圓周率可以等於4嗎?

注:本文內容來自泛函分析的基礎知識,如果已經對“距離空間”這一概念有所瞭解,那麼理解本文輕而易舉。 

正文:

對於圓周率Pi,想必大部分人都不陌生,這個介於3到4之間的常數深入到了數學和物理各個方面,歐拉公式,高斯分佈,傅里葉變換,廣義相對論的場方程,測不準關係......關於π的公式定理不勝枚舉。

圓周率可以等於4嗎?

在十進制中,π≈3.14159...是一個無限不循環的小數,(強行轉折)但是,有沒有可能,在某種特殊的條件下,π可以取到其他值,甚至不必是一個無理數,比如3或4呢?

想回答上面的問題,需要弄明白π的跟腳。

數學上,π被定義為一個圓的周長與其直徑之比。這個定義清晰無比,涉及到三個概念,圓,周長,直徑。其中最根本的概念是“圓”,“周長”和"直徑"都是對“圓”的特徵描述。

那麼,什麼是“圓”?

圓...圓圓的...沒有角..能...滾起來的...太陽那樣的...瞳孔...大頭兒子....就是圓?

將生活中經驗的模糊的概念抽象為精確的數學概念,是數學家的基本素養。所謂圓,幾何上來看,就是到一個固定點的距離為常數的所有點的集合。

繼續挖掘。上面圓的概念中提到了距離,那麼我們還要弄明白所謂“距離”的跟腳。

一般來說,兩點之間的距離就是連接兩點的直線的長度,等等,那直線是什麼?長度是什麼?這樣下去問題沒完沒了,還可能陷入循環定義當中。所以,我們不從原始幾何的角度,而是從代數出發,建立平面座標系,兩個點之間的“距離”,就是根據勾股定理計算的下圖中直角三角形的斜邊長度

圓周率可以等於4嗎?

直角三角形是什麼?長度是什麼?上面的表述還沒有將“距離”的概念更好的抽象出來,依賴平面幾何中“直角”、“三角形”、“長度”等概念。事實上,根據表達式,完全可以將這些概念去掉,而保留最本質的東西:

所謂距離,就是從兩個二(多)元數組P1(x1,y1)、P2(x2,y2)到非負實數集合的一種映射,即

圓周率可以等於4嗎?

就是一個多元函數。在此意義下,所謂“圓”,就是到定點P0的距離d(P,P0)=r常數的所有點的集合。

現在搞清楚了,要嘗試圓周率Pi有沒有其他可能的取值,歸根結底就是要嘗試“距離”這一概念有沒有其他可能的定義。

數學不是無源水。生活中,“距離”確實有其他含義。地圖上,直線距離,步行距離,打車距離......街道距離。如下所示的街道,規定只能沿著灰色街道上下左右行走,那麼從左下角到右上角的“距離”,就不是圖中的綠線,而是紅線、或者藍線、或者黃線。他們都是最短的路徑。也就是,兩點之間的“距離”。

圓周率可以等於4嗎?

思考一下,這樣的“距離”合不合理呢?

我們對這樣的“距離”,同樣提取其本質,抽象出精確的數學概念:這個“距離”,也是從兩個二(多)元數組P1(x1,y1)、P2(x2,y2)到非負實數集合的一個映射,即

圓周率可以等於4嗎?

在此意義上,根據“圓”的定義,也就是到定點P0的距離d(P,P0)=r常數的所有點的集合,來定義新的“圓”。特別地,我們看“單位圓”,到原點(0,0)“距離”為1的“圓”:d(P,(0,0))=1,也就是

|x|+|y|=1所表示的圖形:

圓周率可以等於4嗎?

新的距離定義下的“圓”

這,這是圓???小編,這明明是個正方形,哪裡像個“圓”?確實,這個“圓”反直覺,反生活,但在數學上完全沒有問題,定義清楚,邏輯自洽,這就是一個標準的(在某種“距離”定義下的)“圓”。

好了,我們現在可以計算"圓周率"了。這個"圓"的直徑是......等等,"直徑"是什麼?"圓"上關於"圓心"對稱的兩點之間的"距離"。容易證明,這個”圓“的直徑是定值2(還好是定值,不然就糟了)。再計算"周長":勾股定理,秒算,4根號2。等等,這不是新的"距離"定義下的"周長"。這裡的"周長",要用到新的"距離"概念。先計算四分之一"圓弧"的"長度",也就是(0,1)到(1,0)之間的連線的”長度“。(0,1)到(1,0)之間的連線,在新的距離定義下,是一條”曲線“(想一想,WHY?)我們用類似的"以直代曲"計算曲線長度的方法,計算這條”曲線“的長度:

圓周率可以等於4嗎?

"以直代曲"

等於2。

於是"周長"等於4*2=8。

於是"圓周率"

π'=8/2=4

大功告成。

奇怪嗎?先不要管結論如何奇怪,小編碼這麼多字的目的,不是為了故弄玄虛,而是希望各位可以通過上面的過程,體會到數學的過程和方法、她的抽象性和邏輯性,以及如何思考和解決問題。

最後,留一個小問題,除了3.14159...和4,“圓周率”還可以取到其他值嗎?比如,3?


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