圆周率的计算方法是什么?有多少种计算方法?

圆周率的计算方法是什么?有多少种计算方法?,第1张

实验对 π 值进行估算,这是计算 π 的的第一阶段。这种对 π 值的估算基本上都是以观察或实验为根据,是基于对一个圆的周长和直径的实际测量而得出的。在古代世界,实际上长期使用 π =3这个数值。最早见于文字记载的有基督教《圣经》中的章节,其上取圆周率为3。这一段描述的事大约发生在公元前950年前后。其他如巴比伦、印度、中国等也长期使用3这个粗略而简单实用的数值。在我国刘徽之前“圆径一而周三”曾广泛流传。我国第一部《周髀算经》中,就记载有圆“周三径一”这一结论。在我国,木工师傅有两句从古流传下来的口诀:叫做:“周三径一,方五斜七”,意思是说,直径为1的圆,周长大约是3,边长为5的正方形,对角线之长约为7。这正反映了早期人们对圆周率 π 和√2 这两个无理数的粗略估计。东汉时期官方还明文规定圆周率取3为计算面积的标准。后人称之为“古率”。

早期的人们还使用了其它的粗糙方法。如古埃及、古希腊人曾用谷粒摆在圆形上,以数粒数与方形对比的方法取得数值。或用匀重木板锯成圆形和方形以秤量对比取值……由此,得到圆周率的稍好些的值。如古埃及人应用了约四千年的 4 (8/9)2 = 31605。在印度,公元前六世纪,曾取 π= √10 = 3162。在我国东、西汉之交,新朝王莽令刘歆制造量的容器――律嘉量斛。刘歆在制造标准容器的过程中就需要用到圆周率的值。为此,他大约也是通过做实验,得到一些关于圆周率的并不划一的近似值。现在根据铭文推算,其计算值分别取为31547,31992,31498,32031比径一周三的古率已有所进步。人类的这种探索的结果,当主要估计圆田面积时,对生产没有太大影响,但以此来制造器皿或其它计算就不合适了。

几何法时期

凭直观推测或实物度量,来计算 π 值的实验方法所得到的结果是相当粗略的。

真正使圆周率计算建立在科学的基础上,首先应归功于阿基米德。他是科学地研究这一常数的第一个人,是他首先提出了一种能够借助数学过程而不是通过测量的、能够把 π 的值精确到任意精度的方法。由此,开创了圆周率计算的第二阶段。

圆周长大于内接正四边形而小于外切正四边形,因此 2√2 < π < 4 。

当然,这是一个差劲透顶的例子。据说阿基米德用到了正96边形才算出他的值域。

阿基米德求圆周率的更精确近似值的方法,体现在他的一篇论文《圆的测定》之中。在这一书中,阿基米德第一次创用上、下界来确定 π 的近似值,他用几何方法证明了“圆周长与圆直径之比小于 3+(1/7) 而大于 3 + (10/71) ”,他还提供了误差的估计。重要的是,这种方法从理论上而言,能够求得圆周率的更准确的值。到公元150年左右,希腊天文学家托勒密得出 π =31416,取得了自阿基米德以来的巨大进步。

割圆术。不断地利用勾股定理,来计算正N边形的边长。

在我国,首先是由数学家刘徽得出较精确的圆周率。公元263年前后,刘徽提出著名的割圆术,得出 π =314,通常称为“徽率”,他指出这是不足近似值。虽然他提出割圆术的时间比阿基米德晚一些,但其方法确有着较阿基米德方法更美妙之处。割圆术仅用内接正多边形就确定出了圆周率的上、下界,比阿基米德用内接同时又用外切正多边形简捷得多。另外,有人认为在割圆术中刘徽提供了一种绝妙的精加工办法,以致于他将割到192边形的几个粗糙的近似值通过简单的加权平均,竟然获得具有4位有效数字的圆周率 π =3927/1250 =31416。而这一结果,正如刘徽本人指出的,如果通过割圆计算得出这个结果,需要割到3072边形。这种精加工方法的效果是奇妙的。这一神奇的精加工技术是割圆术中最为精彩的部分,令人遗憾的是,由于人们对它缺乏理解而被长期埋没了。

恐怕大家更加熟悉的是祖冲之所做出的贡献吧。对此,《隋书·律历志》有如下记载:“宋末,南徐州从事祖冲之更开密法。以圆径一亿为丈,圆周盈数三丈一尺四寸一分五厘九毫二秒七忽,朒数三丈一尺四寸一分五厘九毫二秒六忽,正数在盈朒二限之间。密率:圆径一百一十三,圆周三百五十五。约率,圆径七,周二十二。”

这一记录指出,祖冲之关于圆周率的两大贡献。其一是求得圆周率

31415926 < π < 31415927

其二是,得到 π 的两个近似分数即:约率为22/7;密率为355/113。

他算出的 π 的8位可靠数字,不但在当时是最精密的圆周率,而且保持世界记录九百多年。以致于有数学史家提议将这一结果命名为“祖率”。

这一结果是如何获得的呢?追根溯源,正是基于对刘徽割圆术的继承与发展,祖冲之才能得到这一非凡的成果。因而当我们称颂祖冲之的功绩时,不要忘记他的成就的取得是因为他站在数学伟人刘徽的肩膀上的缘故。后人曾推算若要单纯地通过计算圆内接多边形边长的话,得到这一结果,需要算到圆内接正12288边形,才能得到这样精确度的值。祖冲之是否还使用了其它的巧妙办法来简化计算呢?这已经不得而知,因为记载其研究成果的著作《缀术》早已失传了。这在中国数学发展史上是一件极令人痛惜的事。

中国发行的祖冲之纪念邮票

祖冲之的这一研究成果享有世界声誉:巴黎“发现宫”科学博物馆的墙壁上著文介绍了祖冲之求得的圆周率,莫斯科大学礼堂的走廊上镶嵌有祖冲之的大理石塑像,月球上有以祖冲之命名的环形山……

对于祖冲之的关于圆周率的第二点贡献,即他选用两个简单的分数尤其是用密率来近似地表示 π 这一点,通常人们不会太注意。然而,实际上,后者在数学上有更重要的意义。

密率与 π 的近似程度很好,但形式上却很简单,并且很优美,只用到了数字1、3、5。数学史家梁宗巨教授验证出:分母小于16604的一切分数中,没有比密率更接近 π 的分数。在国外,祖冲之死后一千多年,西方人才获得这一结果。

可见,密率的提出是一件很不简单的事情。人们自然要追究他是采用什么办法得到这一结果的呢?他是用什么办法把圆周率从小数表示的近似值化为近似分数的呢?这一问题历来为数学史家所关注。由于文献的失传,祖冲之的求法已不为人知。后人对此进行了各种猜测。

让我们先看看国外历史上的工作,希望能够提供出一些信息。

1573年,德国人奥托得出这一结果。他是用阿基米德成果22/7与托勒密的结果377/120用类似于加成法“合成”的:(377-22) / (120-7) = 355/113。

1585年,荷兰人安托尼兹用阿基米德的方法先求得:333/106 < π < 377/120,用两者作为 π 的母近似值,分子、分母各取平均,通过加成法获得结果:3 ((15+17)/(106+120) = 355/113。

两个虽都得出了祖冲之密率,但使用方法都为偶合,无理由可言。

在日本,十七世纪关孝和重要著作《括要算法》卷四中求圆周率时创立零约术,其实质就是用加成法来求近似分数的方法。他以3、4作为母近似值,连续加成六次得到祖冲之约率,加成一百十二次得到密率。其学生对这种按部就班的笨办法作了改进,提出从相邻的不足、过剩近似值就近加成的办法,(实际上就是我们前面已经提到的加成法)这样从3、4出发,六次加成到约率,第七次出现25/8,就近与其紧邻的22/7加成,得47/15,依次类推,只要加成23次就得到密率。

钱宗琮先生在《中国算学史》(1931年)中提出祖冲之采用了我们前面提到的由何承天首创的“调日法”或称加权加成法。他设想了祖冲之求密率的过程:以徽率157/50,约率22/7为母近似值,并计算加成权数x=9,于是 (157 + 22×,9) / (50+7×9) = 355/113,一举得到密率。钱先生说:“冲之在承天后,用其术以造密率,亦意中事耳。”

另一种推测是:使用连分数法。

由于求二自然数的最大公约数的更相减损术远在《九章算术》成书时代已流行,所以借助这一工具求近似分数应该是比较自然的。于是有人提出祖冲之可能是在求得盈 二数之后,再使用这个工具,将314159265表示成连分数,得到其渐近分数:3,22/7,333/106,355/113,102573/32650…

最后,取精确度很高但分子分母都较小的355/113作为圆周率的近似值。至于上面圆周率渐近分数的具体求法,这里略掉了。你不妨利用我们前面介绍的方法自己求求看。英国李约瑟博士持这一观点。他在《中国科学技术史》卷三第19章几何编中论祖冲之的密率说:“密率的分数是一个连分数渐近数,因此是一个非凡的成就。”

我国再回过头来看一下国外所取得的成果。

1150年,印度数学家婆什迦罗第二计算出 π= 3927/1250 = 31416。1424年,中亚细亚地区的天文学家、数学家卡西著《圆周论》,计算了3×228=805,306,368边内接与外切正多边形的周长,求出 π 值,他的结果是:

π=314159265358979325

有十七位准确数字。这是国外第一次打破祖冲之的记录。

16世纪的法国数学家韦达利用阿基米德的方法计算 π 近似值,用 6×216正边形,推算出精确到9位小数的 π 值。他所采用的仍然是阿基米德的方法,但韦达却拥有比阿基米德更先进的工具:十进位置制。17世纪初,德国人鲁道夫用了几乎一生的时间钻研这个问题。他也将新的十进制与早的阿基米德方法结合起来,但他不是从正六边形开始并将其边数翻番的,他是从正方形开始的,一直推导出了有262条边的正多边形,约4,610,000,000,000,000,000边形!这样,算出小数35位。为了记念他的这一非凡成果,在德国圆周率 π 被称为“鲁道夫数”。但是,用几何方法求其值,计算量很大,这样算下去,穷数学家一生也改进不了多少。到鲁道夫可以说已经登峰造极,古典方法已引导数学家们走得很远,再向前推进,必须在方法上有所突破。

17世纪出现了数学分析,这锐利的工具使得许多初等数学束手无策的问题迎刃而解。 π 的计算历史也随之进入了一个新的阶段。

分析法时期

这一时期人们开始摆脱求多边形周长的繁难计算,利用无穷级数或无穷连乘积来算 π 。

1593年,韦达给出

这一不寻常的公式是 π 的最早分析表达式。甚至在今天,这个公式的优美也会令我们赞叹不已。它表明仅仅借助数字2,通过一系列的加、乘、除和开平方就可算出 π 值。

接着有多种表达式出现。如沃利斯1650年给出:

1706年,梅钦建立了一个重要的公式,现以他的名字命名:

再利用分析中的级数展开,他算到小数后100位。

这样的方法远比可怜的鲁道夫用大半生时间才抠出的35位小数的方法简便得多。显然,级数方法宣告了古典方法的过时。此后,对于圆周率的计算像马拉松式竞赛,纪录一个接着一个:

1844年,达塞利用公式:

算到200位。

19世纪以后,类似的公式不断涌现, π 的位数也迅速增长。1873年,谢克斯利用梅钦的一系列方法,级数公式将 π 算到小数后707位。为了得到这项空前的纪录,他花费了二十年的时间。他死后,人们将这凝聚着他毕生心血的数值,铭刻在他的墓碑上,以颂扬他顽强的意志和坚韧不拔的毅力。于是在他的墓碑上留下了他一生心血的结晶: π 的小数点后707位数值。这一惊人的结果成为此后74年的标准。此后半个世纪,人们对他的计算结果深信不疑,或者说即便怀疑也没有办法来检查它是否正确。以致于在1937年巴黎博览会发现馆的天井里,依然显赫地刻着他求出的 π 值。

又过了若干年,数学家弗格森对他的计算结果产生了怀疑,其疑问基于如下猜想:在 π 的数值中,尽管各数字排列没有规律可循,但是各数码出现的机会应该相同。当他对谢克斯的结果进行统计时,发现各数字出现次数过于参差不齐。于是怀疑有误。他使用了当时所能找到的最先进的计算工具,从1944年5月到1945年5月,算了整整一年。1946年,弗格森发现第528位是错的(应为4,误为5)。谢克斯的值中足足有一百多位全都报了销,这把可怜的谢克斯和他的十五年浪费了的光阴全部一笔勾销了。

对此,有人曾嘲笑他说:数学史在记录了诸如阿基米德、费马等人的著作之余,也将会挤出那么一、二行的篇幅来记述1873年前谢克斯曾把 π 计算到小数707位这件事。这样,他也许会觉得自己的生命没有虚度。如果确实是这样的话,他的目的达到了。

人们对这些在地球的各个角落里作出不懈努力的人感到不可理解,这可能是正常的。但是,对此做出的嘲笑却是过于残忍了。人的能力是不同的,我们无法要求每个人都成为费马、高斯那样的人物。但成为不了伟大的数学家,并不意味着我们就不能为这个社会做出自己有限的贡献。人各有其长,作为一个精力充沛的计算者,谢克斯愿意献出一生的大部分时光从事这项工作而别无报酬,并最终为世上的知识宝库添了一小块砖加了一个块瓦。对此我们不应为他的不懈努力而感染并从中得到一些启发与教育吗?

1948年1月弗格森和伦奇两人共同发表有808位正确小数的 π 。这是人工计算 π 的最高记录。

计算机时期

1946年,世界第一台计算机ENIAC制造成功,标志着人类历史迈入了电脑时代。电脑的出现导致了计算方面的根本革命。1949年,ENIAC根据梅钦公式计算到2035(一说是2037)位小数,包括准备和整理时间在内仅用了70小时。计算机的发展一日千里,其记录也就被频频打破。

ENIAC:一个时代的开始

1973年,有人就把圆周率算到了小数点后100万位,并将结果印成一本二百页厚的书,可谓世界上最枯燥无味的书了。1989年突破10亿大关,1995年10月超过64亿位。1999年9月30日,《文摘报》报道,日本东京大学教授金田康正已求到20615843亿位的小数值。如果将这些数字打印在A4大小的复印纸上,令每页印2万位数字,那么,这些纸摞起来将高达五六百米。来自最新的报道:金田康正利用一台超级计算机,计算出圆周率小数点后一兆二千四百一十一亿位数,改写了他本人两年前创造的纪录。据悉,金田教授与日立制作所的员工合作,利用目前计算能力居世界第二十六位的超级计算机,使用新的计算方法,耗时四百多个小时,才计算出新的数位,比他一九九九年九月计算出的小数点后二千六百一十一位提高了六倍。圆周率小数点后第一兆位数是二,第一兆二千四百一十一亿位数为五。如果一秒钟读一位数,大约四万年后才能读完。

不过,现在打破记录,不管推进到多少位,也不会令人感到特别的惊奇了。实际上,把 π 的数值算得过分精确,应用意义并不大。现代科技领域使用的 π 值,有十几位已经足够。如果用鲁道夫的35位小数的 π 值计算一个能把太阳系包围起来的圆的周长,误差还不到质子直径的百万分之一。我们还可以引美国天文学家西蒙·纽克姆的话来说明这种计算的实用价值:

“十位小数就足以使地球周界准确到一英寸以内,三十位小数便能使整个可见宇宙的四周准确到连最强大的显微镜都不能分辨的一个量。”

那么为什么数学家们还象登山运动员那样,奋力向上攀登,一直求下去而不是停止对 π 的探索呢?为什么其小数值有如此的魅力呢?

