Что мы знаем о числе Пи сегодня? Действительно, это число весьма интересно:
- Число Пи является иррациональным: оно не может быть выражено с помощью дроби вида m/n. Это было доказано только в 1761 году.
- Число Пи является трансцендентным: оно не является корнем какого-либо уравнения с целочисленными коэффициентами. Это было доказано в 1882 году.
- Число Пи является бесконечным.
- Интересное следствие предыдущего пункта: в числе Пи можно найти практически любое число, например свой собственный номер телефона, вопрос лишь в длине последовательности которую придется просмотреть. Можно подтвердить, что так и есть: скачав архив с 10 миллионами знаков числа Пи, я нашел в нем свой номер телефона, номер телефона квартиры где я родился, и номер телефона своей супруги. Но разумеется, никакой “магии” тут нет, лишь теория вероятности. Можно взять любую другую случайную последовательность чисел такой же длины, в ней также найдутся любые заданные числа.
И наконец, перейдем к формулам вычисления Пи, т.к. именно в них можно увидеть красоту числовых взаимосвязей - то, чем интересна математика.
Формула Лю-Хуэя (3й век):
Формула Мадхавы-Лейбница (15 век):
Формула Валлиса (17 век):
Формула Мэчина (18 век):
Попробуем вычислить число Пи по второй формуле. Для этого напишем простую программу на языке Python:
sum = 0.0
sign = 1
for p in range(0,33):
sum += 4.0*sign/(1+2*p)
print (p,sum)
sign = -sign
Запустим программу в любом онлайн-компиляторе языка Питон (например https://repl.it/languages/python3). Получаем результат:
Шаг Значение
0 4.0
1 2.666666666666667
2 3.466666666666667
3 2.8952380952380956
4 3.3396825396825403
5 2.9760461760461765
6 3.2837384837384844
7 3.017071817071818
8 3.2523659347188767
9 3.0418396189294032
10 3.232315809405594
11 3.058402765927333
12 3.2184027659273333
13 3.0702546177791854
14 3.208185652261944
15 3.079153394197428
16 3.200365515409549
17 3.0860798011238346
18 3.1941879092319425
19 3.09162380666784
20 3.189184782277596
21 3.0961615264636424
22 3.1850504153525314
23 3.099944032373808
24 3.1815766854350325
25 3.1031453128860127
26 3.1786170109992202
27 3.1058897382719475
28 3.1760651768684385
29 3.108268566698947
30 3.1738423371907505
31 3.110350273698687
32 3.1718887352371485
Как можно видеть, сделав 32 шага алгоритма, мы получили лишь 2 точных знака. Видно что алгоритм работает, но количество вычислений весьма велико. Как известно, в 15м веке индийский астроном и математик Мадхава использовал более точную формулу, получив точность числа Пи в 11 знаков:
Попробуем воспроизвести ее в виде программы, чтобы примерно оценить объем вычислений.
Первым шагом необходимо вычислить √12. Возникает резонный вопрос - как это сделать? Оказывается, уже в Вавилоне был известен метод вычисления квадратного корня, который сейчас так и называется “вавилонским”. Суть его в вычислении √S по простой формуле:
Здесь x0 - любое приближенное значение, например для √12 можно взять 3.
Запишем формулу в виде программы:
from decimal import Decimal
print ("Квадратный корень:")
number = Decimal(12)
result = Decimal(3)
for p in range(1,9):
result = (result + number/result)/Decimal(2)
difference = result**2 - number
print (p, result, difference)
sqrt12 = result
Результаты весьма интересны:
Шаг Значение Погрешность
1 3.5 0.25
2 3.464285714285714 0.00127
3 3.464101620029455 3.3890E-8
4 3.464101615137754 2.392873369E-17
Результат: √12 = 3.464101615137754
Как можно видеть, сделав всего 4 шага, можно получить √12 с достаточной точностью, задача вполне посильная даже для ручных расчетов 15 века.
