了。1999年9月,日本的高桥大介和金田康正用这个算法计算到了圆周率的206,158,430,000位,创出新的世界纪录。
  4、波尔文四次迭代式:
  这个公式由乔纳森·波尔文和彼得·波尔文于1985年发表,它四次收敛于圆周率。
  5、bailey-borwein-plouffe算法
  这个公式简称BBP公式,由David Bailey, Peter Borwein和Simon Plouffe于1995年共同发表。它打破了传统的圆周率的算法,可以计算圆周率的任意第n位,而不用计算前面的n-1位。这为圆周率的分布式计算提供了可行性。
  6、丘德诺夫斯基公式
  这是由丘德诺夫斯基兄弟发现的,十分适合计算机编程,是目前计算机使用较快的一个公式。以下是这个公式的一个简化版本:
  丘德诺夫斯基公式

 

【圆周率的计算历史】
  时间 纪录创造者 小数点后位数 所用方法
  前2000 古埃及人 0
  前1200 中国 0
  前500 《圣经》 0(周三径一)
  前250 阿基米德 3
  263 刘徽 5 古典割圆术
  480 祖冲之 7
  1429 Al-Kashi 14
  1593 Romanus 15
  1596 鲁道夫 20 古典割圆术
  1609 鲁道夫 3

5
  1699 夏普 71 夏普无穷级数
  1706 马青 100 马青公式
  1719 (法)德·拉尼 127(112位正确)夏普无穷级数
  1794(奥地利)乔治·威加 140 欧拉公式
  1824 (英)威廉·卢瑟福 208(152位正确)勒让德公式
  1844 Strassnitzky & Dase 200
  1847 Clausen 248
  1853 Lehmann 261
  1853 Rutherford 440
  1874 威廉·山克斯 707(527位正确)
  20世纪后
  年 月 纪录创造者 所用机器 小数点后位数
  1946 (英)弗格森 620
  1947 1 (英)弗格森 710
  1947 9 Ferguson & Wrench 808
  1949 Smith & Wrench 1,120
  1949 Reitwiesner et al ENIAC 2,037
  1954 Nicholson & Jeenel NORC 3,092
  1957 Felton Pegasus 7,480
  1958 1 Genuys IBM704 10,000
  1958 5 Felton Pegasus 10,021
  1959 Guilloud IBM 704 16,167
  1961 Shanks & Wrench IBM 7090 100,265
  1966 Guilloud & Filliatre IBM 7030 250,000
  1967 Guilloud & Dichampt CDC 6600 500,000
  1973 Guilloud & Bouyer CDC 7600 1,001,250
  1981 Miyoshi & Kanada FACOM M-200 2,000,036
  1982 Guilloud 2,000,050
  1982

Tamura MELCOM 900II 2,097,144
  1982 Tamura & Kanada HITACHI M-280H 4,194,288
  1982 Tamura & Kanada HITACHI M-280H 8,388,576
  1983 Kanada, Yoshino & Tamura HITACHI M-280H 16,777,206
  1985 10 Gosper Symbolics 3670 17,526,200
  1986 1 Bailey CRAY-2 29,360,111
  1986 9 Kanada & Tamura HITACHI S-810/20 33,554,414
  1986 10 Kanada & Tamura HITACHI S-810/20 67,108,839
  1987 1 Kanada, Tamura & Kubo et al NEC SX-2 134,217,700
  1988 1 Kanada & Tamura HITACHI S-820/80 201,326,551
  1989 5 Chudnovskys CRAY-2 & IBM-3090/VF 480,000,000
  1989 6 Chudnovskys IBM 3090 525,229,270
  1989 7 Kanada & Tamura HITACHI S-820/80 536,870,898
  1989 8 Chudnovskys IBM 3090 1,011,196,691
  1989 11 Kanada & Tamura HITACHI S-820/80 1,073,741,799
  1991 8 Chudnovskys 2,260,000,000
  1994 5 Chudnovskys 4,044,000,000
  1995 8 Takahashi & Kanada HITACHI S-3800/480 4,294,967,286
  1995 10 Takahashi & Kanada 6,442,450,938
  1997 7 Takahashi & Kan

ada 51,539,600,000
  1999 4 Takahashi & Kanada 68,719,470,000
  1999 9 Takahashi & Kanada HITACHI SR8000 206,158,430,000
  2002 Takahashi Team 1,241,100,000,000

 