这其中大概免不了有人类的好奇心与领先于人的心态作怪,但除此之外,还有许多其它原因。

奔腾与圆周率之间的奇妙关系……

1、它现在可以被人们用来测试或检验超级计算机的各项性能,特别是运算速度与计算过程的稳定性。这对计算机本身的改进至关重要。就在几年前,当Intel公司推出奔腾(Pentium)时,发现它有一点小问题,这问题正是通过运行 π 的计算而找到的。这正是超高精度的 π 计算直到今天仍然有重要意义的原因之一。

2、 计算的方法和思路可以引发新的概念和思想。虽然计算机的计算速度超出任何人的想象,但毕竟还需要由数学家去编制程序,指导计算机正确运算。实际上,确切地说,当我们把 π 的计算历史划分出一个电子计算机时期时,这并非意味着计算方法上的改进,而只是计算工具有了一个大飞跃而已。因而如何改进计算技术,研究出更好的计算公式,使公式收敛得更快、能极快地达到较大的精确度仍是数学家们面对的一个重要课题。在这方面,本世纪印度天才数学家拉马努扬得出了一些很好的结果。他发现了许多能够迅速而精确地计算 π 近似值的公式。他的见解开通了更有效地计算 π 近似值的思路。现在计算机计算 π 值的公式就是由他得到的。至于这位极富传奇色彩的数学家的故事,在这本小书中我们不想多做介绍了。不过,我希望大家能够明白 π 的故事讲述的是人类的胜利,而不是机器的胜利。

3、还有一个关于 π 的计算的问题是:我们能否无限地继续算下去?答案是:不行!根据朱达偌夫斯基的估计,我们最多算1077位。虽然,现在我们离这一极限还相差很远很远,但这毕竟是一个界限。为了不受这一界限的约束,就需要从计算理论上有新的突破。前面我们所提到的计算,不管用什么公式都必须从头算起,一旦前面的某一位出错,后面的数值完全没有意义。还记得令人遗憾的谢克斯吗?他就是历史上最惨痛的教训。

4、于是,有人想能否计算时不从头开始,而是从半截开始呢?这一根本性的想法就是寻找并行算法公式。1996年,圆周率的并行算法公式终于找到,但这是一个16进位的公式,这样很容易得出的1000亿位的数值,只不过是16进位的。是否有10进位的并行计算公式,仍是未来数学的一大难题。

5、作为一个无穷数列,数学家感兴趣的把 π 展开到上亿位,能够提供充足的数据来验证人们所提出的某些理论问题,可以发现许多迷人的性质。如,在 π 的十进展开中,10个数字,哪些比较稀,哪些比较密? π 的数字展开中某些数字出现的频率会比另一些高吗?或许它们并非完全随意?这样的想法并非是无聊之举。只有那些思想敏锐的人才会问这种貌似简单,许多人司空见惯但却不屑发问的问题。

6、数学家弗格森最早有过这种猜想:在 π 的数值式中各数码出现的概率相同。正是他的这个猜想为发现和纠正向克斯计算 π 值的错误立下了汗马功劳。然而,猜想并不等于现实。弗格森想验证它,却无能为力。后人也想验证它,也是苦于已知的 π 值的位数太少。甚至当位数太少时,人们有理由对猜想的正确性做出怀疑。如,数字0的出现机会在开始时就非常少。前50位中只有1个0,第一次出现在32位上。可是,这种现象随着数据的增多,很快就改变了:100位以内有8个0;200位以内有19个0;……1000万位以内有999,440个0;……60亿位以内有599,963,005个0,几乎占1/10。

其他数字又如何呢?结果显示,每一个都差不多是1/10,有的多一点,有的少一点。虽然有些偏差,但都在1/10000之内。

7、人们还想知道: π 的数字展开真的没有一定的模式吗?我们希望能够在十进制展开式中通过研究数字的统计分布,寻找任何可能的模型――如果存在这种模型的话,迄今为止尚未发现有这种模型。同时我们还想了解: π 的展开式中含有无穷的样式变化吗?或者说,是否任何形式的数字排列都会出现呢?著名数学家希尔伯特在没有发表的笔记本中曾提出下面的问题: π 的十进展开中是否有10个9连在一起?以现在算到的60亿位数字来看,已经出现:连续6个9连在一起。希尔伯特的问题答案似乎应该是肯定的,看来任何数字的排列都应该出现,只是什么时候出现而已。但这还需要更多 π 的数位的计算才能提供切实的证据。

8、在这方面,还有如下的统计结果:在60亿数字中已出现连在一起的8个8;9个7;10个6;小数点后第710150位与3204765位开始,均连续出现了七个3;小数点52638位起连续出现了14142135这八个数字,这恰是的前八位;小数点后第2747956位起,出现了有趣的数列876543210,遗憾的是前面缺个9;还有更有趣的数列123456789也出现了。

如果继续算下去,看来各种类型的数字列组合可能都会出现。

拾零: π 的其它计算方法

在1777年出版的《或然性算术实验》一书中,蒲丰提出了用实验方法计算 π 。这个实验方法的操作很简单:找一根粗细均匀,长度为 d 的细针,并在一张白纸上画上一组间距为 l 的平行线(方便起见,常取 l = d/2),然后一次又一次地将小针任意投掷在白纸上。这样反复地投多次,数数针与任意平行线相交的次数,于是就可以得到 π 的近似值。因为蒲丰本人证明了针与任意平行线相交的概率为 p = 2l/πd 。利用这一公式,可以用概率方法得到圆周率的近似值。在一次实验中,他选取 l = d/2 ,然后投针2212次,其中针与平行线相交704次,这样求得圆周率的近似值为 2212/704 = 3142。当实验中投的次数相当多时,就可以得到 π 的更精确的值。

1850年,一位叫沃尔夫的人在投掷5000多次后,得到 π 的近似值为31596。目前宣称用这种方法得到最好结果的是意大利人拉兹瑞尼。在1901年,他重复这项实验,作了3408次投针,求得 π 的近似值为31415929,这个结果是如此准确,以致于很多人怀疑其实验的真伪。如美国犹他州奥格登的国立韦伯大学的L·巴杰就对此提出过有力的质疑。

不过,蒲丰实验的重要性并非是为了求得比其它方法更精确的 π 值。蒲丰投针问题的重要性在于它是第一个用几何形式表达概率问题的例子。计算 π 的这一方法,不但因其新颖,奇妙而让人叫绝,而且它开创了使用随机数处理确定性数学问题的先河,是用偶然性方法去解决确定性计算的前导。

在用概率方法计算 π 值中还要提到的是:R·查特在1904年发现,两个随意写出的数中,互素的概率为6/π2。1995年4月英国《自然》杂志刊登文章,介绍英国伯明翰市阿斯顿大学计算机科学与应用数学系的罗伯特·马修斯,如何利用夜空中亮星的分布来计算圆周率。马修斯从100颗最亮的星星中随意选取一对又一对进行分析,计算它们位置之间的角距。他检查了100万对因子,据此求得 π 的值约为312772。这个值与真值相对误差不超过5%。

无穷的神秘气息:纪梵希的男用香水 π 。广告词是:Explore pi, explore the universe

通过几何、微积分、概率等广泛的范围和渠道发现 π ,这充分显示了数学方法的奇异美。 π 竟然与这么些表面看来风马牛不相及的试验,沟通在一起,这的确使人惊讶不已

圆周率π的计算历程

圆周率是一个极其驰名的数。从有文字记载的历史开始,这个数就引进了外行人和学者们的兴趣。作为一个非常重要的常数,圆周率最早是出于解决有关圆的计算问题。仅凭这一点,求出它的尽量准确的近似值,就是一个极其迫切的问题了。事实也是如此,几千年来作为数学家们的奋斗目标,古今中外一代一代的数学家为此献出了自己的智慧和劳动。回顾历史,人类对 π 的认识过程,反映了数学和计算技术发展情形的一个侧面。 π 的研究,在一定程度上反映这个地区或时代的数学水平。德国数学史家康托说:“历史上一个国家所算得的圆周率的准确程度,可以作为衡量这个国家当时数学发展水平的指标。”直到19世纪初,求圆周率的值应该说是数学中的头号难题。为求得圆周率的值,人类走过了漫长而曲折的道路,它的历史是饶有趣味的。我们可以将这一计算历程分为几个阶段。

实验时期

通过实验对 π 值进行估算,这是计算 π 的的第一阶段。这种对 π 值的估算基本上都是以观察或实验为根据,是基于对一个圆的周长和直径的实际测量而得出的。在古代世界,实际上长期使用 π =3这个数值。最早见于文字记载的有基督教《圣经》中的章节,其上取圆周率为3。这一段描述的事大约发生在公元前950年前后。其他如巴比伦、印度、中国等也长期使用3这个粗略而简单实用的数值。在我国刘徽之前“圆径一而周三”曾广泛流传。我国第一部《周髀算经》中,就记载有圆“周三径一”这一结论。在我国,木工师傅有两句从古流传下来的口诀:叫做:“周三径一,方五斜七”,意思是说,直径为1的圆,周长大约是3,边长为5的正方形,对角线之长约为7。这正反映了早期人们对圆周率 π 和√2 这两个无理数的粗略估计。东汉时期官方还明文规定圆周率取3为计算面积的标准。后人称之为“古率”。

早期的人们还使用了其它的粗糙方法。如古埃及、古希腊人曾用谷粒摆在圆形上,以数粒数与方形对比的方法取得数值。或用匀重木板锯成圆形和方形以秤量对比取值……由此,得到圆周率的稍好些的值。如古埃及人应用了约四千年的 4 (8/9)2 = 31605。在印度,公元前六世纪,曾取 π= √10 = 3162。在我国东、西汉之交,新朝王莽令刘歆制造量的容器――律嘉量斛。刘歆在制造标准容器的过程中就需要用到圆周率的值。为此,他大约也是通过做实验,得到一些关于圆周率的并不划一的近似值。现在根据铭文推算,其计算值分别取为31547,31992,31498,32031比径一周三的古率已有所进步。人类的这种探索的结果,当主要估计圆田面积时,对生产没有太大影响,但以此来制造器皿或其它计算就不合适了。

几何法时期

凭直观推测或实物度量,来计算 π 值的实验方法所得到的结果是相当粗略的。

真正使圆周率计算建立在科学的基础上,首先应归功于阿基米德。他是科学地研究这一常数的第一个人,是他首先提出了一种能够借助数学过程而不是通过测量的、能够把 π 的值精确到任意精度的方法。由此,开创了圆周率计算的第二阶段。

圆周长大于内接正四边形而小于外切正四边形,因此 2√2 < π < 4 。

当然,这是一个差劲透顶的例子。据说阿基米德用到了正96边形才算出他的值域。

阿基米德求圆周率的更精确近似值的方法,体现在他的一篇论文《圆的测定》之中。在这一书中,阿基米德第一次创用上、下界来确定 π 的近似值,他用几何方法证明了“圆周长与圆直径之比小于 3+(1/7) 而大于 3 + (10/71) ”,他还提供了误差的估计。重要的是,这种方法从理论上而言,能够求得圆周率的更准确的值。到公元150年左右,希腊天文学家托勒密得出 π =31416,取得了自阿基米德以来的巨大进步。

割圆术。不断地利用勾股定理,来计算正N边形的边长。

在我国,首先是由数学家刘徽得出较精确的圆周率。公元263年前后,刘徽提出著名的割圆术,得出 π =314,通常称为“徽率”,他指出这是不足近似值。虽然他提出割圆术的时间比阿基米德晚一些,但其方法确有着较阿基米德方法更美妙之处。割圆术仅用内接正多边形就确定出了圆周率的上、下界,比阿基米德用内接同时又用外切正多边形简捷得多。另外,有人认为在割圆术中刘徽提供了一种绝妙的精加工办法,以致于他将割到192边形的几个粗糙的近似值通过简单的加权平均,竟然获得具有4位有效数字的圆周率 π =3927/1250 =31416。而这一结果,正如刘徽本人指出的,如果通过割圆计算得出这个结果,需要割到3072边形。这种精加工方法的效果是奇妙的。这一神奇的精加工技术是割圆术中最为精彩的部分,令人遗憾的是,由于人们对它缺乏理解而被长期埋没了。

恐怕大家更加熟悉的是祖冲之所做出的贡献吧。对此,《隋书·律历志》有如下记载:“宋末,南徐州从事祖冲之更开密法。以圆径一亿为丈,圆周盈数三丈一尺四寸一分五厘九毫二秒七忽,朒数三丈一尺四寸一分五厘九毫二秒六忽,正数在盈朒二限之间。密率:圆径一百一十三,圆周三百五十五。约率,圆径七,周二十二。”

这一记录指出,祖冲之关于圆周率的两大贡献。其一是求得圆周率

31415926 < π < 31415927

其二是,得到 π 的两个近似分数即:约率为22/7;密率为355/113。

他算出的 π 的8位可靠数字,不但在当时是最精密的圆周率,而且保持世界记录九百多年。以致于有数学史家提议将这一结果命名为“祖率”。

这一结果是如何获得的呢?追根溯源,正是基于对刘徽割圆术的继承与发展,祖冲之才能得到这一非凡的成果。因而当我们称颂祖冲之的功绩时,不要忘记他的成就的取得是因为他站在数学伟人刘徽的肩膀上的缘故。后人曾推算若要单纯地通过计算圆内接多边形边长的话,得到这一结果,需要算到圆内接正12288边形,才能得到这样精确度的值。祖冲之是否还使用了其它的巧妙办法来简化计算呢?这已经不得而知,因为记载其研究成果的著作《缀术》早已失传了。这在中国数学发展史上是一件极令人痛惜的事。

祖冲之的这一研究成果享有世界声誉:巴黎“发现宫”科学博物馆的墙壁上著文介绍了祖冲之求得的圆周率,莫斯科大学礼堂的走廊上镶嵌有祖冲之的大理石塑像,月球上有以祖冲之命名的环形山……

对于祖冲之的关于圆周率的第二点贡献,即他选用两个简单的分数尤其是用密率来近似地表示 π 这一点,通常人们不会太注意。然而,实际上,后者在数学上有更重要的意义。

密率与 π 的近似程度很好,但形式上却很简单,并且很优美,只用到了数字1、3、5。数学史家梁宗巨教授验证出:分母小于16604的一切分数中,没有比密率更接近 π 的分数。在国外,祖冲之死后一千多年,西方人才获得这一结果。

可见,密率的提出是一件很不简单的事情。人们自然要追究他是采用什么办法得到这一结果的呢?他是用什么办法把圆周率从小数表示的近似值化为近似分数的呢?这一问题历来为数学史家所关注。由于文献的失传,祖冲之的求法已不为人知。后人对此进行了各种猜测。

让我们先看看国外历史上的工作,希望能够提供出一些信息。

1573年,德国人奥托得出这一结果。他是用阿基米德成果22/7与托勒密的结果377/120用类似于加成法“合成”的:(377-22) / (120-7) = 355/113。

1585年,荷兰人安托尼兹用阿基米德的方法先求得:333/106 < π < 377/120,用两者作为 π 的母近似值,分子、分母各取平均,通过加成法获得结果:3 ((15+17)/(106+120) = 355/113。

两个虽都得出了祖冲之密率,但使用方法都为偶合,无理由可言。

在日本,十七世纪关孝和重要著作《括要算法》卷四中求圆周率时创立零约术,其实质就是用加成法来求近似分数的方法。他以3、4作为母近似值,连续加成六次得到祖冲之约率,加成一百十二次得到密率。其学生对这种按部就班的笨办法作了改进,提出从相邻的不足、过剩近似值就近加成的办法,(实际上就是我们前面已经提到的加成法)这样从3、4出发,六次加成到约率,第七次出现25/8,就近与其紧邻的22/7加成,得47/15,依次类推,只要加成23次就得到密率。

钱宗琮先生在《中国算学史》(1931年)中提出祖冲之采用了我们前面提到的由何承天首创的“调日法”或称加权加成法。他设想了祖冲之求密率的过程:以徽率157/50,约率22/7为母近似值,并计算加成权数x=9,于是 (157 + 22×,9) / (50+7×9) = 355/113,一举得到密率。钱先生说:“冲之在承天后,用其术以造密率,亦意中事耳。”

另一种推测是:使用连分数法。

由于求二自然数的最大公约数的更相减损术远在《九章算术》成书时代已流行,所以借助这一工具求近似分数应该是比较自然的。于是有人提出祖冲之可能是在求得盈 二数之后,再使用这个工具,将314159265表示成连分数,得到其渐近分数:3,22/7,333/106,355/113,102573/32650…

最后,取精确度很高但分子分母都较小的355/113作为圆周率的近似值。至于上面圆周率渐近分数的具体求法,这里略掉了。你不妨利用我们前面介绍的方法自己求求看。英国李约瑟博士持这一观点。他在《中国科学技术史》卷三第19章几何编中论祖冲之的密率说:“密率的分数是一个连分数渐近数,因此是一个非凡的成就。”

我国再回过头来看一下国外所取得的成果。

1150年,印度数学家婆什迦罗第二计算出 π= 3927/1250 = 31416。1424年,中亚细亚地区的天文学家、数学家卡西著《圆周论》,计算了3×228=805,306,368边内接与外切正多边形的周长,求出 π 值,他的结果是:

π=314159265358979325

有十七位准确数字。这是国外第一次打破祖冲之的记录。

16世纪的法国数学家韦达利用阿基米德的方法计算 π 近似值,用 6×216正边形,推算出精确到9位小数的 π 值。他所采用的仍然是阿基米德的方法,但韦达却拥有比阿基米德更先进的工具:十进位置制。17世纪初,德国人鲁道夫用了几乎一生的时间钻研这个问题。他也将新的十进制与早的阿基米德方法结合起来,但他不是从正六边形开始并将其边数翻番的,他是从正方形开始的,一直推导出了有262条边的正多边形,约4,610,000,000,000,000,000边形!这样,算出小数35位。为了记念他的这一非凡成果,在德国圆周率 π 被称为“鲁道夫数”。但是,用几何方法求其值,计算量很大,这样算下去,穷数学家一生也改进不了多少。到鲁道夫可以说已经登峰造极,古典方法已引导数学家们走得很远,再向前推进,必须在方法上有所突破。