Наконец, запрограммируем вторую часть алгоритма - собственно вычисление Пи.
sum = Decimal(1)
sign = -1
for p in range(1,32):
sum += Decimal(sign)/Decimal((2*p+1)*(3**p))
sign = -sign
print(p, sqrt12*sum)
print("Result:", sqrt12*sum)
Результаты работы программы:
Шаг Значение
1 3.079201435678004077382126829
2 3.156181471569954179316680000
3 3.137852891595680345522738769
4 3.142604745663084672802649458
5 3.141308785462883492635401088
6 3.141674312698837671656932680
7 3.141568715941784242161823554
8 3.141599773811505839072149767
9 3.141590510938080099642754230
10 3.141593304503081513121460820
11 3.141592454287646300323593597
12 3.141592715020379765581606212
13 3.141592634547313881242713430
14 3.141592659521713638451335328
15 3.141592651733997585128216671
16 3.141592654172575339199092210
17 3.141592653406165187919674184
18 3.141592653647826046431202391
19 3.141592653571403381773710565
20 3.141592653595634958372427485
21 3.141592653587933449530974820
22 3.141592653590386522717511595
23 3.141592653589603627019680710
24 3.141592653589853940610143646
Уже на 24м шаге мы получаем искомые 11 знаков числа Пи. Задача явно требовала больше времени чем сейчас, но вполне могла быть решена в средние века.
Современные формулы не столь просты внешне, зато работают еще быстрее. Для примера можно привести формулу Чудновского:
Для сравнения, те же 24 итерации по этой формуле дают число Пи со следующей точностью:
3.141592653589793238462643383279502884197169399375105820974944592307816406286208998628034825342117067982148086513282306647093844609550582231725359408128481117450284102701938521105559644622948954930381964428810975665933446128475648233786783165271201909145648566923460348610454326648213393607260249.
Если сделать 100 итераций и вычислить 1000 знаков Пи, то можно увидеть так называемую “точку Фейнмана”:
3.141592653589793238462643383279502884197169399375105820974944592307816406286208998628034825342117067982148086513282306647093844609550582231725359408128481117450284102701938521105559644622948954930381964428810975665933446128475648233786783165271201909145648566923460348610454326648213393607260249141273724587006606315588174881520920962829254091715364367892590360011330530548820466521384146951941511609433057270365759591953092186117381932611793105118548074462379962749567351885752724891227938183011949129833673362440656643086021394946395224737190702179860943702770539217176293176752384674818467669405132000568127145263560827785771342757789609173637178721468440901224953430146549585371050792279689258923542019956112129021960864034418159813629774771309960518707211349999998372978049951059731732816096318595024459455346908302642522308253344685035261931188171010003137838752886587533208381420617177669147303598253490428755468731159562863882353787593751957781857780532171226806613001927876611195909216420207
Это последовательность “999999”, находящаяся на 762м знаке от начала. Желающие могут поэкспериментировать дальше самостоятельно с помощью программы на языке Python:
from math import factorial
from decimal import *
def chudnovsky(n):
pi = Decimal(0)
k = 0
while k < n:
pi += (Decimal(-1)**k)*(Decimal(factorial(6*k))/((factorial(k)**3)*(factorial(3*k)))* (13591409 + 545140134*k)/(640320**(3*k)))
k += 1
print("Шаг: {} из {}".format(k, n))
pi = pi * Decimal(10005).sqrt()/4270934400
pi = pi**(-1)
return pi
# Требуемая точность (число знаков)
N = 1000
getcontext().prec = N
val = chudnovsky(N/14)
print(val)
Эта программа не оптимизирована, и работает довольно-таки медленно, но для ознакомления с сутью алгоритма этого вполне достаточно. Кстати, с помощью формулы Чудновского два инженера Александр Йи и Сингеру Кондо в 2010 году объявили о новом мировом рекорде вычисления Пи на персональном компьютере: 5 трлн знаков после запятой. Компьютеру с 12 ядрами, 97Гб памяти и 19 жесткими дисками потребовалось 60 дней для выполнения расчетов.
На этом мы закончим с числом Пи, хотя с ним конечно, связано куда больше интересных фактов. Например 3 марта (т.е. 03.14) отмечается международный “день числа Пи”, ну а другие факты читатели могут поискать самостоятельно.
4. Вычисление радиуса Земли
О том, что Земля круглая сегодня знает каждый школьник, и никого не удивить таким видом планеты из космоса.
Однако в историческом плане, увидеть планету свысока мы смогли совсем-совсем недавно. Как же мог греческий ученый Эратосфен измерить радиус Земли, в 240 году до нашей эры? Оказывается мог, используя 2 научных “инструмента” - транспортир и верблюда, ну и разумеется, математику.
Эратосфен жил в Александрии - крупнейшем городе того времени, центром науки и искусств древнего мира. В Александрии по преданию, находился маяк высотой 120 метров - даже сегодня такое сооружение не просто построить, а в то время маяк считался одним из 7 чудес света. Эратосфен же был не только ученым, но и хранителем Александрийской библиотеки, содержащей до 700000 книг.