【圆周率的最新计算纪录】
  1、新世界纪录
  圆周率的最新计算纪录由日本人金田康正的队伍所创造。他们于2002年算出π值1,241,100,000,000 位小数,这一结果打破了他们于1999年9月18日创造的206,000,000,000位小数的世界纪录。
  2、个人计算圆周率的世界纪录
  在一个现场解说验证活动中,一名59岁日本老人Akira Haraguchi将圆周率π算到了小数点后的83431位,这名孜孜不倦的59岁老人向观众讲解了长达13个小时,最终获得认同。这一纪录已经被收入了Guinness世界大全中。据报道,此前的纪录是由一名日本学生于1995年计算出的,当时的精度是小数点后的42000位。
  【一些有趣的数字序列在π小数点后出现的位置】数字序列 出现的位置
  01234567891 26,852,899,245 41,952,536,161 99,972,955,571 102,081,851,717 171,257,652,369
  01234567890 53,217,681,704 148,425,641,592
  432109876543 149,589,314,822
  543210987654 197,954,994,289
  98765432109 123,040,86

0,473 133,601,569,485 150,339,161,883 183,859,550,237
  09876543210 42,321,758,803 57,402,068,394 83,358,197,954
  10987654321 89,634,825,550 137,803,268,208 152,752,201,245
  27182818284 45,111,908,393

 

【PC机上的计算】
  1、PiFast
  目前PC机上流行的最快的圆周率计算程序是PiFast。它除了计算圆周率,还可以计算e和sqrt(2)。PiFast可以利用磁盘缓存,突破物理内存的限制进行超高精度的计算,最高计算位数可达240亿位,并提供基于Fabrice Bellard公式的验算功能。
  2、PC机上的最高计算记录
  最高记录:12,884,901,372位
  时间:2000年10月10日
  记录创造者:Shigeru Kondo
  所用程序:PiFast ver3.3
  机器配置:Pentium III 1G, 1792M RAM,WindowsNT4.0,40GBx2(IDE,FastTrak66)
  计算时间:1,884,375秒 (21.809895833333333333333333333333天)
  验算时间:29小时

 

【圆周率小数点后21500位】
  3.1415926535 8979323846 2643383279 5028841971 6939937510 5820974944 5923078164 0628620899 8628034825 3421170679 8214808651 3282306647 0938446095 5058223172 5359408128 4811174502 8410270193 8521105559 6446229489 549

3038196 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
  ----- [1000] -----
  3809525720 1065485863 2788659361 5338182796 8230301952 0353018529 6899577362 2599413891

2497217752 8347913151 5574857242 4541506959 5082953311 6861727855 8890750983 8175463746 4939319255 0604009277 0167113900 9848824012 8583616035 6370766010 4710181942 9555961989 4676783744 9448255379 7747268471 0404753464 6208046684 2590694912 9331367702 8989152104 7521620569 6602405803 8150193511 2533824300 3558764024 7496473263 9141992726 0426992279 6782354781 6360093417 2164121992 4586315030 2861829745 5570674983 8505494588 5869269956 9092721079 7509302955 3211653449 8720275596 0236480665 4991198818 3479775356 6369807426 5425278625 5181841757 4672890977 7727938000 8164706001 6145249192 1732172147 7235014144 1973568548 1613611573 5255213347 5741849468 4385233239 0739414333 4547762416 8625189835 6948556209 9219222184 2725502542 5688767179 0494601653 4668049886 2723279178 6085784383 8279679766 8145410095 3883786360 9506800642 2512520511 7392984896 0841284886 2694560424 1965285022 2106611863 0674427862 2039194945 0471237137 8696095636 4371917287 4677646575 7396241389 0865832645 995813390

4 7802759009
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【背圆周率小数点后位数多的人】
 

背诵圆周率最多的人:日本人原口证(于2006年10月3日至4日背诵圆周率小数後第100,000位数,总计背诵时间为16个小时半)
  一学生背圆周率至小数点后6万位
  截至20日14时56分,西北农林科技大学硕士研究生吕超用24小时零4分钟,不间断无差错地背诵圆周率至小数点后67890位,从而刷新由一名日本学生于1995年创造的无差错背诵圆周率至小数点后42195位的吉尼斯世界纪录。
  生于1982年11月的吕超,2001年由湖北省枣阳市考入西北农林科技大学生命科学2005年被推荐免试攻读本校的应用化学硕士学位。他有较强的记忆能力,特别擅长背诵和默写数字,通常记忆100位数字只需10分钟。吕超从4年前开始背诵圆周率,近1年来加紧准备,目前能够记住的圆周率位数超过9万位。在20日的背诵中,吕超背诵至小数点后67890位时将“0”背为“5”发生错误,挑战结束。
  圆周率是一个无穷小数,到目前为止,专家利用超级电脑已计算圆周率到小数点后约100万兆位。据介绍,挑战背诵圆周率吉尼斯世界纪录的规则是:必须大声地背出;背诵过程中不能给予帮助或(视觉与听觉方面的)提示,也不能有任何形式的协助;背诵必须连续,两个数字之