17世纪出现了数学分析,这锐利的工具使得许多初等数学束手无策的问题迎刃而解。 π 的计算历史也随之进入了一个新的阶段。

分析法时期

这一时期人们开始摆脱求多边形周长的繁难计算,利用无穷级数或无穷连乘积来算 π 。

1593年,韦达给出这一不寻常的公式是 π 的最早分析表达式。甚至在今天,这个公式的优美也会令我们赞叹不已。它表明仅仅借助数字2,通过一系列的加、乘、除和开平方就可算出 π 值。

接着有多种表达式出现。如沃利斯1650年给出:

1706年,梅钦建立了一个重要的公式,现以他的名字命名:

再利用分析中的级数展开,他算到小数后100位。

这样的方法远比可怜的鲁道夫用大半生时间才抠出的35位小数的方法简便得多。显然,级数方法宣告了古典方法的过时。此后,对于圆周率的计算像马拉松式竞赛,纪录一个接着一个:

1844年,达塞利用公式算到200位。

19世纪以后,类似的公式不断涌现, π 的位数也迅速增长。1873年,谢克斯利用梅钦的一系列方法,级数公式将 π 算到小数后707位。为了得到这项空前的纪录,他花费了二十年的时间。他死后,人们将这凝聚着他毕生心血的数值,铭刻在他的墓碑上,以颂扬他顽强的意志和坚韧不拔的毅力。于是在他的墓碑上留下了他一生心血的结晶: π 的小数点后707位数值。这一惊人的结果成为此后74年的标准。此后半个世纪,人们对他的计算结果深信不疑,或者说即便怀疑也没有办法来检查它是否正确。以致于在1937年巴黎博览会发现馆的天井里,依然显赫地刻着他求出的 π 值。

又过了若干年,数学家弗格森对他的计算结果产生了怀疑,其疑问基于如下猜想:在 π 的数值中,尽管各数字排列没有规律可循,但是各数码出现的机会应该相同。当他对谢克斯的结果进行统计时,发现各数字出现次数过于参差不齐。于是怀疑有误。他使用了当时所能找到的最先进的计算工具,从1944年5月到1945年5月,算了整整一年。1946年,弗格森发现第528位是错的(应为4,误为5)。谢克斯的值中足足有一百多位全都报了销,这把可怜的谢克斯和他的十五年浪费了的光阴全部一笔勾销了。

对此,有人曾嘲笑他说:数学史在记录了诸如阿基米德、费马等人的著作之余,也将会挤出那么一、二行的篇幅来记述1873年前谢克斯曾把 π 计算到小数707位这件事。这样,他也许会觉得自己的生命没有虚度。如果确实是这样的话,他的目的达到了。

人们对这些在地球的各个角落里作出不懈努力的人感到不可理解,这可能是正常的。但是,对此做出的嘲笑却是过于残忍了。人的能力是不同的,我们无法要求每个人都成为费马、高斯那样的人物。但成为不了伟大的数学家,并不意味着我们就不能为这个社会做出自己有限的贡献。人各有其长,作为一个精力充沛的计算者,谢克斯愿意献出一生的大部分时光从事这项工作而别无报酬,并最终为世上的知识宝库添了一小块砖加了一个块瓦。对此我们不应为他的不懈努力而感染并从中得到一些启发与教育吗?

1948年1月弗格森和伦奇两人共同发表有808位正确小数的 π 。这是人工计算 π 的最高记录。

计算机时期

1946年,世界第一台计算机ENIAC制造成功,标志着人类历史迈入了电脑时代。电脑的出现导致了计算方面的根本革命。1949年,ENIAC根据梅钦公式计算到2035(一说是2037)位小数,包括准备和整理时间在内仅用了70小时。计算机的发展一日千里,其记录也就被频频打破。

1973年,有人就把圆周率算到了小数点后100万位,并将结果印成一本二百页厚的书,可谓世界上最枯燥无味的书了。1989年突破10亿大关,1995年10月超过64亿位。1999年9月30日,《文摘报》报道,日本东京大学教授金田康正已求到20615843亿位的小数值。如果将这些数字打印在A4大小的复印纸上,令每页印2万位数字,那么,这些纸摞起来将高达五六百米。来自最新的报道:金田康正利用一台超级计算机,计算出圆周率小数点后一兆二千四百一十一亿位数,改写了他本人两年前创造的纪录。据悉,金田教授与日立制作所的员工合作,利用目前计算能力居世界第二十六位的超级计算机,使用新的计算方法,耗时四百多个小时,才计算出新的数位,比他一九九九年九月计算出的小数点后二千六百一十一位提高了六倍。圆周率小数点后第一兆位数是二,第一兆二千四百一十一亿位数为五。如果一秒钟读一位数,大约四万年后才能读完。

不过,现在打破记录,不管推进到多少位,也不会令人感到特别的惊奇了。实际上,把 π 的数值算得过分精确,应用意义并不大。现代科技领域使用的 π 值,有十几位已经足够。如果用鲁道夫的35位小数的 π 值计算一个能把太阳系包围起来的圆的周长,误差还不到质子直径的百万分之一。我们还可以引美国天文学家西蒙·纽克姆的话来说明这种计算的实用价值:

“十位小数就足以使地球周界准确到一英寸以内,三十位小数便能使整个可见宇宙的四周准确到连最强大的显微镜都不能分辨的一个量。”

那么为什么数学家们还象登山运动员那样,奋力向上攀登,一直求下去而不是停止对 π 的探索呢?为什么其小数值有如此的魅力呢?

这其中大概免不了有人类的好奇心与领先于人的心态作怪,但除此之外,还有许多其它原因。

奔腾与圆周率之间的奇妙关系……

1、它现在可以被人们用来测试或检验超级计算机的各项性能,特别是运算速度与计算过程的稳定性。这对计算机本身的改进至关重要。就在几年前,当Intel公司推出奔腾(Pentium)时,发现它有一点小问题,这问题正是通过运行 π 的计算而找到的。这正是超高精度的 π 计算直到今天仍然有重要意义的原因之一。

2、 计算的方法和思路可以引发新的概念和思想。虽然计算机的计算速度超出任何人的想象,但毕竟还需要由数学家去编制程序,指导计算机正确运算。实际上,确切地说,当我们把 π 的计算历史划分出一个电子计算机时期时,这并非意味着计算方法上的改进,而只是计算工具有了一个大飞跃而已。因而如何改进计算技术,研究出更好的计算公式,使公式收敛得更快、能极快地达到较大的精确度仍是数学家们面对的一个重要课题。在这方面,本世纪印度天才数学家拉马努扬得出了一些很好的结果。他发现了许多能够迅速而精确地计算 π 近似值的公式。他的见解开通了更有效地计算 π 近似值的思路。现在计算机计算 π 值的公式就是由他得到的。至于这位极富传奇色彩的数学家的故事,在这本小书中我们不想多做介绍了。不过,我希望大家能够明白 π 的故事讲述的是人类的胜利,而不是机器的胜利。

3、还有一个关于 π 的计算的问题是:我们能否无限地继续算下去?答案是:不行!根据朱达偌夫斯基的估计,我们最多算1077位。虽然,现在我们离这一极限还相差很远很远,但这毕竟是一个界限。为了不受这一界限的约束,就需要从计算理论上有新的突破。前面我们所提到的计算,不管用什么公式都必须从头算起,一旦前面的某一位出错,后面的数值完全没有意义。还记得令人遗憾的谢克斯吗?他就是历史上最惨痛的教训。

4、于是,有人想能否计算时不从头开始,而是从半截开始呢?这一根本性的想法就是寻找并行算法公式。1996年,圆周率的并行算法公式终于找到,但这是一个16进位的公式,这样很容易得出的1000亿位的数值,只不过是16进位的。是否有10进位的并行计算公式,仍是未来数学的一大难题。

5、作为一个无穷数列,数学家感兴趣的把 π 展开到上亿位,能够提供充足的数据来验证人们所提出的某些理论问题,可以发现许多迷人的性质。如,在 π 的十进展开中,10个数字,哪些比较稀,哪些比较密? π 的数字展开中某些数字出现的频率会比另一些高吗?或许它们并非完全随意?这样的想法并非是无聊之举。只有那些思想敏锐的人才会问这种貌似简单,许多人司空见惯但却不屑发问的问题。

6、数学家弗格森最早有过这种猜想:在 π 的数值式中各数码出现的概率相同。正是他的这个猜想为发现和纠正向克斯计算 π 值的错误立下了汗马功劳。然而,猜想并不等于现实。弗格森想验证它,却无能为力。后人也想验证它,也是苦于已知的 π 值的位数太少。甚至当位数太少时,人们有理由对猜想的正确性做出怀疑。如,数字0的出现机会在开始时就非常少。前50位中只有1个0,第一次出现在32位上。可是,这种现象随着数据的增多,很快就改变了:100位以内有8个0;200位以内有19个0;……1000万位以内有999,440个0;……60亿位以内有599,963,005个0,几乎占1/10。

其他数字又如何呢?结果显示,每一个都差不多是1/10,有的多一点,有的少一点。虽然有些偏差,但都在1/10000之内。

7、人们还想知道: π 的数字展开真的没有一定的模式吗?我们希望能够在十进制展开式中通过研究数字的统计分布,寻找任何可能的模型――如果存在这种模型的话,迄今为止尚未发现有这种模型。同时我们还想了解: π 的展开式中含有无穷的样式变化吗?或者说,是否任何形式的数字排列都会出现呢?著名数学家希尔伯特在没有发表的笔记本中曾提出下面的问题: π 的十进展开中是否有10个9连在一起?以现在算到的60亿位数字来看,已经出现:连续6个9连在一起。希尔伯特的问题答案似乎应该是肯定的,看来任何数字的排列都应该出现,只是什么时候出现而已。但这还需要更多 π 的数位的计算才能提供切实的证据。

8、在这方面,还有如下的统计结果:在60亿数字中已出现连在一起的8个8;9个7;10个6;小数点后第710150位与3204765位开始,均连续出现了七个3;小数点52638位起连续出现了14142135这八个数字,这恰是的前八位;小数点后第2747956位起,出现了有趣的数列876543210,遗憾的是前面缺个9;还有更有趣的数列123456789也出现了。

如果继续算下去,看来各种类型的数字列组合可能都会出现。

拾零: π 的其它计算方法

在1777年出版的《或然性算术实验》一书中,蒲丰提出了用实验方法计算 π 。这个实验方法的操作很简单:找一根粗细均匀,长度为 d 的细针,并在一张白纸上画上一组间距为 l 的平行线(方便起见,常取 l = d/2),然后一次又一次地将小针任意投掷在白纸上。这样反复地投多次,数数针与任意平行线相交的次数,于是就可以得到 π 的近似值。因为蒲丰本人证明了针与任意平行线相交的概率为 p = 2l/πd 。利用这一公式,可以用概率方法得到圆周率的近似值。在一次实验中,他选取 l = d/2 ,然后投针2212次,其中针与平行线相交704次,这样求得圆周率的近似值为 2212/704 = 3142。当实验中投的次数相当多时,就可以得到 π 的更精确的值。

1850年,一位叫沃尔夫的人在投掷5000多次后,得到 π 的近似值为31596。目前宣称用这种方法得到最好结果的是意大利人拉兹瑞尼。在1901年,他重复这项实验,作了3408次投针,求得 π 的近似值为31415929,这个结果是如此准确,以致于很多人怀疑其实验的真伪。如美国犹他州奥格登的国立韦伯大学的L·巴杰就对此提出过有力的质疑。

不过,蒲丰实验的重要性并非是为了求得比其它方法更精确的 π 值。蒲丰投针问题的重要性在于它是第一个用几何形式表达概率问题的例子。计算 π 的这一方法,不但因其新颖,奇妙而让人叫绝,而且它开创了使用随机数处理确定性数学问题的先河,是用偶然性方法去解决确定性计算的前导。

在用概率方法计算 π 值中还要提到的是:R·查特在1904年发现,两个随意写出的数中,互素的概率为6/π2。1995年4月英国《自然》杂志刊登文章,介绍英国伯明翰市阿斯顿大学计算机科学与应用数学系的罗伯特·马修斯,如何利用夜空中亮星的分布来计算圆周率。马修斯从100颗最亮的星星中随意选取一对又一对进行分析,计算它们位置之间的角距。他检查了100万对因子,据此求得 π 的值约为312772。这个值与真值相对误差不超过5%。

无穷的神秘气息:纪梵希的男用香水 π 。广告词是:Explore pi, explore the universe

通过几何、微积分、概率等广泛的范围和渠道发现 π ,这充分显示了数学方法的奇异美。 π 竟然与这么些表面看来风马牛不相及的试验,沟通在一起,这的确使人惊讶不已。

π就是圆周率,它的表示是π=d/c(其中,d为圆的直径,c为圆的周长。

圆周率是一个极其驰名的数。从有文字记载的历史开始,这个数就引进了外行人和学者们的兴趣。作为一个非常重要的常数,圆周率最早是出于解决有关圆的计算问题。仅凭这一点,求出它的尽量准确的近似值,就是一个极其迫切的问题了。事实也是如此,几千年来作为数学家们的奋斗目标,古今中外一代一代的数学家为此献出了自己的智慧和劳动。回顾历史,人类对 π 的认识过程,反映了数学和计算技术发展情形的一个侧面。 π 的研究,在一定程度上反映这个地区或时代的数学水平。德国数学史家康托说:“历史上一个国家所算得的圆周率的准确程度,可以作为衡量这个国家当时数学发展水平的指标。”直到19世纪初,求圆周率的值应该说是数学中的头号难题。为求得圆周率的值,人类走过了漫长而曲折的道路,它的历史是饶有趣味的。我们可以将这一计算历程分为几个阶段。

实验时期

通过实验对 π 值进行估算,这是计算 π 的的第一阶段。这种对 π 值的估算基本上都是以观察或实验为根据,是基于对一个圆的周长和直径的实际测量而得出的。在古代世界,实际上长期使用 π =3这个数值。最早见于文字记载的有基督教《圣经》中的章节,其上取圆周率为3。这一段描述的事大约发生在公元前950年前后。其他如巴比伦、印度、中国等也长期使用3这个粗略而简单实用的数值。在我国刘徽之前“圆径一而周三”曾广泛流传。我国第一部《周髀算经》中,就记载有圆“周三径一”这一结论。在我国,木工师傅有两句从古流传下来的口诀:叫做:“周三径一,方五斜七”,意思是说,直径为1的圆,周长大约是3,边长为5的正方形,对角线之长约为7。这正反映了早期人们对圆周率 π 和√2 这两个无理数的粗略估计。东汉时期官方还明文规定圆周率取3为计算面积的标准。后人称之为“古率”。

早期的人们还使用了其它的粗糙方法。如古埃及、古希腊人曾用谷粒摆在圆形上,以数粒数与方形对比的方法取得数值。或用匀重木板锯成圆形和方形以秤量对比取值……由此,得到圆周率的稍好些的值。如古埃及人应用了约四千年的 4 (8/9)2 = 31605。在印度,公元前六世纪,曾取 π= √10 = 3162。在我国东、西汉之交,新朝王莽令刘歆制造量的容器――律嘉量斛。刘歆在制造标准容器的过程中就需要用到圆周率的值。为此,他大约也是通过做实验,得到一些关于圆周率的并不划一的近似值。现在根据铭文推算,其计算值分别取为31547,31992,31498,32031比径一周三的古率已有所进步。人类的这种探索的结果,当主要估计圆田面积时,对生产没有太大影响,但以此来制造器皿或其它计算就不合适了。

几何法时期

凭直观推测或实物度量,来计算 π 值的实验方法所得到的结果是相当粗略的。

真正使圆周率计算建立在科学的基础上,首先应归功于阿基米德。他是科学地研究这一常数的第一个人,是他首先提出了一种能够借助数学过程而不是通过测量的、能够把 π 的值精确到任意精度的方法。由此,开创了圆周率计算的第二阶段。

圆周长大于内接正四边形而小于外切正四边形,因此 2√2 < π < 4 。

当然,这是一个差劲透顶的例子。据说阿基米德用到了正96边形才算出他的值域。

阿基米德求圆周率的更精确近似值的方法,体现在他的一篇论文《圆的测定》之中。在这一书中,阿基米德第一次创用上、下界来确定 π 的近似值,他用几何方法证明了“圆周长与圆直径之比小于 3+(1/7) 而大于 3 + (10/71) ”,他还提供了误差的估计。重要的是,这种方法从理论上而言,能够求得圆周率的更准确的值。到公元150年左右,希腊天文学家托勒密得出 π =31416,取得了自阿基米德以来的巨大进步。

割圆术。不断地利用勾股定理,来计算正N边形的边长。

在我国,首先是由数学家刘徽得出较精确的圆周率。公元263年前后,刘徽提出著名的割圆术,得出 π =314,通常称为“徽率”,他指出这是不足近似值。虽然他提出割圆术的时间比阿基米德晚一些,但其方法确有着较阿基米德方法更美妙之处。割圆术仅用内接正多边形就确定出了圆周率的上、下界,比阿基米德用内接同时又用外切正多边形简捷得多。另外,有人认为在割圆术中刘徽提供了一种绝妙的精加工办法,以致于他将割到192边形的几个粗糙的近似值通过简单的加权平均,竟然获得具有4位有效数字的圆周率 π =3927/1250 =31416。而这一结果,正如刘徽本人指出的,如果通过割圆计算得出这个结果,需要割到3072边形。这种精加工方法的效果是奇妙的。这一神奇的精加工技术是割圆术中最为精彩的部分,令人遗憾的是,由于人们对它缺乏理解而被长期埋没了。