Читая труды по географии, Эратосфен нашел интересный факт - в городе Сиене в день летнего солнцестояния Солнце стоит так высоко, что предметы в полдень не отбрасывают тени. Другой может и не обратил бы на это внимание, но Эратосфен не зря интересовался и математикой и астрономией. Он знал что в его городе Александрии тень в этот же день имеет другой угол. Эратосфен дождался солнцестояния, измерил угол солнечных лучей и получил величину 7,2 градуса.
Что это значит? Объяснение данному факту могло быть только одно - Земля круглая, и угол падения солнечных лучей в разных точках Земли в одно время различается.
Картинка с сайта physicsforme.com
Дальше, как говорится, дело техники. Зная примерное расстояние между Сиеном и Александрией (которое было известно из времени в пути каравана верблюдов) и угол, легко получить длину всей окружности. К чести Эратосфена, его результат отличается от сегодняшнего всего лишь на 1%. Так, задолго до эпохи авиации и воздухоплавания, человек впервые смог измерить радиус планеты, даже при этом не отрываясь от нее. Увидеть настоящую кривизну Земли сумели лишь пилоты стратостатов в начале 20 века, более чем через 2000 лет после описанного опыта.
Разумеется, повторить подобный эксперимент сегодня легко может любой школьник. Нужно лишь сделать простейший угломер из транспортира и отвеса, и с помощью знакомых в другом городе, сделать измерения высоты Солнца в двух точках в одно и то же время.
5. Простые числа
Каждый знает, что простые числа — такие числа, которые делятся только на единицу и самих себя. Но так ли они просты, как кажутся, и актуальны ли сегодня? Попробуем разобраться.
То, что существуют числа, которые не делятся ни на какое другое число, люди знали еще в древности. Последовательность простых чисел имеет следующий вид:
1, 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 37, 41, 43, 47, 53, 59, 61 …
Доказательство того, что этих чисел бесконечно много, дал еще Евклид, живший в 300 г до н.э. Примерно в те же годы уже известный нам греческий математик Эратосфен, придумал довольно-таки простой алгоритм получения простых чисел, суть которого была в последовательном вычеркивании чисел из таблицы. Те оставшиеся числа, которые ни на что не делились, и были простыми. Алгоритм называется «решето Эратосфена» и за счет своей простоты (в нем нет операций умножения или деления, только сложение) используется в компьютерной технике до сих пор.
Видимо, уже во время Эратосфена стало ясно, что какого-либо четкого критерия, является ли число простым, не существует — это можно проверить лишь экспериментально. Существуют различные способы для упрощения процесса (например, очевидно, что число не должно быть четным), но простой алгоритм проверки не найден до сих пор, и скорее всего найден не будет: чтобы узнать, простое число или нет, надо попытаться разделить его на все меньшие числа.
Это несложно записать в виде программы на языке Python:
import math
def is_prime(n):
if n % 2 == 0 and n > 2:
return False
for i in range(3, int(math.sqrt(n)) + 1, 2):
if n % i == 0:
return False
return True
# Вывод всех простых чисел от 1 до N
N = 100
for p in range(1, N, 2):
if is_prime(p): print(p)
# Вывод результата, является ли заданное число простым
print(is_prime(2147483647))
Желающие могут поэкспериментировать с программой самостоятельно.
Подчиняются ли простые числа каким-либо законам? Да, и они довольно любопытны. Так, например, французский математик Мерсенн еще в 16 веке обнаружил, что много простых чисел имеет вид 2N — 1, эти числа названы числами Мерсенна. Еще незадолго до этого, в 1588 году, итальянский математик Катальди обнаружил простое число 219 — 1 = 524287 (по классификации Мерсенна оно называется M19). Сегодня это число кажется весьма коротким, однако даже сейчас с калькулятором проверка его простоты заняла бы не один день, а для 16 века это было действительно огромной работой. На 200 лет позже математик Эйлер нашел другое простое число 231 — 1 = 2147483647. Необходимый объем вычислений каждый может представить сам. Он же выдвинул гипотезу, названную позже «проблемой Эйлера», или «бинарной проблемой Гольдбаха»: каждое чётное число, большее двух, можно представить в виде суммы двух простых чисел. Например, можно взять 2 любых четных числа: 123456 и 888777888. С помощью компьютера можно найти их сумму в виде двух простых чисел: 123456 = 61813 + 61643 и 888777888 = 444388979 + 444388909. Интересно здесь то, что точное доказательство этой теоремы не найдено до сих пор, хотя с помощью компьютеров она была проверена до чисел с 18 нулями.