间的间隔不得超过15秒;背诵出错时可以更正,但更正必须是在说出下一个数字之前;任何错误(除非错误被立刻更正)都将使挑战失败。因此,吕超在背诵前进行了全面体检,并由家长签字同意,背诵过程中还使用了尿不湿和葡萄糖、咖啡、巧克力来解决上厕所和进食等生理问题。
  东方网11月25日消息:昨日,记者从西北农林科技大学获悉,该校学生吕超于去年11月成功创造的“背诵圆周率”吉尼斯世界新纪录,最近被英国吉尼斯总部正式认可,并于今年10月26日向吕超颁发了吉尼斯世界纪录证书。在背诵圆周率的吉尼斯纪录历史上,第一次留下了中国人的名字。
  现年24岁的吕超是西北农林科技大学理学院应用化学专业在读硕士生。2005年11月20日,吕超经过连续24小时04分的艰苦努力,无差错背诵圆周率达到小数点后第67890位,打破了“背诵圆周率”吉尼斯世界纪录。此前,背诵圆周率的吉尼斯世界纪录,为无差错背诵小数点后第42195位,是日本人友寄英哲于1995年创造的。
  据了解,吕超于2004年利用各种记忆方法开始准备背诵圆周率。2005年暑假,他每天花费10多个小时对圆周率反复记忆、复习,经过两个多月的准备,能够准确背诵小数点9万位以上,遂决定向“背诵圆周率”世界纪录发起

挑战。
  2006年1月初,吕超向英国吉尼斯总部寄送了全部申报材料。经过详细审核,2006年10月,吉尼斯总部正式认可吕超的挑战纪录,并向吕超颁发了吉尼斯世界纪录证书。
  昨日面对鲜花和来自老师、同学们的掌声,吕超格外激动地说:“这是我们集体的荣誉,收获最大的不是这个成绩,而是创造这个纪录的过程。”
  吕超透露,在练习背诵圆周率过程中,他多次想到了放弃,背到第二周的时候开始失眠,背到一个月的时候掉头发。但为了实现目标,最终还是坚持下来。
  当问及下一步是否还打算刷新自己保持的纪录时,吕超说:“没必要把这个纪录一次次刷新。我希望有更多人具备这个能力,这是对人类记忆能力的一种挑战。”
  3月14日,在英国牛津大学科学历史博物馆礼堂内众多专家和观众面前,为了替英国“癫痫症治疗协会”募集资金,英国肯特郡亨里湾的丹尼尔·塔曼特在5小时之内成功地将圆周率背诵到了小数点后面22514位!据悉,塔曼特是世界上25位拥有这项“惊人绝技”的记忆专家之一!
  据报道,现年25岁的塔曼特是在小时候患了癫痫症后,才突然发现自己拥有“记忆数字”的惊人能力的。长大并战胜自己的疾病后,塔曼特成了一名记忆专家,他不仅精通多种语言,还成立

了一间“记忆技巧公司”。
  塔曼特是欧洲背诵圆周率小数点后数字最多的人,但却并不是世界第一。据称,最厉害的人是一名马来西亚大学生,他曾在15小时内将圆周率背诵到小数点后67053位.

 

【与Π有关的等式】
  (Π^2)/6 = 1/1^2 + 1/2^2 + 1/3^2 + ······ + 1/n^2 + ······
  e^(πi) + 1 = 0
  e^(-x^2) 在-∞到+∞上的积分是√π
  sinx/x 在0到∞上的积分是π/2
  [Wallis公式] π/2 = lim (n→∞) [ (2n)!! / (2n-1)!! ]^2 / (2n+1)
  [Stirling公式] n→∞时,n! ~ √(2πn)·(n^n)·e^(-n)
  【圆周率的约率和密率】
  圆周率的约率为22/7,密率为355/113

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