恐怕大家更加熟悉的是祖冲之所做出的贡献吧。对此,《隋书·律历志》有如下记载:“宋末,南徐州从事祖冲之更开密法。以圆径一亿为丈,圆周盈数三丈一尺四寸一分五厘九毫二秒七忽,朒数三丈一尺四寸一分五厘九毫二秒六忽,正数在盈朒二限之间。密率:圆径一百一十三,圆周三百五十五。约率,圆径七,周二十二。”

这一记录指出,祖冲之关于圆周率的两大贡献。其一是求得圆周率

31415926 < π < 31415927

其二是,得到 π 的两个近似分数即:约率为22/7;密率为355/113。

他算出的 π 的8位可靠数字,不但在当时是最精密的圆周率,而且保持世界记录九百多年。以致于有数学史家提议将这一结果命名为“祖率”。

这一结果是如何获得的呢?追根溯源,正是基于对刘徽割圆术的继承与发展,祖冲之才能得到这一非凡的成果。因而当我们称颂祖冲之的功绩时,不要忘记他的成就的取得是因为他站在数学伟人刘徽的肩膀上的缘故。后人曾推算若要单纯地通过计算圆内接多边形边长的话,得到这一结果,需要算到圆内接正12288边形,才能得到这样精确度的值。祖冲之是否还使用了其它的巧妙办法来简化计算呢?这已经不得而知,因为记载其研究成果的著作《缀术》早已失传了。这在中国数学发展史上是一件极令人痛惜的事。

中国发行的祖冲之纪念邮票

祖冲之的这一研究成果享有世界声誉:巴黎“发现宫”科学博物馆的墙壁上著文介绍了祖冲之求得的圆周率,莫斯科大学礼堂的走廊上镶嵌有祖冲之的大理石塑像,月球上有以祖冲之命名的环形山……

对于祖冲之的关于圆周率的第二点贡献,即他选用两个简单的分数尤其是用密率来近似地表示 π 这一点,通常人们不会太注意。然而,实际上,后者在数学上有更重要的意义。

密率与 π 的近似程度很好,但形式上却很简单,并且很优美,只用到了数字1、3、5。数学史家梁宗巨教授验证出:分母小于16604的一切分数中,没有比密率更接近 π 的分数。在国外,祖冲之死后一千多年,西方人才获得这一结果。

可见,密率的提出是一件很不简单的事情。人们自然要追究他是采用什么办法得到这一结果的呢?他是用什么办法把圆周率从小数表示的近似值化为近似分数的呢?这一问题历来为数学史家所关注。由于文献的失传,祖冲之的求法已不为人知。后人对此进行了各种猜测。

让我们先看看国外历史上的工作,希望能够提供出一些信息。

1573年,德国人奥托得出这一结果。他是用阿基米德成果22/7与托勒密的结果377/120用类似于加成法“合成”的:(377-22) / (120-7) = 355/113。

1585年,荷兰人安托尼兹用阿基米德的方法先求得:333/106 < π < 377/120,用两者作为 π 的母近似值,分子、分母各取平均,通过加成法获得结果:3 ((15+17)/(106+120) = 355/113。

两个虽都得出了祖冲之密率,但使用方法都为偶合,无理由可言。

在日本,十七世纪关孝和重要著作《括要算法》卷四中求圆周率时创立零约术,其实质就是用加成法来求近似分数的方法。他以3、4作为母近似值,连续加成六次得到祖冲之约率,加成一百十二次得到密率。其学生对这种按部就班的笨办法作了改进,提出从相邻的不足、过剩近似值就近加成的办法,(实际上就是我们前面已经提到的加成法)这样从3、4出发,六次加成到约率,第七次出现25/8,就近与其紧邻的22/7加成,得47/15,依次类推,只要加成23次就得到密率。

钱宗琮先生在《中国算学史》(1931年)中提出祖冲之采用了我们前面提到的由何承天首创的“调日法”或称加权加成法。他设想了祖冲之求密率的过程:以徽率157/50,约率22/7为母近似值,并计算加成权数x=9,于是 (157 + 22×,9) / (50+7×9) = 355/113,一举得到密率。钱先生说:“冲之在承天后,用其术以造密率,亦意中事耳。”

另一种推测是:使用连分数法。

由于求二自然数的最大公约数的更相减损术远在《九章算术》成书时代已流行,所以借助这一工具求近似分数应该是比较自然的。于是有人提出祖冲之可能是在求得盈 二数之后,再使用这个工具,将314159265表示成连分数,得到其渐近分数:3,22/7,333/106,355/113,102573/32650…

最后,取精确度很高但分子分母都较小的355/113作为圆周率的近似值。至于上面圆周率渐近分数的具体求法,这里略掉了。你不妨利用我们前面介绍的方法自己求求看。英国李约瑟博士持这一观点。他在《中国科学技术史》卷三第19章几何编中论祖冲之的密率说:“密率的分数是一个连分数渐近数,因此是一个非凡的成就。”

我国再回过头来看一下国外所取得的成果。

1150年,印度数学家婆什迦罗第二计算出 π= 3927/1250 = 31416。1424年,中亚细亚地区的天文学家、数学家卡西著《圆周论》,计算了3×228=805,306,368边内接与外切正多边形的周长,求出 π 值,他的结果是:

π=314159265358979325

有十七位准确数字。这是国外第一次打破祖冲之的记录。

16世纪的法国数学家韦达利用阿基米德的方法计算 π 近似值,用 6×216正边形,推算出精确到9位小数的 π 值。他所采用的仍然是阿基米德的方法,但韦达却拥有比阿基米德更先进的工具:十进位置制。17世纪初,德国人鲁道夫用了几乎一生的时间钻研这个问题。他也将新的十进制与早的阿基米德方法结合起来,但他不是从正六边形开始并将其边数翻番的,他是从正方形开始的,一直推导出了有262条边的正多边形,约4,610,000,000,000,000,000边形!这样,算出小数35位。为了记念他的这一非凡成果,在德国圆周率 π 被称为“鲁道夫数”。但是,用几何方法求其值,计算量很大,这样算下去,穷数学家一生也改进不了多少。到鲁道夫可以说已经登峰造极,古典方法已引导数学家们走得很远,再向前推进,必须在方法上有所突破。

17世纪出现了数学分析,这锐利的工具使得许多初等数学束手无策的问题迎刃而解。 π 的计算历史也随之进入了一个新的阶段。

分析法时期

这一时期人们开始摆脱求多边形周长的繁难计算,利用无穷级数或无穷连乘积来算 π 。

1593年,韦达给出

这一不寻常的公式是 π 的最早分析表达式。甚至在今天,这个公式的优美也会令我们赞叹不已。它表明仅仅借助数字2,通过一系列的加、乘、除和开平方就可算出 π 值。

接着有多种表达式出现。如沃利斯1650年给出:

1706年,梅钦建立了一个重要的公式,现以他的名字命名:

再利用分析中的级数展开,他算到小数后100位。

这样的方法远比可怜的鲁道夫用大半生时间才抠出的35位小数的方法简便得多。显然,级数方法宣告了古典方法的过时。此后,对于圆周率的计算像马拉松式竞赛,纪录一个接着一个:

1844年,达塞利用公式:

算到200位。

19世纪以后,类似的公式不断涌现, π 的位数也迅速增长。1873年,谢克斯利用梅钦的一系列方法,级数公式将 π 算到小数后707位。为了得到这项空前的纪录,他花费了二十年的时间。他死后,人们将这凝聚着他毕生心血的数值,铭刻在他的墓碑上,以颂扬他顽强的意志和坚韧不拔的毅力。于是在他的墓碑上留下了他一生心血的结晶: π 的小数点后707位数值。这一惊人的结果成为此后74年的标准。此后半个世纪,人们对他的计算结果深信不疑,或者说即便怀疑也没有办法来检查它是否正确。以致于在1937年巴黎博览会发现馆的天井里,依然显赫地刻着他求出的 π 值。

又过了若干年,数学家弗格森对他的计算结果产生了怀疑,其疑问基于如下猜想:在 π 的数值中,尽管各数字排列没有规律可循,但是各数码出现的机会应该相同。当他对谢克斯的结果进行统计时,发现各数字出现次数过于参差不齐。于是怀疑有误。他使用了当时所能找到的最先进的计算工具,从1944年5月到1945年5月,算了整整一年。1946年,弗格森发现第528位是错的(应为4,误为5)。谢克斯的值中足足有一百多位全都报了销,这把可怜的谢克斯和他的十五年浪费了的光阴全部一笔勾销了。

对此,有人曾嘲笑他说:数学史在记录了诸如阿基米德、费马等人的著作之余,也将会挤出那么一、二行的篇幅来记述1873年前谢克斯曾把 π 计算到小数707位这件事。这样,他也许会觉得自己的生命没有虚度。如果确实是这样的话,他的目的达到了。

人们对这些在地球的各个角落里作出不懈努力的人感到不可理解,这可能是正常的。但是,对此做出的嘲笑却是过于残忍了。人的能力是不同的,我们无法要求每个人都成为费马、高斯那样的人物。但成为不了伟大的数学家,并不意味着我们就不能为这个社会做出自己有限的贡献。人各有其长,作为一个精力充沛的计算者,谢克斯愿意献出一生的大部分时光从事这项工作而别无报酬,并最终为世上的知识宝库添了一小块砖加了一个块瓦。对此我们不应为他的不懈努力而感染并从中得到一些启发与教育吗?

1948年1月弗格森和伦奇两人共同发表有808位正确小数的 π 。这是人工计算 π 的最高记录。

计算机时期

1946年,世界第一台计算机ENIAC制造成功,标志着人类历史迈入了电脑时代。电脑的出现导致了计算方面的根本革命。1949年,ENIAC根据梅钦公式计算到2035(一说是2037)位小数,包括准备和整理时间在内仅用了70小时。计算机的发展一日千里,其记录也就被频频打破。

ENIAC:一个时代的开始

1973年,有人就把圆周率算到了小数点后100万位,并将结果印成一本二百页厚的书,可谓世界上最枯燥无味的书了。1989年突破10亿大关,1995年10月超过64亿位。1999年9月30日,《文摘报》报道,日本东京大学教授金田康正已求到20615843亿位的小数值。如果将这些数字打印在A4大小的复印纸上,令每页印2万位数字,那么,这些纸摞起来将高达五六百米。来自最新的报道:金田康正利用一台超级计算机,计算出圆周率小数点后一兆二千四百一十一亿位数,改写了他本人两年前创造的纪录。据悉,金田教授与日立制作所的员工合作,利用目前计算能力居世界第二十六位的超级计算机,使用新的计算方法,耗时四百多个小时,才计算出新的数位,比他一九九九年九月计算出的小数点后二千六百一十一位提高了六倍。圆周率小数点后第一兆位数是二,第一兆二千四百一十一亿位数为五。如果一秒钟读一位数,大约四万年后才能读完。

不过,现在打破记录,不管推进到多少位,也不会令人感到特别的惊奇了。实际上,把 π 的数值算得过分精确,应用意义并不大。现代科技领域使用的 π 值,有十几位已经足够。如果用鲁道夫的35位小数的 π 值计算一个能把太阳系包围起来的圆的周长,误差还不到质子直径的百万分之一。我们还可以引美国天文学家西蒙·纽克姆的话来说明这种计算的实用价值:

“十位小数就足以使地球周界准确到一英寸以内,三十位小数便能使整个可见宇宙的四周准确到连最强大的显微镜都不能分辨的一个量。”

那么为什么数学家们还象登山运动员那样,奋力向上攀登,一直求下去而不是停止对 π 的探索呢?为什么其小数值有如此的魅力呢?

这其中大概免不了有人类的好奇心与领先于人的心态作怪,但除此之外,还有许多其它原因。

奔腾与圆周率之间的奇妙关系……

1、它现在可以被人们用来测试或检验超级计算机的各项性能,特别是运算速度与计算过程的稳定性。这对计算机本身的改进至关重要。就在几年前,当Intel公司推出奔腾(Pentium)时,发现它有一点小问题,这问题正是通过运行 π 的计算而找到的。这正是超高精度的 π 计算直到今天仍然有重要意义的原因之一。

2、 计算的方法和思路可以引发新的概念和思想。虽然计算机的计算速度超出任何人的想象,但毕竟还需要由数学家去编制程序,指导计算机正确运算。实际上,确切地说,当我们把 π 的计算历史划分出一个电子计算机时期时,这并非意味着计算方法上的改进,而只是计算工具有了一个大飞跃而已。因而如何改进计算技术,研究出更好的计算公式,使公式收敛得更快、能极快地达到较大的精确度仍是数学家们面对的一个重要课题。在这方面,本世纪印度天才数学家拉马努扬得出了一些很好的结果。他发现了许多能够迅速而精确地计算 π 近似值的公式。他的见解开通了更有效地计算 π 近似值的思路。现在计算机计算 π 值的公式就是由他得到的。至于这位极富传奇色彩的数学家的故事,在这本小书中我们不想多做介绍了。不过,我希望大家能够明白 π 的故事讲述的是人类的胜利,而不是机器的胜利。

3、还有一个关于 π 的计算的问题是:我们能否无限地继续算下去?答案是:不行!根据朱达偌夫斯基的估计,我们最多算1077位。虽然,现在我们离这一极限还相差很远很远,但这毕竟是一个界限。为了不受这一界限的约束,就需要从计算理论上有新的突破。前面我们所提到的计算,不管用什么公式都必须从头算起,一旦前面的某一位出错,后面的数值完全没有意义。还记得令人遗憾的谢克斯吗?他就是历史上最惨痛的教训。

4、于是,有人想能否计算时不从头开始,而是从半截开始呢?这一根本性的想法就是寻找并行算法公式。1996年,圆周率的并行算法公式终于找到,但这是一个16进位的公式,这样很容易得出的1000亿位的数值,只不过是16进位的。是否有10进位的并行计算公式,仍是未来数学的一大难题。

5、作为一个无穷数列,数学家感兴趣的把 π 展开到上亿位,能够提供充足的数据来验证人们所提出的某些理论问题,可以发现许多迷人的性质。如,在 π 的十进展开中,10个数字,哪些比较稀,哪些比较密? π 的数字展开中某些数字出现的频率会比另一些高吗?或许它们并非完全随意?这样的想法并非是无聊之举。只有那些思想敏锐的人才会问这种貌似简单,许多人司空见惯但却不屑发问的问题。

6、数学家弗格森最早有过这种猜想:在 π 的数值式中各数码出现的概率相同。正是他的这个猜想为发现和纠正向克斯计算 π 值的错误立下了汗马功劳。然而,猜想并不等于现实。弗格森想验证它,却无能为力。后人也想验证它,也是苦于已知的 π 值的位数太少。甚至当位数太少时,人们有理由对猜想的正确性做出怀疑。如,数字0的出现机会在开始时就非常少。前50位中只有1个0,第一次出现在32位上。可是,这种现象随着数据的增多,很快就改变了:100位以内有8个0;200位以内有19个0;……1000万位以内有999,440个0;……60亿位以内有599,963,005个0,几乎占1/10。

其他数字又如何呢?结果显示,每一个都差不多是1/10,有的多一点,有的少一点。虽然有些偏差,但都在1/10000之内。

7、人们还想知道: π 的数字展开真的没有一定的模式吗?我们希望能够在十进制展开式中通过研究数字的统计分布,寻找任何可能的模型――如果存在这种模型的话,迄今为止尚未发现有这种模型。同时我们还想了解: π 的展开式中含有无穷的样式变化吗?或者说,是否任何形式的数字排列都会出现呢?著名数学家希尔伯特在没有发表的笔记本中曾提出下面的问题: π 的十进展开中是否有10个9连在一起?以现在算到的60亿位数字来看,已经出现:连续6个9连在一起。希尔伯特的问题答案似乎应该是肯定的,看来任何数字的排列都应该出现,只是什么时候出现而已。但这还需要更多 π 的数位的计算才能提供切实的证据。

8、在这方面,还有如下的统计结果:在60亿数字中已出现连在一起的8个8;9个7;10个6;小数点后第710150位与3204765位开始,均连续出现了七个3;小数点52638位起连续出现了14142135这八个数字,这恰是的前八位;小数点后第2747956位起,出现了有趣的数列876543210,遗憾的是前面缺个9;还有更有趣的数列123456789也出现了。

如果继续算下去,看来各种类型的数字列组合可能都会出现。

拾零: π 的其它计算方法

在1777年出版的《或然性算术实验》一书中,蒲丰提出了用实验方法计算 π 。这个实验方法的操作很简单:找一根粗细均匀,长度为 d 的细针,并在一张白纸上画上一组间距为 l 的平行线(方便起见,常取 l = d/2),然后一次又一次地将小针任意投掷在白纸上。这样反复地投多次,数数针与任意平行线相交的次数,于是就可以得到 π 的近似值。因为蒲丰本人证明了针与任意平行线相交的概率为 p = 2l/πd 。利用这一公式,可以用概率方法得到圆周率的近似值。在一次实验中,他选取 l = d/2 ,然后投针2212次,其中针与平行线相交704次,这样求得圆周率的近似值为 2212/704 = 3142。当实验中投的次数相当多时,就可以得到 π 的更精确的值。

1850年,一位叫沃尔夫的人在投掷5000多次后,得到 π 的近似值为31596。目前宣称用这种方法得到最好结果的是意大利人拉兹瑞尼。在1901年,他重复这项实验,作了3408次投针,求得 π 的近似值为31415929,这个结果是如此准确,以致于很多人怀疑其实验的真伪。如美国犹他州奥格登的国立韦伯大学的L·巴杰就对此提出过有力的质疑。

不过,蒲丰实验的重要性并非是为了求得比其它方法更精确的 π 值。蒲丰投针问题的重要性在于它是第一个用几何形式表达概率问题的例子。计算 π 的这一方法,不但因其新颖,奇妙而让人叫绝,而且它开创了使用随机数处理确定性数学问题的先河,是用偶然性方法去解决确定性计算的前导。

在用概率方法计算 π 值中还要提到的是:R·查特在1904年发现,两个随意写出的数中,互素的概率为6/π2。1995年4月英国《自然》杂志刊登文章,介绍英国伯明翰市阿斯顿大学计算机科学与应用数学系的罗伯特·马修斯,如何利用夜空中亮星的分布来计算圆周率。马修斯从100颗最亮的星星中随意选取一对又一对进行分析,计算它们位置之间的角距。他检查了100万对因子,据此求得 π 的值约为312772。这个值与真值相对误差不超过5%。

无穷的神秘气息:纪梵希的男用香水 π 。广告词是:Explore pi, explore the universe

通过几何、微积分、概率等广泛的范围和渠道发现 π ,这充分显示了数学方法的奇异美。 π 竟然与这么些表面看来风马牛不相及的试验,沟通在一起,这的确使人惊讶不已。

参考资料:

数论,数学发展史等。

圆周率是一个极其驰名的数。从有文字记载的历史开始,这个数就引进了外行人和学者们的兴趣。作为一个非常重要的常数,圆周率最早是出于解决有关圆的计算问题。仅凭这一点,求出它的尽量准确的近似值,就是一个极其迫切的问题了。事实也是如此,几千年来作为数学家们的奋斗目标,古今中外一代一代的数学家为此献出了自己的智慧和劳动。回顾历史,人类对 π 的认识过程,反映了数学和计算技术发展情形的一个侧面。 π 的研究,在一定程度上反映这个地区或时代的数学水平。德国数学史家康托说:“历史上一个国家所算得的圆周率的准确程度,可以作为衡量这个国家当时数学发展水平的指标。”直到19世纪初,求圆周率的值应该说是数学中的头号难题。为求得圆周率的值,人类走过了漫长而曲折的道路,它的历史是饶有趣味的。我们可以将这一计算历程分为几个阶段。

实验时期

通过实验对 π 值进行估算,这是计算 π 的的第一阶段。这种对 π 值的估算基本上都是以观察或实验为根据,是基于对一个圆的周长和直径的实际测量而得出的。在古代世界,实际上长期使用 π =3这个数值。最早见于文字记载的有基督教《圣经》中的章节,其上取圆周率为3。这一段描述的事大约发生在公元前950年前后。其他如巴比伦、印度、中国等也长期使用3这个粗略而简单实用的数值。在我国刘徽之前“圆径一而周三”曾广泛流传。我国第一部《周髀算经》中,就记载有圆“周三径一”这一结论。在我国,木工师傅有两句从古流传下来的口诀:叫做:“周三径一,方五斜七”,意思是说,直径为1的圆,周长大约是3,边长为5的正方形,对角线之长约为7。这正反映了早期人们对圆周率 π 和√2 这两个无理数的粗略估计。东汉时期官方还明文规定圆周率取3为计算面积的标准。后人称之为“古率”。

早期的人们还使用了其它的粗糙方法。如古埃及、古希腊人曾用谷粒摆在圆形上,以数粒数与方形对比的方法取得数值。或用匀重木板锯成圆形和方形以秤量对比取值……由此,得到圆周率的稍好些的值。如古埃及人应用了约四千年的 4 (8/9)2 = 31605。在印度,公元前六世纪,曾取 π= √10 = 3162。在我国东、西汉之交,新朝王莽令刘歆制造量的容器――律嘉量斛。刘歆在制造标准容器的过程中就需要用到圆周率的值。为此,他大约也是通过做实验,得到一些关于圆周率的并不划一的近似值。现在根据铭文推算,其计算值分别取为31547,31992,31498,32031比径一周三的古率已有所进步。人类的这种探索的结果,当主要估计圆田面积时,对生产没有太大影响,但以此来制造器皿或其它计算就不合适了。

几何法时期

凭直观推测或实物度量,来计算 π 值的实验方法所得到的结果是相当粗略的。

真正使圆周率计算建立在科学的基础上,首先应归功于阿基米德。他是科学地研究这一常数的第一个人,是他首先提出了一种能够借助数学过程而不是通过测量的、能够把 π 的值精确到任意精度的方法。由此,开创了圆周率计算的第二阶段。

圆周长大于内接正四边形而小于外切正四边形,因此 2√2 < π < 4 。

当然,这是一个差劲透顶的例子。据说阿基米德用到了正96边形才算出他的值域。

阿基米德求圆周率的更精确近似值的方法,体现在他的一篇论文《圆的测定》之中。在这一书中,阿基米德第一次创用上、下界来确定 π 的近似值,他用几何方法证明了“圆周长与圆直径之比小于 3+(1/7) 而大于 3 + (10/71) ”,他还提供了误差的估计。重要的是,这种方法从理论上而言,能够求得圆周率的更准确的值。到公元150年左右,希腊天文学家托勒密得出 π =31416,取得了自阿基米德以来的巨大进步。

割圆术。不断地利用勾股定理,来计算正N边形的边长。

在我国,首先是由数学家刘徽得出较精确的圆周率。公元263年前后,刘徽提出著名的割圆术,得出 π =314,通常称为“徽率”,他指出这是不足近似值。虽然他提出割圆术的时间比阿基米德晚一些,但其方法确有着较阿基米德方法更美妙之处。割圆术仅用内接正多边形就确定出了圆周率的上、下界,比阿基米德用内接同时又用外切正多边形简捷得多。另外,有人认为在割圆术中刘徽提供了一种绝妙的精加工办法,以致于他将割到192边形的几个粗糙的近似值通过简单的加权平均,竟然获得具有4位有效数字的圆周率 π =3927/1250 =31416。而这一结果,正如刘徽本人指出的,如果通过割圆计算得出这个结果,需要割到3072边形。这种精加工方法的效果是奇妙的。这一神奇的精加工技术是割圆术中最为精彩的部分,令人遗憾的是,由于人们对它缺乏理解而被长期埋没了。

恐怕大家更加熟悉的是祖冲之所做出的贡献吧。对此,《隋书·律历志》有如下记载:“宋末,南徐州从事祖冲之更开密法。以圆径一亿为丈,圆周盈数三丈一尺四寸一分五厘九毫二秒七忽,朒数三丈一尺四寸一分五厘九毫二秒六忽,正数在盈朒二限之间。密率:圆径一百一十三,圆周三百五十五。约率,圆径七,周二十二。”

这一记录指出,祖冲之关于圆周率的两大贡献。其一是求得圆周率

31415926 < π < 31415927

其二是,得到 π 的两个近似分数即:约率为22/7;密率为355/113。

他算出的 π 的8位可靠数字,不但在当时是最精密的圆周率,而且保持世界记录九百多年。以致于有数学史家提议将这一结果命名为“祖率”。

这一结果是如何获得的呢?追根溯源,正是基于对刘徽割圆术的继承与发展,祖冲之才能得到这一非凡的成果。因而当我们称颂祖冲之的功绩时,不要忘记他的成就的取得是因为他站在数学伟人刘徽的肩膀上的缘故。后人曾推算若要单纯地通过计算圆内接多边形边长的话,得到这一结果,需要算到圆内接正12288边形,才能得到这样精确度的值。祖冲之是否还使用了其它的巧妙办法来简化计算呢?这已经不得而知,因为记载其研究成果的著作《缀术》早已失传了。这在中国数学发展史上是一件极令人痛惜的事。

中国发行的祖冲之纪念邮票

祖冲之的这一研究成果享有世界声誉:巴黎“发现宫”科学博物馆的墙壁上著文介绍了祖冲之求得的圆周率,莫斯科大学礼堂的走廊上镶嵌有祖冲之的大理石塑像,月球上有以祖冲之命名的环形山……

对于祖冲之的关于圆周率的第二点贡献,即他选用两个简单的分数尤其是用密率来近似地表示 π 这一点,通常人们不会太注意。然而,实际上,后者在数学上有更重要的意义。

密率与 π 的近似程度很好,但形式上却很简单,并且很优美,只用到了数字1、3、5。数学史家梁宗巨教授验证出:分母小于16604的一切分数中,没有比密率更接近 π 的分数。在国外,祖冲之死后一千多年,西方人才获得这一结果。

可见,密率的提出是一件很不简单的事情。人们自然要追究他是采用什么办法得到这一结果的呢?他是用什么办法把圆周率从小数表示的近似值化为近似分数的呢?这一问题历来为数学史家所关注。由于文献的失传,祖冲之的求法已不为人知。后人对此进行了各种猜测。

让我们先看看国外历史上的工作,希望能够提供出一些信息。

1573年,德国人奥托得出这一结果。他是用阿基米德成果22/7与托勒密的结果377/120用类似于加成法“合成”的:(377-22) / (120-7) = 355/113。

1585年,荷兰人安托尼兹用阿基米德的方法先求得:333/106 < π < 377/120,用两者作为 π 的母近似值,分子、分母各取平均,通过加成法获得结果:3 ((15+17)/(106+120) = 355/113。

两个虽都得出了祖冲之密率,但使用方法都为偶合,无理由可言。

在日本,十七世纪关孝和重要著作《括要算法》卷四中求圆周率时创立零约术,其实质就是用加成法来求近似分数的方法。他以3、4作为母近似值,连续加成六次得到祖冲之约率,加成一百十二次得到密率。其学生对这种按部就班的笨办法作了改进,提出从相邻的不足、过剩近似值就近加成的办法,(实际上就是我们前面已经提到的加成法)这样从3、4出发,六次加成到约率,第七次出现25/8,就近与其紧邻的22/7加成,得47/15,依次类推,只要加成23次就得到密率。

钱宗琮先生在《中国算学史》(1931年)中提出祖冲之采用了我们前面提到的由何承天首创的“调日法”或称加权加成法。他设想了祖冲之求密率的过程:以徽率157/50,约率22/7为母近似值,并计算加成权数x=9,于是 (157 + 22×,9) / (50+7×9) = 355/113,一举得到密率。钱先生说:“冲之在承天后,用其术以造密率,亦意中事耳。”

另一种推测是:使用连分数法。

由于求二自然数的最大公约数的更相减损术远在《九章算术》成书时代已流行,所以借助这一工具求近似分数应该是比较自然的。于是有人提出祖冲之可能是在求得盈 二数之后,再使用这个工具,将314159265表示成连分数,得到其渐近分数:3,22/7,333/106,355/113,102573/32650…

最后,取精确度很高但分子分母都较小的355/113作为圆周率的近似值。至于上面圆周率渐近分数的具体求法,这里略掉了。你不妨利用我们前面介绍的方法自己求求看。英国李约瑟博士持这一观点。他在《中国科学技术史》卷三第19章几何编中论祖冲之的密率说:“密率的分数是一个连分数渐近数,因此是一个非凡的成就。”

我国再回过头来看一下国外所取得的成果。

1150年,印度数学家婆什迦罗第二计算出 π= 3927/1250 = 31416。1424年,中亚细亚地区的天文学家、数学家卡西著《圆周论》,计算了3×228=805,306,368边内接与外切正多边形的周长,求出 π 值,他的结果是:

π=314159265358979325

有十七位准确数字。这是国外第一次打破祖冲之的记录。

16世纪的法国数学家韦达利用阿基米德的方法计算 π 近似值,用 6×216正边形,推算出精确到9位小数的 π 值。他所采用的仍然是阿基米德的方法,但韦达却拥有比阿基米德更先进的工具:十进位置制。17世纪初,德国人鲁道夫用了几乎一生的时间钻研这个问题。他也将新的十进制与早的阿基米德方法结合起来,但他不是从正六边形开始并将其边数翻番的,他是从正方形开始的,一直推导出了有262条边的正多边形,约4,610,000,000,000,000,000边形!这样,算出小数35位。为了记念他的这一非凡成果,在德国圆周率 π 被称为“鲁道夫数”。但是,用几何方法求其值,计算量很大,这样算下去,穷数学家一生也改进不了多少。到鲁道夫可以说已经登峰造极,古典方法已引导数学家们走得很远,再向前推进,必须在方法上有所突破。

17世纪出现了数学分析,这锐利的工具使得许多初等数学束手无策的问题迎刃而解。 π 的计算历史也随之进入了一个新的阶段。

分析法时期

这一时期人们开始摆脱求多边形周长的繁难计算,利用无穷级数或无穷连乘积来算 π 。

1593年,韦达给出

这一不寻常的公式是 π 的最早分析表达式。甚至在今天,这个公式的优美也会令我们赞叹不已。它表明仅仅借助数字2,通过一系列的加、乘、除和开平方就可算出 π 值。

接着有多种表达式出现。如沃利斯1650年给出:

1706年,梅钦建立了一个重要的公式,现以他的名字命名:

再利用分析中的级数展开,他算到小数后100位。

这样的方法远比可怜的鲁道夫用大半生时间才抠出的35位小数的方法简便得多。显然,级数方法宣告了古典方法的过时。此后,对于圆周率的计算像马拉松式竞赛,纪录一个接着一个:

1844年,达塞利用公式:

算到200位。

19世纪以后,类似的公式不断涌现, π 的位数也迅速增长。1873年,谢克斯利用梅钦的一系列方法,级数公式将 π 算到小数后707位。为了得到这项空前的纪录,他花费了二十年的时间。他死后,人们将这凝聚着他毕生心血的数值,铭刻在他的墓碑上,以颂扬他顽强的意志和坚韧不拔的毅力。于是在他的墓碑上留下了他一生心血的结晶: π 的小数点后707位数值。这一惊人的结果成为此后74年的标准。此后半个世纪,人们对他的计算结果深信不疑,或者说即便怀疑也没有办法来检查它是否正确。以致于在1937年巴黎博览会发现馆的天井里,依然显赫地刻着他求出的 π 值。

又过了若干年,数学家弗格森对他的计算结果产生了怀疑,其疑问基于如下猜想:在 π 的数值中,尽管各数字排列没有规律可循,但是各数码出现的机会应该相同。当他对谢克斯的结果进行统计时,发现各数字出现次数过于参差不齐。于是怀疑有误。他使用了当时所能找到的最先进的计算工具,从1944年5月到1945年5月,算了整整一年。1946年,弗格森发现第528位是错的(应为4,误为5)。谢克斯的值中足足有一百多位全都报了销,这把可怜的谢克斯和他的十五年浪费了的光阴全部一笔勾销了。

对此,有人曾嘲笑他说:数学史在记录了诸如阿基米德、费马等人的著作之余,也将会挤出那么一、二行的篇幅来记述1873年前谢克斯曾把 π 计算到小数707位这件事。这样,他也许会觉得自己的生命没有虚度。如果确实是这样的话,他的目的达到了。

人们对这些在地球的各个角落里作出不懈努力的人感到不可理解,这可能是正常的。但是,对此做出的嘲笑却是过于残忍了。人的能力是不同的,我们无法要求每个人都成为费马、高斯那样的人物。但成为不了伟大的数学家,并不意味着我们就不能为这个社会做出自己有限的贡献。人各有其长,作为一个精力充沛的计算者,谢克斯愿意献出一生的大部分时光从事这项工作而别无报酬,并最终为世上的知识宝库添了一小块砖加了一个块瓦。对此我们不应为他的不懈努力而感染并从中得到一些启发与教育吗?

1948年1月弗格森和伦奇两人共同发表有808位正确小数的 π 。这是人工计算 π 的最高记录。

计算机时期

1946年,世界第一台计算机ENIAC制造成功,标志着人类历史迈入了电脑时代。电脑的出现导致了计算方面的根本革命。1949年,ENIAC根据梅钦公式计算到2035(一说是2037)位小数,包括准备和整理时间在内仅用了70小时。计算机的发展一日千里,其记录也就被频频打破。

ENIAC:一个时代的开始

1973年,有人就把圆周率算到了小数点后100万位,并将结果印成一本二百页厚的书,可谓世界上最枯燥无味的书了。1989年突破10亿大关,1995年10月超过64亿位。1999年9月30日,《文摘报》报道,日本东京大学教授金田康正已求到20615843亿位的小数值。如果将这些数字打印在A4大小的复印纸上,令每页印2万位数字,那么,这些纸摞起来将高达五六百米。来自最新的报道:金田康正利用一台超级计算机,计算出圆周率小数点后一兆二千四百一十一亿位数,改写了他本人两年前创造的纪录。据悉,金田教授与日立制作所的员工合作,利用目前计算能力居世界第二十六位的超级计算机,使用新的计算方法,耗时四百多个小时,才计算出新的数位,比他一九九九年九月计算出的小数点后二千六百一十一位提高了六倍。圆周率小数点后第一兆位数是二,第一兆二千四百一十一亿位数为五。如果一秒钟读一位数,大约四万年后才能读完。

不过,现在打破记录,不管推进到多少位,也不会令人感到特别的惊奇了。实际上,把 π 的数值算得过分精确,应用意义并不大。现代科技领域使用的 π 值,有十几位已经足够。如果用鲁道夫的35位小数的 π 值计算一个能把太阳系包围起来的圆的周长,误差还不到质子直径的百万分之一。我们还可以引美国天文学家西蒙·纽克姆的话来说明这种计算的实用价值:

“十位小数就足以使地球周界准确到一英寸以内,三十位小数便能使整个可见宇宙的四周准确到连最强大的显微镜都不能分辨的一个量。”

那么为什么数学家们还象登山运动员那样,奋力向上攀登,一直求下去而不是停止对 π 的探索呢?为什么其小数值有如此的魅力呢?

这其中大概免不了有人类的好奇心与领先于人的心态作怪,但除此之外,还有许多其它原因。

奔腾与圆周率之间的奇妙关系……

1、它现在可以被人们用来测试或检验超级计算机的各项性能,特别是运算速度与计算过程的稳定性。这对计算机本身的改进至关重要。就在几年前,当Intel公司推出奔腾(Pentium)时,发现它有一点小问题,这问题正是通过运行 π 的计算而找到的。这正是超高精度的 π 计算直到今天仍然有重要意义的原因之一。

2、 计算的方法和思路可以引发新的概念和思想。虽然计算机的计算速度超出任何人的想象,但毕竟还需要由数学家去编制程序,指导计算机正确运算。实际上,确切地说,当我们把 π 的计算历史划分出一个电子计算机时期时,这并非意味着计算方法上的改进,而只是计算工具有了一个大飞跃而已。因而如何改进计算技术,研究出更好的计算公式,使公式收敛得更快、能极快地达到较大的精确度仍是数学家们面对的一个重要课题。在这方面,本世纪印度天才数学家拉马努扬得出了一些很好的结果。他发现了许多能够迅速而精确地计算 π 近似值的公式。他的见解开通了更有效地计算 π 近似值的思路。现在计算机计算 π 值的公式就是由他得到的。至于这位极富传奇色彩的数学家的故事,在这本小书中我们不想多做介绍了。不过,我希望大家能够明白 π 的故事讲述的是人类的胜利,而不是机器的胜利。

3、还有一个关于 π 的计算的问题是:我们能否无限地继续算下去?答案是:不行!根据朱达偌夫斯基的估计,我们最多算1077位。虽然,现在我们离这一极限还相差很远很远,但这毕竟是一个界限。为了不受这一界限的约束,就需要从计算理论上有新的突破。前面我们所提到的计算,不管用什么公式都必须从头算起,一旦前面的某一位出错,后面的数值完全没有意义。还记得令人遗憾的谢克斯吗?他就是历史上最惨痛的教训。

4、于是,有人想能否计算时不从头开始,而是从半截开始呢?这一根本性的想法就是寻找并行算法公式。1996年,圆周率的并行算法公式终于找到,但这是一个16进位的公式,这样很容易得出的1000亿位的数值,只不过是16进位的。是否有10进位的并行计算公式,仍是未来数学的一大难题。

5、作为一个无穷数列,数学家感兴趣的把 π 展开到上亿位,能够提供充足的数据来验证人们所提出的某些理论问题,可以发现许多迷人的性质。如,在 π 的十进展开中,10个数字,哪些比较稀,哪些比较密? π 的数字展开中某些数字出现的频率会比另一些高吗?或许它们并非完全随意?这样的想法并非是无聊之举。只有那些思想敏锐的人才会问这种貌似简单,许多人司空见惯但却不屑发问的问题。

6、数学家弗格森最早有过这种猜想:在 π 的数值式中各数码出现的概率相同。正是他的这个猜想为发现和纠正向克斯计算 π 值的错误立下了汗马功劳。然而,猜想并不等于现实。弗格森想验证它,却无能为力。后人也想验证它,也是苦于已知的 π 值的位数太少。甚至当位数太少时,人们有理由对猜想的正确性做出怀疑。如,数字0的出现机会在开始时就非常少。前50位中只有1个0,第一次出现在32位上。可是,这种现象随着数据的增多,很快就改变了:100位以内有8个0;200位以内有19个0;……1000万位以内有999,440个0;……60亿位以内有599,963,005个0,几乎占1/10。

其他数字又如何呢?结果显示,每一个都差不多是1/10,有的多一点,有的少一点。虽然有些偏差,但都在1/10000之内。

7、人们还想知道: π 的数字展开真的没有一定的模式吗?我们希望能够在十进制展开式中通过研究数字的统计分布,寻找任何可能的模型――如果存在这种模型的话,迄今为止尚未发现有这种模型。同时我们还想了解: π 的展开式中含有无穷的样式变化吗?或者说,是否任何形式的数字排列都会出现呢?著名数学家希尔伯特在没有发表的笔记本中曾提出下面的问题: π 的十进展开中是否有10个9连在一起?以现在算到的60亿位数字来看,已经出现:连续6个9连在一起。希尔伯特的问题答案似乎应该是肯定的,看来任何数字的排列都应该出现,只是什么时候出现而已。但这还需要更多 π 的数位的计算才能提供切实的证据。

8、在这方面,还有如下的统计结果:在60亿数字中已出现连在一起的8个8;9个7;10个6;小数点后第710150位与3204765位开始,均连续出现了七个3;小数点52638位起连续出现了14142135这八个数字,这恰是的前八位;小数点后第2747956位起,出现了有趣的数列876543210,遗憾的是前面缺个9;还有更有趣的数列123456789也出现了。

如果继续算下去,看来各种类型的数字列组合可能都会出现。

拾零: π 的其它计算方法

在1777年出版的《或然性算术实验》一书中,蒲丰提出了用实验方法计算 π 。这个实验方法的操作很简单:找一根粗细均匀,长度为 d 的细针,并在一张白纸上画上一组间距为 l 的平行线(方便起见,常取 l = d/2),然后一次又一次地将小针任意投掷在白纸上。这样反复地投多次,数数针与任意平行线相交的次数,于是就可以得到 π 的近似值。因为蒲丰本人证明了针与任意平行线相交的概率为 p = 2l/πd 。利用这一公式,可以用概率方法得到圆周率的近似值。在一次实验中,他选取 l = d/2 ,然后投针2212次,其中针与平行线相交704次,这样求得圆周率的近似值为 2212/704 = 3142。当实验中投的次数相当多时,就可以得到 π 的更精确的值。

1850年,一位叫沃尔夫的人在投掷5000多次后,得到 π 的近似值为31596。目前宣称用这种方法得到最好结果的是意大利人拉兹瑞尼。在1901年,他重复这项实验,作了3408次投针,求得 π 的近似值为31415929,这个结果是如此准确,以致于很多人怀疑其实验的真伪。如美国犹他州奥格登的国立韦伯大学的L·巴杰就对此提出过有力的质疑。

不过,蒲丰实验的重要性并非是为了求得比其它方法更精确的 π 值。蒲丰投针问题的重要性在于它是第一个用几何形式表达概率问题的例子。计算 π 的这一方法,不但因其新颖,奇妙而让人叫绝,而且它开创了使用随机数处理确定性数学问题的先河,是用偶然性方法去解决确定性计算的前导。

在用概率方法计算 π 值中还要提到的是:R·查特在1904年发现,两个随意写出的数中,互素的概率为6/π2。1995年4月英国《自然》杂志刊登文章,介绍英国伯明翰市阿斯顿大学计算机科学与应用数学系的罗伯特·马修斯,如何利用夜空中亮星的分布来计算圆周率。马修斯从100颗最亮的星星中随意选取一对又一对进行分析,计算它们位置之间的角距。他检查了100万对因子,据此求得 π 的值约为312772。这个值与真值相对误差不超过5%。

无穷的神秘气息:纪梵希的男用香水 π 。广告词是:Explore pi, explore the universe

通过几何、微积分、概率等广泛的范围和渠道发现 π ,这充分显示了数学方法的奇异美。 π 竟然与这么些表面看来风马牛不相及的试验,沟通在一起,这的确使人惊讶不已。

参考资料:

http://chatpepcomcn/lb5000/topiccgiforum=60&topic=2286&show=200%D0%BB

回答者:shalex - 见习魔法师 二级 9-10 22:28

到这个网站查出来的

http://3141592653589793238462643383279502884197169399375105820974944592com/

回答者:Mexclamation - 秀才 二级 9-11 00:03

用内接正多边形算出近似值的(最原始的方法)

回答者:Tiny11235813 - 魔法学徒 一级 9-11 19:34

面积除以半径的平方.

回答者:龙神剑客 - 助理 二级 9-14 21:01

内接正多边形算出近似值的

回答者:匿名 9-17 18:32

说白了就是割圆术,一割再割,与圆无差

回答者:折花公子 - 见习魔法师 二级 9-21 12:58

毕竟是算出来的,周长和直径是怎么得到的呢

我是这样猜的

利用直角三角函数和勾股定理

还有另外一种精确测量的方法

1布圆

2使用STM获取圆周原子数量和圆心到圆周的一条直线上的原子数量,

3计算

找到了

圆周率是一个极其驰名的数。从有文字记载的历史开始,这个数就引进了外行人和学者们的兴趣。作为一个非常重要的常数,圆周率最早是出于解决有关圆的计算问题。仅凭这一点,求出它的尽量准确的近似值,就是一个极其迫切的问题了。事实也是如此,几千年来作为数学家们的奋斗目标,古今中外一代一代的数学家为此献出了自己的智慧和劳动。回顾历史,人类对 π 的认识过程,反映了数学和计算技术发展情形的一个侧面。 π 的研究,在一定程度上反映这个地区或时代的数学水平。德国数学史家康托说:“历史上一个国家所算得的圆周率的准确程度,可以作为衡量这个国家当时数学发展水平的指标。”直到19世纪初,求圆周率的值应该说是数学中的头号难题。为求得圆周率的值,人类走过了漫长而曲折的道路,它的历史是饶有趣味的。我们可以将这一计算历程分为几个阶段。

实验时期

通过实验对 π 值进行估算,这是计算 π 的的第一阶段。这种对 π 值的估算基本上都是以观察或实验为根据,是基于对一个圆的周长和直径的实际测量而得出的。在古代世界,实际上长期使用 π =3这个数值。最早见于文字记载的有基督教《圣经》中的章节,其上取圆周率为3。这一段描述的事大约发生在公元前950年前后。其他如巴比伦、印度、中国等也长期使用3这个粗略而简单实用的数值。在我国刘徽之前“圆径一而周三”曾广泛流传。我国第一部《周髀算经》中,就记载有圆“周三径一”这

圆周率是一个极其驰名的数。从有文字记载的历史开始,这个数就引进了外行人和学者们的兴趣。作为一个非常重要的常数,圆周率最早是出于解决有关圆的计算问题。仅凭这一点,求出它的尽量准确的近似值,就是一个极其迫切的问题了。事实也是如此,几千年来作为数学家们的奋斗目标,古今中外一代一代的数学家为此献出了自己的智慧和劳动。回顾历史,人类对 π 的认识过程,反映了数学和计算技术发展情形的一个侧面。 π 的研究,在一定程度上反映这个地区或时代的数学水平。德国数学史家康托说:“历史上一个国家所算得的圆周率的准确程度,可以作为衡量这个国家当时数学发展水平的指标。”直到19世纪初,求圆周率的值应该说是数学中的头号难题。为求得圆周率的值,人类走过了漫长而曲折的道路,它的历史是饶有趣味的。我们可以将这一计算历程分为几个阶段。

实验时期

通过实验对 π 值进行估算,这是计算 π 的的第一阶段。这种对 π 值的估算基本上都是以观察或实验为根据,是基于对一个圆的周长和直径的实际测量而得出的。在古代世界,实际上长期使用 π =3这个数值。最早见于文字记载的有基督教《圣经》中的章节,其上取圆周率为3。这一段描述的事大约发生在公元前950年前后。其他如巴比伦、印度、中国等也长期使用3这个粗略而简单实用的数值。在我国刘徽之前“圆径一而周三”曾广泛流传。我国第一部《周髀算经》中,就记载有圆“周三径一”这一结论。在我国,木工师傅有两句从古流传下来的口诀:叫做:“周三径一,方五斜七”,意思是说,直径为1的圆,周长大约是3,边长为5的正方形,对角线之长约为7。这正反映了早期人们对圆周率 π 和√2 这两个无理数的粗略估计。东汉时期官方还明文规定圆周率取3为计算面积的标准。后人称之为“古率”。

早期的人们还使用了其它的粗糙方法。如古埃及、古希腊人曾用谷粒摆在圆形上,以数粒数与方形对比的方法取得数值。或用匀重木板锯成圆形和方形以秤量对比取值……由此,得到圆周率的稍好些的值。如古埃及人应用了约四千年的 4 (8/9)2 = 31605。在印度,公元前六世纪,曾取 π= √10 = 3162。在我国东、西汉之交,新朝王莽令刘歆制造量的容器――律嘉量斛。刘歆在制造标准容器的过程中就需要用到圆周率的值。为此,他大约也是通过做实验,得到一些关于圆周率的并不划一的近似值。现在根据铭文推算,其计算值分别取为31547,31992,31498,32031比径一周三的古率已有所进步。人类的这种探索的结果,当主要估计圆田面积时,对生产没有太大影响,但以此来制造器皿或其它计算就不合适了。

几何法时期

凭直观推测或实物度量,来计算 π 值的实验方法所得到的结果是相当粗略的。

真正使圆周率计算建立在科学的基础上,首先应归功于阿基米德。他是科学地研究这一常数的第一个人,是他首先提出了一种能够借助数学过程而不是通过测量的、能够把 π 的值精确到任意精度的方法。由此,开创了圆周率计算的第二阶段。

圆周长大于内接正四边形而小于外切正四边形,因此 2√2 < π < 4 。

当然,这是一个差劲透顶的例子。据说阿基米德用到了正96边形才算出他的值域。

阿基米德求圆周率的更精确近似值的方法,体现在他的一篇论文《圆的测定》之中。在这一书中,阿基米德第一次创用上、下界来确定 π 的近似值,他用几何方法证明了“圆周长与圆直径之比小于 3+(1/7) 而大于 3 + (10/71) ”,他还提供了误差的估计。重要的是,这种方法从理论上而言,能够求得圆周率的更准确的值。到公元150年左右,希腊天文学家托勒密得出 π =31416,取得了自阿基米德以来的巨大进步。

割圆术。不断地利用勾股定理,来计算正N边形的边长。

在我国,首先是由数学家刘徽得出较精确的圆周率。公元263年前后,刘徽提出著名的割圆术,得出 π =314,通常称为“徽率”,他指出这是不足近似值。虽然他提出割圆术的时间比阿基米德晚一些,但其方法确有着较阿基米德方法更美妙之处。割圆术仅用内接正多边形就确定出了圆周率的上、下界,比阿基米德用内接同时又用外切正多边形简捷得多。另外,有人认为在割圆术中刘徽提供了一种绝妙的精加工办法,以致于他将割到192边形的几个粗糙的近似值通过简单的加权平均,竟然获得具有4位有效数字的圆周率 π =3927/1250 =31416。而这一结果,正如刘徽本人指出的,如果通过割圆计算得出这个结果,需要割到3072边形。这种精加工方法的效果是奇妙的。这一神奇的精加工技术是割圆术中最为精彩的部分,令人遗憾的是,由于人们对它缺乏理解而被长期埋没了。

恐怕大家更加熟悉的是祖冲之所做出的贡献吧。对此,《隋书·律历志》有如下记载:“宋末,南徐州从事祖冲之更开密法。以圆径一亿为丈,圆周盈数三丈一尺四寸一分五厘九毫二秒七忽,朒数三丈一尺四寸一分五厘九毫二秒六忽,正数在盈朒二限之间。密率:圆径一百一十三,圆周三百五十五。约率,圆径七,周二十二。”

这一记录指出,祖冲之关于圆周率的两大贡献。其一是求得圆周率

31415926 < π < 31415927

其二是,得到 π 的两个近似分数即:约率为22/7;密率为355/113。

他算出的 π 的8位可靠数字,不但在当时是最精密的圆周率,而且保持世界记录九百多年。以致于有数学史家提议将这一结果命名为“祖率”。

这一结果是如何获得的呢?追根溯源,正是基于对刘徽割圆术的继承与发展,祖冲之才能得到这一非凡的成果。因而当我们称颂祖冲之的功绩时,不要忘记他的成就的取得是因为他站在数学伟人刘徽的肩膀上的缘故。后人曾推算若要单纯地通过计算圆内接多边形边长的话,得到这一结果,需要算到圆内接正12288边形,才能得到这样精确度的值。祖冲之是否还使用了其它的巧妙办法来简化计算呢?这已经不得而知,因为记载其研究成果的著作《缀术》早已失传了。这在中国数学发展史上是一件极令人痛惜的事。

中国发行的祖冲之纪念邮票

祖冲之的这一研究成果享有世界声誉:巴黎“发现宫”科学博物馆的墙壁上著文介绍了祖冲之求得的圆周率,莫斯科大学礼堂的走廊上镶嵌有祖冲之的大理石塑像,月球上有以祖冲之命名的环形山……

对于祖冲之的关于圆周率的第二点贡献,即他选用两个简单的分数尤其是用密率来近似地表示 π 这一点,通常人们不会太注意。然而,实际上,后者在数学上有更重要的意义。

密率与 π 的近似程度很好,但形式上却很简单,并且很优美,只用到了数字1、3、5。数学史家梁宗巨教授验证出:分母小于16604的一切分数中,没有比密率更接近 π 的分数。在国外,祖冲之死后一千多年,西方人才获得这一结果。

可见,密率的提出是一件很不简单的事情。人们自然要追究他是采用什么办法得到这一结果的呢?他是用什么办法把圆周率从小数表示的近似值化为近似分数的呢?这一问题历来为数学史家所关注。由于文献的失传,祖冲之的求法已不为人知。后人对此进行了各种猜测。

让我们先看看国外历史上的工作,希望能够提供出一些信息。

1573年,德国人奥托得出这一结果。他是用阿基米德成果22/7与托勒密的结果377/120用类似于加成法“合成”的:(377-22) / (120-7) = 355/113。

1585年,荷兰人安托尼兹用阿基米德的方法先求得:333/106 < π < 377/120,用两者作为 π 的母近似值,分子、分母各取平均,通过加成法获得结果:3 ((15+17)/(106+120) = 355/113。

两个虽都得出了祖冲之密率,但使用方法都为偶合,无理由可言。

在日本,十七世纪关孝和重要著作《括要算法》卷四中求圆周率时创立零约术,其实质就是用加成法来求近似分数的方法。他以3、4作为母近似值,连续加成六次得到祖冲之约率,加成一百十二次得到密率。其学生对这种按部就班的笨办法作了改进,提出从相邻的不足、过剩近似值就近加成的办法,(实际上就是我们前面已经提到的加成法)这样从3、4出发,六次加成到约率,第七次出现25/8,就近与其紧邻的22/7加成,得47/15,依次类推,只要加成23次就得到密率。

钱宗琮先生在《中国算学史》(1931年)中提出祖冲之采用了我们前面提到的由何承天首创的“调日法”或称加权加成法。他设想了祖冲之求密率的过程:以徽率157/50,约率22/7为母近似值,并计算加成权数x=9,于是 (157 + 22×,9) / (50+7×9) = 355/113,一举得到密率。钱先生说:“冲之在承天后,用其术以造密率,亦意中事耳。”

另一种推测是:使用连分数法。

由于求二自然数的最大公约数的更相减损术远在《九章算术》成书时代已流行,所以借助这一工具求近似分数应该是比较自然的。于是有人提出祖冲之可能是在求得盈 二数之后,再使用这个工具,将314159265表示成连分数,得到其渐近分数:3,22/7,333/106,355/113,102573/32650…

最后,取精确度很高但分子分母都较小的355/113作为圆周率的近似值。至于上面圆周率渐近分数的具体求法,这里略掉了。你不妨利用我们前面介绍的方法自己求求看。英国李约瑟博士持这一观点。他在《中国科学技术史》卷三第19章几何编中论祖冲之的密率说:“密率的分数是一个连分数渐近数,因此是一个非凡的成就。”

我国再回过头来看一下国外所取得的成果。

1150年,印度数学家婆什迦罗第二计算出 π= 3927/1250 = 31416。1424年,中亚细亚地区的天文学家、数学家卡西著《圆周论》,计算了3×228=805,306,368边内接与外切正多边形的周长,求出 π 值,他的结果是:

π=314159265358979325

有十七位准确数字。这是国外第一次打破祖冲之的记录。

16世纪的法国数学家韦达利用阿基米德的方法计算 π 近似值,用 6×216正边形,推算出精确到9位小数的 π 值。他所采用的仍然是阿基米德的方法,但韦达却拥有比阿基米德更先进的工具:十进位置制。17世纪初,德国人鲁道夫用了几乎一生的时间钻研这个问题。他也将新的十进制与早的阿基米德方法结合起来,但他不是从正六边形开始并将其边数翻番的,他是从正方形开始的,一直推导出了有262条边的正多边形,约4,610,000,000,000,000,000边形!这样,算出小数35位。为了记念他的这一非凡成果,在德国圆周率 π 被称为“鲁道夫数”。但是,用几何方法求其值,计算量很大,这样算下去,穷数学家一生也改进不了多少。到鲁道夫可以说已经登峰造极,古典方法已引导数学家们走得很远,再向前推进,必须在方法上有所突破。

17世纪出现了数学分析,这锐利的工具使得许多初等数学束手无策的问题迎刃而解。 π 的计算历史也随之进入了一个新的阶段。

分析法时期

这一时期人们开始摆脱求多边形周长的繁难计算,利用无穷级数或无穷连乘积来算 π 。

1593年,韦达给出

这一不寻常的公式是 π 的最早分析表达式。甚至在今天,这个公式的优美也会令我们赞叹不已。它表明仅仅借助数字2,通过一系列的加、乘、除和开平方就可算出 π 值。

接着有多种表达式出现。如沃利斯1650年给出:

1706年,梅钦建立了一个重要的公式,现以他的名字命名:

再利用分析中的级数展开,他算到小数后100位。

这样的方法远比可怜的鲁道夫用大半生时间才抠出的35位小数的方法简便得多。显然,级数方法宣告了古典方法的过时。此后,对于圆周率的计算像马拉松式竞赛,纪录一个接着一个:

1844年,达塞利用公式:

算到200位。

19世纪以后,类似的公式不断涌现, π 的位数也迅速增长。1873年,谢克斯利用梅钦的一系列方法,级数公式将 π 算到小数后707位。为了得到这项空前的纪录,他花费了二十年的时间。他死后,人们将这凝聚着他毕生心血的数值,铭刻在他的墓碑上,以颂扬他顽强的意志和坚韧不拔的毅力。于是在他的墓碑上留下了他一生心血的结晶: π 的小数点后707位数值。这一惊人的结果成为此后74年的标准。此后半个世纪,人们对他的计算结果深信不疑,或者说即便怀疑也没有办法来检查它是否正确。以致于在1937年巴黎博览会发现馆的天井里,依然显赫地刻着他求出的 π 值。

又过了若干年,数学家弗格森对他的计算结果产生了怀疑,其疑问基于如下猜想:在 π 的数值中,尽管各数字排列没有规律可循,但是各数码出现的机会应该相同。当他对谢克斯的结果进行统计时,发现各数字出现次数过于参差不齐。于是怀疑有误。他使用了当时所能找到的最先进的计算工具,从1944年5月到1945年5月,算了整整一年。1946年,弗格森发现第528位是错的(应为4,误为5)。谢克斯的值中足足有一百多位全都报了销,这把可怜的谢克斯和他的十五年浪费了的光阴全部一笔勾销了。

对此,有人曾嘲笑他说:数学史在记录了诸如阿基米德、费马等人的著作之余,也将会挤出那么一、二行的篇幅来记述1873年前谢克斯曾把 π 计算到小数707位这件事。这样,他也许会觉得自己的生命没有虚度。如果确实是这样的话,他的目的达到了。

人们对这些在地球的各个角落里作出不懈努力的人感到不可理解,这可能是正常的。但是,对此做出的嘲笑却是过于残忍了。人的能力是不同的,我们无法要求每个人都成为费马、高斯那样的人物。但成为不了伟大的数学家,并不意味着我们就不能为这个社会做出自己有限的贡献。人各有其长,作为一个精力充沛的计算者,谢克斯愿意献出一生的大部分时光从事这项工作而别无报酬,并最终为世上的知识宝库添了一小块砖加了一个块瓦。对此我们不应为他的不懈努力而感染并从中得到一些启发与教育吗?

1948年1月弗格森和伦奇两人共同发表有808位正确小数的 π 。这是人工计算 π 的最高记录。

计算机时期

1946年,世界第一台计算机ENIAC制造成功,标志着人类历史迈入了电脑时代。电脑的出现导致了计算方面的根本革命。1949年,ENIAC根据梅钦公式计算到2035(一说是2037)位小数,包括准备和整理时间在内仅用了70小时。计算机的发展一日千里,其记录也就被频频打破。

ENIAC:一个时代的开始

1973年,有人就把圆周率算到了小数点后100万位,并将结果印成一本二百页厚的书,可谓世界上最枯燥无味的书了。1989年突破10亿大关,1995年10月超过64亿位。1999年9月30日,《文摘报》报道,日本东京大学教授金田康正已求到20615843亿位的小数值。如果将这些数字打印在A4大小的复印纸上,令每页印2万位数字,那么,这些纸摞起来将高达五六百米。来自最新的报道:金田康正利用一台超级计算机,计算出圆周率小数点后一兆二千四百一十一亿位数,改写了他本人两年前创造的纪录。据悉,金田教授与日立制作所的员工合作,利用目前计算能力居世界第二十六位的超级计算机,使用新的计算方法,耗时四百多个小时,才计算出新的数位,比他一九九九年九月计算出的小数点后二千六百一十一位提高了六倍。圆周率小数点后第一兆位数是二,第一兆二千四百一十一亿位数为五。如果一秒钟读一位数,大约四万年后才能读完。

不过,现在打破记录,不管推进到多少位,也不会令人感到特别的惊奇了。实际上,把 π 的数值算得过分精确,应用意义并不大。现代科技领域使用的 π 值,有十几位已经足够。如果用鲁道夫的35位小数的 π 值计算一个能把太阳系包围起来的圆的周长,误差还不到质子直径的百万分之一。我们还可以引美国天文学家西蒙·纽克姆的话来说明这种计算的实用价值:

“十位小数就足以使地球周界准确到一英寸以内,三十位小数便能使整个可见宇宙的四周准确到连最强大的显微镜都不能分辨的一个量。”

那么为什么数学家们还象登山运动员那样,奋力向上攀登,一直求下去而不是停止对 π 的探索呢?为什么其小数值有如此的魅力呢?

这其中大概免不了有人类的好奇心与领先于人的心态作怪,但除此之外,还有许多其它原因。

奔腾与圆周率之间的奇妙关系……

1、它现在可以被人们用来测试或检验超级计算机的各项性能,特别是运算速度与计算过程的稳定性。这对计算机本身的改进至关重要。就在几年前,当Intel公司推出奔腾(Pentium)时,发现它有一点小问题,这问题正是通过运行 π 的计算而找到的。这正是超高精度的 π 计算直到今天仍然有重要意义的原因之一。

2、 计算的方法和思路可以引发新的概念和思想。虽然计算机的计算速度超出任何人的想象,但毕竟还需要由数学家去编制程序,指导计算机正确运算。实际上,确切地说,当我们把 π 的计算历史划分出一个电子计算机时期时,这并非意味着计算方法上的改进,而只是计算工具有了一个大飞跃而已。因而如何改进计算技术,研究出更好的计算公式,使公式收敛得更快、能极快地达到较大的精确度仍是数学家们面对的一个重要课题。在这方面,本世纪印度天才数学家拉马努扬得出了一些很好的结果。他发现了许多能够迅速而精确地计算 π 近似值的公式。他的见解开通了更有效地计算 π 近似值的思路。现在计算机计算 π 值的公式就是由他得到的。至于这位极富传奇色彩的数学家的故事,在这本小书中我们不想多做介绍了。不过,我希望大家能够明白 π 的故事讲述的是人类的胜利,而不是机器的胜利。

3、还有一个关于 π 的计算的问题是:我们能否无限地继续算下去?答案是:不行!根据朱达偌夫斯基的估计,我们最多算1077位。虽然,现在我们离这一极限还相差很远很远,但这毕竟是一个界限。为了不受这一界限的约束,就需要从计算理论上有新的突破。前面我们所提到的计算,不管用什么公式都必须从头算起,一旦前面的某一位出错,后面的数值完全没有意义。还记得令人遗憾的谢克斯吗?他就是历史上最惨痛的教训。

4、于是,有人想能否计算时不从头开始,而是从半截开始呢?这一根本性的想法就是寻找并行算法公式。1996年,圆周率的并行算法公式终于找到,但这是一个16进位的公式,这样很容易得出的1000亿位的数值,只不过是16进位的。是否有10进位的并行计算公式,仍是未来数学的一大难题。

5、作为一个无穷数列,数学家感兴趣的把 π 展开到上亿位,能够提供充足的数据来验证人们所提出的某些理论问题,可以发现许多迷人的性质。如,在 π 的十进展开中,10个数字,哪些比较稀,哪些比较密? π 的数字展开中某些数字出现的频率会比另一些高吗?或许它们并非完全随意?这样的想法并非是无聊之举。只有那些思想敏锐的人才会问这种貌似简单,许多人司空见惯但却不屑发问的问题。

6、数学家弗格森最早有过这种猜想:在 π 的数值式中各数码出现的概率相同。正是他的这个猜想为发现和纠正向克斯计算 π 值的错误立下了汗马功劳。然而,猜想并不等于现实。弗格森想验证它,却无能为力。后人也想验证它,也是苦于已知的 π 值的位数太少。甚至当位数太少时,人们有理由对猜想的正确性做出怀疑。如,数字0的出现机会在开始时就非常少。前50位中只有1个0,第一次出现在32位上。可是,这种现象随着数据的增多,很快就改变了:100位以内有8个0;200位以内有19个0;……1000万位以内有999,440个0;……60亿位以内有599,963,005个0,几乎占1/10。

其他数字又如何呢?结果显示,每一个都差不多是1/10,有的多一点,有的少一点。虽然有些偏差,但都在1/10000之内。

7、人们还想知道: π 的数字展开真的没有一定的模式吗?我们希望能够在十进制展开式中通过研究数字的统计分布,寻找任何可能的模型――如果存在这种模型的话,迄今为止尚未发现有这种模型。同时我们还想了解: π 的展开式中含有无穷的样式变化吗?或者说,是否任何形式的数字排列都会出现呢?著名数学家希尔伯特在没有发表的笔记本中曾提出下面的问题: π 的十进展开中是否有10个9连在一起?以现在算到的60亿位数字来看,已经出现:连续6个9连在一起。希尔伯特的问题答案似乎应该是肯定的,看来任何数字的排列都应该出现,只是什么时候出现而已。但这还需要更多 π 的数位的计算才能提供切实的证据。

8、在这方面,还有如下的统计结果:在60亿数字中已出现连在一起的8个8;9个7;10个6;小数点后第710150位与3204765位开始,均连续出现了七个3;小数点52638位起连续出现了14142135这八个数字,这恰是的前八位;小数点后第2747956位起,出现了有趣的数列876543210,遗憾的是前面缺个9;还有更有趣的数列123456789也出现了。

如果继续算下去,看来各种类型的数字列组合可能都会出现。

拾零: π 的其它计算方法

在1777年出版的《或然性算术实验》一书中,蒲丰提出了用实验方法计算 π 。这个实验方法的操作很简单:找一根粗细均匀,长度为 d 的细针,并在一张白纸上画上一组间距为 l 的平行线(方便起见,常取 l = d/2),然后一次又一次地将小针任意投掷在白纸上。这样反复地投多次,数数针与任意平行线相交的次数,于是就可以得到 π 的近似值。因为蒲丰本人证明了针与任意平行线相交的概率为 p = 2l/πd 。利用这一公式,可以用概率方法得到圆周率的近似值。在一次实验中,他选取 l = d/2 ,然后投针2212次,其中针与平行线相交704次,这样求得圆周率的近似值为 2212/704 = 3142。当实验中投的次数相当多时,就可以得到 π 的更精确的值。

1850年,一位叫沃尔夫的人在投掷5000多次后,得到 π 的近似值为31596。目前宣称用这种方法得到最好结果的是意大利人拉兹瑞尼。在1901年,他重复这项实验,作了3408次投针,求得 π 的近似值为31415929,这个结果是如此准确,以致于很多人怀疑其实验的真伪。如美国犹他州奥格登的国立韦伯大学的L·巴杰就对此提出过有力的质疑。

不过,蒲丰实验的重要性并非是为了求得比其它方法更精确的 π 值。蒲丰投针问题的重要性在于它是第一个用几何形式表达概率问题的例子。计算 π 的这一方法,不但因其新颖,奇妙而让人叫绝,而且它开创了使用随机数处理确定性数学问题的先河,是用偶然性方法去解决确定性计算的前导。

在用概率方法计算 π 值中还要提到的是:R·查特在1904年发现,两个随意写出的数中,互素的概率为6/π2。1995年4月英国《自然》杂志刊登文章,介绍英国伯明翰市阿斯顿大学计算机科学与应用数学系的罗伯特·马修斯,如何利用夜空中亮星的分布来计算圆周率。马修斯从100颗最亮的星星中随意选取一对又一对进行分析,计算它们位置之间的角距。他检查了100万对因子,据此求得 π 的值约为312772。这个值与真值相对误差不超过5%。

无穷的神秘气息:纪梵希的男用香水 π 。广告词是:Explore pi, explore the universe

通过几何、微积分、概率等广泛的范围和渠道发现 π ,这充分显示了数学方法的奇异美。 π 竟然与这么些表面看来风马牛不相及的试验,沟通在一起,这的确使人惊讶不已。

CALVIN KLEIN

1,CK Contradiction矛盾(冰与火)男士香水 50ml

将中国由加利树、椒花、纯白山梅花、幽谷兰花、檀香木、茉莉花瓣、珍贵玫瑰、等的清香巧妙的结合。 是CK出品的一款将时尚与复古结合的馨香

大致价格:RMB600

2,CK Truth 真理男士香水 50ml

Calvin Klein在2002年夏末推出了Truth for Men男性香水,这款香水沿袭着Truth女香的自然,Truth for Men 将男性的性感具体而自然的呈现在热情的肌肤上,感性而经典散发男人最纯真的一面!Truth男香的灵感源自于大地,清新的木质芬芳中蕴含着新鲜的豆蔻果实,让您重新阅读干净的气息, 水生、绿色植物更让人心境平和,宛如置身梦中的湖畔

透明海绿色的香水,搭配着由精炼玻璃所制成的瓶身,更见大师的设计风范,瓶身融入男性曲线,搭配完美的银色喷头及瓶盖,强劲的性格隐藏不住,现代的外观和感觉因海绿色的液体而显得更加清爽。

大致价格:RMB550

3,CK Escape逃逸男士香水 50ml

Calvin Klein逃避香水是Calvin Klein 1993年推出的一款经典男士香水,是一款清新、辛辣的薰衣草、琥珀香味的香水。这款男士香水融合了中国柑桔、苹果、李子、桃子、玫瑰、檀香等植物提取精华。推荐在办公场合使用。

大致价格:RMB600

4,CK Eternity永恒男士香水 15ml

香型:凉爽明快与温暖的木质型

适合:任何场合

Eternity for Men永恒是Calvin Klein发行销售Eternity for Woman后推出的男用香水,于1989年秋天推出,并赢得了年度最成功的男用香水奖,享有极高的声望。Calvin Klein 很早就想推出一系列香水来表达现代的男士们:浪漫与敏感,珍爱自己的家庭、工作、健康与快乐,同时又男人味十足。

这款令人愉快清爽的香水初调为熏衣草、中国橘及绿色植物的味道;中调为罗勒、天竺葵、茉莉;基调由檀香、琥珀、红木等组成。

大致价格:RMB240

[BOSS]

1,BOSS 自然力男士香水 50ml

自然力男士香水是HUGO BOSS设计室1993年出品,是一款经典的清新、辛辣、薰衣草香、琥珀香综合的男士香水。首调为橘子和香柠香;中调:淡淡的植物芬芳;基调是麝香和木香。适合在任何场合,尤其在办公场所。

大致价格:RMB420

2,HUGO BOSS深蓝男士香水 75ml

Hugo DARK BLUE淡雅的清香,可以深深的吸引您周围人群的目光,让你成为大家的焦点。 初调:印度酸橙、马拉巴尔生姜。 中调:鼠尾草、天竺癸、柏木。 基调:安息香、广藿香、乳香、小山羊皮。 檀木清香会在你运动时注入更多活力。

大致价格:RMB420

3BOSS 自信男士香水 30ml

香调:清新果香调

前味:佛手柑、香苹、肉桂、丁香

中味:金盏、天竺葵

后味:杉木、白檀、橄榄

在1998年,Boss设计师推出了令全球男性瞩目的新款男性香水Boss Bottle-自信。这款香水的设计灵感源自于1923年同名的男装品牌,这一服装品牌引领了数十年的男士服装潮流。Boss第一瓶香水于1993年推出,现在,Boss的香水已成为全球香水市场的主要香水品牌。

Boss自信男香成功诠释男人的自信与品味,前味由香柠檬、柑橘、蜂蜜组成,中味含有胡荽、琥珀及苔藓,后味由檀香、皮革与雪松组合而成。自信男香在亚洲地区的日本、韩国以及邻近的香港都受到热烈的欢迎,气味清新而充满男人的简洁与自信,值得推荐给您!

大致价格:RMB320

4,BOSS 水珠男士香水 50ml

强烈的东方木香调香水,混合广霍香和檀香的香味

大致价格:RMB450

5,BOSS in Motion运动男士香水 90ml

Boss in motion的香水瓶可以说是创造完美的经典,它令人惊叹、充满性感和散发着阳刚之气。他的包装是由金属包裹的球型小球,包装精致。喷用的方法更是独特,用手捏住球体,用拇指向上按,香水就能轻易喷出。

前调是一阵扑鼻而来的清香,其中混合了活跃的柑橘味和绿色植物顶端的香气;中调则将你带入另一个充满激情和兴奋的世界,粉椒味混合着具有异域风情的肉桂味;基调中充满了东方名贵木材和现代的麝香味的混合给我们带来一种现代的感性。

大致价格:RMB580

6,HUGO BOSS男人Hugo Duo(2003年限量珍藏版) 125ml2

hugo duo香水是hugo于2003年春季限量版的新品,金属质感的套装同时融合了两种香水。

男人hugo duo=hugo man125ml+dark blue深蓝125ml

携带着两种气息,融合着完美时尚与前卫风格、散播反叛和欲望种子的hugo duo,让你发掘出香氛方程式的最佳值,hugo boss总是站在时尚潮流的浪尖。

大致价格:RMB400

Christian Dior -CD

1,CD Fahrenheit迪奥华氏男士香水 50ml

冷冽知性的柠檬醛香味渐渐转为温柔的花香。干净利落,不引人注目,却又不由的散发出丰隆的存在感。

大致价格:RMB540

2,CD 迪奥Dune沙丘男士香水 50ml

沙丘(Dune Pour Homme)由克里司汀·迪奥(Christian Dior)公司推出。其主要香调为绿色植物、海洋气息和木香,现代、清新,与自然融为一体,是一款真正的男人香水。前味:无花果叶、罗勒属植物叶、黑醋栗、西西里柑橘。 中味:新柑橘、苔藓、鼠尾草属植物。 后味:雪松、零陵香豆。 适合:任何时候,尤其日常休闲。

大致价格:RMB500

3,Dior 迪奥higher更高男士香水 50ml

这是一款非常吸引人的香水,首调是温和的梨子、佛手柑和刺柏的味道淡淡释放出来,尾调是柏树、胡椒粉、苔藓和木香混合的淡淡幽香。一款适合办公室和晚上使用的完美男士香水。

大致价格:RMB480

Davidoff -大卫杜夫

1,DAVIDOFF Cool Water冷水男士香水 75ml

凝聚大自然中最重要的元素—水、清新空气及植物的芳香。冷水香水能够洗涤您的心灵。

大致价格:RMB450

2,DAVIDOFF Good Life美好生活男士香水 5ml

前 味:佛手柑、葡萄柚、黑醋栗、西瓜、薰衣草、无花果树叶子中 味:水兰花、天竺葵、无花果树叶子后 味:檀香木、乳香树、茶叶、香草木樨、无花果树叶子

大致价格:RMB110

3,DAVIDOFF ECHO回声男士香水 50ml

2003年夏天男性时尚品牌Davidoff推出新款男性香水ECHO!以 都会为蓝本,设计出简洁、清新、自然的风格,极简主义的个性,完美呈现都会男子内心的自然与浩瀚!

ECHO映着淡蓝而透明的色彩,象征着城市生活的心灵图像,而瓶身平滑而柔顺的造型就像空气般的在身边流动着!这款香水自四月份在法国、德国及英国推出后,便受到男性消费者的青睐,在六月底也在日本上市,也受到极高的评价

香调:纯净清香调

前味:佛手柑、青草、柠檬、蜜柑

中味:艾草、杜松、天竺葵

后味:橡树苔、柑橘、麝香

产地:法国

大致价格:RMB400

Ferragamo 佛莱格默

1,Ferragamo佛莱格默新款男士香水 30ml

香调:清新花香调

前味:柑橘、莲叶、小豆蔻、姜

中味:芫荽、玫瑰、紫罗兰

后味:广藿香、干琥珀、麝香

继2002年成功推出Salvatore Ferragamo Subtil限量版后,在2003年乘胜追击,推出了Subtil Pour Homme经典男性香水,完美的呈现出古典风格,以及都会的优雅性格。 香水的瓶身设计上就可看出是一款经典而气质的香水,瓶身彷佛男性胴体般的完美曲线。清新的柑橘搭配水生植物,表现出男人的清爽自在。层次分明的蓝色,唤起 男人内敛的情感,展现优雅的梦想和清新的性感!

前味环绕着清新及辛辣香调中包裹着橘香、莲叶、小豆蔻及姜。中味加入了清新的芫荽、红玫瑰及紫罗兰,展现男人的细腻,性感的后味搭配着广藿香、干琥珀及麝香,让男性优雅的魅力无限延伸!

大致价格:RMB400

2,FERRAGAMO 佛莱格默男士香水 50ml

Salvatore Ferragamo的第一支女香成功销售后,第一瓶男香急起直追。一眼即可辨变出的配对瓶身,同样出自Bvlgari与Salvatore Ferragamo共同合资之手。成分方面则用经典的若兰草、西柚及无花果叶等独特的调子,交织成和谐的香味,使男士散发出具个人风格的魅力。

大致价格:RMB550

GIVENCHY --纪梵希

1,GIVENCHY 纪梵希海洋香榭男士香水 30ml

香调:绿香及木香的香调。前味:佛手柑、黑茶蔗子、格蓬中味:薄荷叶、小豆蔻、丁香、鼠尾草后味:柏木、岩草兰、檀香木、烟草、麝香特色:自由健康的生命本质表露无疑

大致价格:RMB320

2,Givenchy 纪梵希海洋精灵男士香水 30ml

纪梵希出品的经典男士香水!

对于视well-being如命、在80年代成长的年轻新贵世代而言,Givenchy的Greenergy禅机隐然的苔绿香调,会是度过烦躁夏日的不二选择。柠檬柑橘味道的前味、胡椒和肉豆蔻的辛香中味和混合乳香、安息香的后味,为你带来一季绿色之夏。

大致价格:RMB300

3,Givenchy 纪梵希经典香榭男士香水 50ml

Insense香氛中含着优雅甜香的气息,令人不愿相信这只是男士使用的香水。其香味的转化妙不可言,据说这是男士香水中最具轻柔感和现代时尚的香氛。

大致价格:RMB520

4,GIVENCHY 纪梵希圆周率男士香水 30ml

令人精神充沛的木质味香水,是男性征服欲与表达欲的自然流露。是上世纪未Givenchy的力作,迷人的柑桔型男用香水。“π"使得男人们变得更有魅力,它证明了他的智能、他的勇气与所作出的贡献。 是一款充满激情与感性的香水前味:柑桔味、绿色植物香氛中味:具有磁性魅力的木质香基调:安息香胶晶体香调:带木质味的东方型

大致价格:RMB300

5,GIVENCHY 纪梵希红可和雨男士香水 4ml

纪梵希公司1996年出品,是一款浓郁的东方木香调男士香水,混合了浓郁的绿色植物、水果、大量香料的味道,一股来自异国的木香始终萦绕在身边。推荐浪漫时刻使用。

大致价格:RMB100

6,Givenchy 纪梵希绅士男士香水 4ml

集结木质精华的香调, GIVENCHY POUR HOMME以创新手法联结天然芳香精华,展露前所未有的 沉稳生机。水果香氛davana精华为GIVENCHY POUR HOMME带来嗅觉游戏的变幻戏码,萃取佳酿 的温热香氛,同时在芳香之中酝酿着清新香调,以苦中带甜的柑橘属、绿草、香精及芳香树脂,化 合出美妙的嗅觉平衡,在徐徐微风的载动下,打点新时代男性的优雅自信。 2002年GIVENCHY 新绅士男香重新激活「新男性」密码,兼具功能性与美学的双重调性,将抽 象、精致与特异独行的自我风格共冶一炉,同时打破传统的时空限制,以时髦风尚潇洒穿梭都会场景。

大致价格:RMB100

GUCCI --古姿

1,GUCCI 古姿Noble贵族男士香水 30ml

内涵如此吸引人,它的外观也足以让人心动。GUCCI的世界是一个温暖、感性的世界,同时也是圣洁与纯粹的世界,它用一瓶微妙而充满惊奇的香水,向每个人展示出这个世界的美。它推崇古典,对未知事物也有强烈的好奇心。香调:柑苔绿香调前味:柑橘、薄荷中味:薰衣草后味:檀香特色:稳重成熟男性的最佳代表

大致价格:RMB350

2,GUCCI 古姿Rush狂爱男士香水 50ml

GUCCI RUSH For Men清新的木质香调,传递出一股干燥、平顺的感觉。这种自然散发的男人味,将令女人觉得又爱又恨,温柔又充满了挑逗的感觉。带给男人激情、热情且充满自信的感觉。味觉包含熏衣草、柏木、檀香木、琥珀、Okoume木、杉木、灰麝香,这瓶香水非常适合懂得掌握生活的男人,在生活中悠游自在,享受无拘无束的感觉。

大致价格:RMB480

3,GUCCI 古姿Envy嫉妒男士香水 50ml

Envy妒嫉香水由Gucci古姿公司1997年推出。其名字的由来是:若让别人嫉妒,就该拥有妒嫉。妒嫉香水让你抑制对古姿品牌的恋物饥渴,其妙方是让Envy香水集设计Design欲望Desire、时尚Trendy、性感Sexy于一身。

大致价格:RMB480

Kenzo 高田贤三

1,KENZO 高田贤三清泉新款男士香水 30ml

香调:日本柠檬、莲叶、绿胡椒

2003年KENZO重新诠释了L’EAU PAR KENZO,焕然一新的设计,唯有清新的香氛依旧。

KENZO自1999年推出L’EAU PAR KENZO清泉男士香水广受全球欢迎后,2003年全新改版,创造出更适合亚洲湿热气候的全新香氛型态,除了在香调上作了年轻、现代化的调整,更改变了传统香气的释放方式,崭新姿态再出发,也由此我们更可以证明香水在流行时尚的重要地位!

KENZO L’EAU PAR KENZO Pour Homme清泉男士香水充满生气和令人振作的水,他泛起的淡淡涟漪化成了波浪状的瓶身和包装盒子,以及全新的视觉形象!清新的柑橘调,充满生机的日本柠檬、清新的莲叶及感性的绿胡椒为这瓶香水带来新的生机!独具特色的瓶子捕捉了这感性流水的动态美感,浑圆的曲线更让人轻易地掌握这充满活力和生机的水!

大致价格:RMB350

2,KENZO 高田贤三毛竹男士香水(新款) 30ml

以刀鞘及竹纹为主题的和瓶身设计,弥漫着一股沉静的紧张感,使人有如置身于广大海洋中的印象。在鲜嫩又温和的氛围中微露的爽朗,来自珍稀的紫色花瓣之香。

Lacoste鳄鱼

1,Lacoste 鳄鱼2000新款男士香水 100ml

香味清新辛辣,适合直率而阳刚的现代人。

大致价格:RMB500

2,Lacoste 鳄鱼Booster新款男士香水 100ml

资料不全,抱歉

大致价格:RMB500

1,POLO SPORT男士香水 75ml

是一款体现男人阳刚之气的男用香水。其香调主要由木香、果香、天然海藻和欧洲薄荷组成,具有清新自然之美。

适合:各种场合

大致价格:RMB550

2,Ralph Lauren ROMANCE罗曼史男士香水 50ml

Ralph Lauren的Romance Men,专为性感、温暖、浪漫的男性而设计。男人看待爱情,是一种既新奇又兴奋的感觉。这款香水属于清新森林调;融合熏衣草、柑橘与东方木质香调,参杂了细微的水果香,具有一种异国风味,让男性展现独特的狂野。在加上地中海阳光的自然香味,充满了爱恋的感受。

前味:熏衣草、柑橘。

中味:透明木质香、水果香。

后味:麝香、自然香。

香调:清新森林调。

大致价格:RMB600

3,POLO 马球男士香水 7ml

马球(Polo)古龙水于1978年推出,是素心兰香型香水的代表品牌之一,颇为西方男士推崇。 适合:各种场合

大致价格:RMB100

4,POLO 俱乐部男士香水 100ml

资料欠缺,抱歉

大致价格:RMB900

我个人认为,送这个不如吃顿大餐!!!!

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