02.26 目前圆周率已经达到10万亿位了,为何超级电脑还在不停地计算圆周率?计算圆周率有什么用处?

罗上林


首先,圆周率对于我们普通人来说,在生活中除了数学上很少会用到它。但是对于科学来说,它的用处是有很多的。以下简单为大家介绍一下,为什么我们要一直算圆周率呢?

第一,测算计算机的计算性能。这一点也是最为主要的,计算机处理能力越强,计算速度越快,在越短的时间之内计算出的小数点位数越多越精准,这就说明计算机处理数据的能力越强,这台计算机的大脑也就越强大。当然,即使是超级计算机它内部的位数也是有限的,这时不同的算法对于计算速度也有着极大的影响,优化算法往往能够收获奇效,一般来说收敛速度越快的算法计算圆周率的效率也就越高。

第二,对未知的探索。古往今来,π的神秘性吸引了一代又一代的科学家去探索,无数科学家论证过这一问题,也都无数次推演出同样的结果。这始终是一个数学上的问题,正是因为探索永无止境,所以还是想要计算,直到能够尽可能地算出它最精确的数值为止。

当然,除了以上两点,还有很多是科学家们要一直让计算机计算圆周率的原因,大家还知道哪些呢?


cal仔知道一切


π是无理数,这意味着它是一个实数,不能用一个简单的分数来表示。当我们刚开始学习π时,老师会告诉我们π的近似值是3.14或3.14159。虽然π没有确切的值,但许多数学家和数学迷都想要把这个数值算的更精确,这是一种兴趣。



之前谷歌的一名员工计算π值达到了31万亿位,打破了2016年的记录22万亿位,这是怎么计算的呢?这个员工使用了谷歌的云计算服务,花费了121天,利用了170TB的数据才完成。

除了兴趣,还有一些公司非常喜欢计算π值,因为计算π值成为了测试超级计算机能力的一种方法,随着计算的进行,计算机很难在硬件程序中断或故障中生存下来。其实这么多π值是没有用的,这几万亿位π值早已超过了人类所需的位数。


在基本数学中,经常用π来求圆的面积和周长,π在建筑和建筑、量子物理、通信、音乐理论、医疗程序、航空旅行和太空飞行等大多数计算中都会用到。美国宇航局经常使用π来计算航天器的轨迹,举一个例子,卡西尼号飞船用来完成土星卫星土卫六飞行的机动飞行时都会用到π值,但是也只需要13位左右。而美国宇航局的精密计算也只需要16位π值……计算宇宙也只需要40位。





所以现在计算π值是为了其他方面,和计算已经无关了。


宇宙与科学


对于我们日常生活应用来说,π=3.14就够用了,这就是小学毕业的要求。

如果是工程上用,π=3.1415927也足够用了,也就是计算器的精度。

那么如果继续计算圆周率,到100位、1万位,其实已经不是实用价值,而是数学研究价值了。

1,信念,验证无限不循环

π肯定是无限不循环的,不需要验证了。但是,作为数学的信念,我们就想验证一下。这种信念不仅仅在数学家中有,在其他学科领域、行业领域也有。

2,研究和验证各种π的计算方法

我们学校里只讲了祖冲之的割圆术,其实求π的方法很多,因为很多数学公式里都有π,反过来就是π的计算方法。研究不同的方法,也验证各种方法。有时,在π的圈子里还有比赛和竞争,追求哪个方法能更快速计算π,或者更简单计算π。

3,跑分,考验计算机的能力

π的计算,是一个纯算术的任务,用这个任务可以比较各家公司的超级计算机产品的能力。就像鲁大师跑分。

实际上,计算机计算π还是有点技巧的,毕竟计算机内部的位数是有限的,要计算一个有效数字上万位的实数,已经需要专门做数据的安排了,甚至计算机内存都不够。于是,这里涉及到很多计算机能力了。

4,附带的小应用,如果一个文件加密的密钥是π呢?

告诉你:“密钥是π的小数点后12846位至12945位。”这种加密方法是有人用过的。


海螺008


圆周率在数学上早已被证明是一个无理数,这意味着它的小数点后有无数位不循环的数。目前为止,通过计算机算出的圆周率小数点位数早已超过10万亿位。根据维基百科给出的数据,Peter Trueb在2016年创下了世界纪录,他用计算机耗费105天的时间把圆周率的小数位算到22.4万亿位。

显然,圆周率的小数位取得越多,计算结果也就越精确。虽然圆周率的小数位已经可以精确到很多位之后,但我们通常使用的也就两位,此时计算圆周长的误差大约为0.05%,这已经满足一般精度。如果取五位,误差将会降到0.000084%。

NASA科学家表示,即便在精度要求极高的航天领域,他们也只会用到圆周率小数点后的15至16个位。在理论物理学中,与圆周率有关的基本常数计算也只会用到前32位。如果用40位来计算可观测宇宙的尺寸,它的误差将会小于氢原子半径。因此,把圆周率的小数位计算到万亿位对于实际应用已经没有意义,几十位的精度已经完全足够人们使用。

至于为什么超级计算机经常被用来计算圆周率,主要的原因就是为了测试计算机的计算性能。在越短的时间之内计算出的小数点位数越多,表明计算机的计算性能越强。当然,这还与圆周率的算法有关,收敛越快的算法(都是无穷级数)计算圆周率也就越高效。

另外,还有人类记忆圆周率的比赛,目前的世界纪录已经超过7万位。


火星一号


题主说的数据有点早,现在的电子计算机已经把圆周率计算到1000万亿位以上了。

圆周率是个无限不循环的数,很多人认为圆周率可能是个正规数。

什么是正规数?

正规数通俗来讲:就是小数点后每一位出现特指数字的几率是相等的。

这就意味着着只要样本足够大,那么所有的信息都可以包含在圆周率内。

现在的电子计算机运算能力有限,如果出现量子计算机。那么圆周率可能被计算到万亿亿亿...位。



如果我们把圆周率内的十进制数字转化成二进制。那么二进制就可以表达任出人类认知事物的任何知识和思想。

比如安卓底层代码,大英百科全书,各种小说都有二进制代码。只要把圆周率无限计算。总会找出一连串数字对应的二进制代码刚好是安卓系统的代码,刚好是Windows系统的代码,甚至是人的基因遗传图谱。

不信可以说一下,随便说出一个八位数,几乎都能在圆周率小数点后十亿位找到。

你现在的大脑不管在思考什么事物,总会被语言描述出来,而这些语言都可以转化成二进制,再转化成十进制。而这些十进制数学串都可以在圆周率内找到。也就是说你现在的所思所想都按照某种法则早已刻录在圆周率内了!是不是细思极恐?

比如我今天答题的时间是公元2019年1月17日,对应的十进制数字是20190117。

那么我现在找一下20190117在圆周率小数点后的多少位后开始出现。

于是我打开了一个专门统计圆周率的网站,输入数字,于是发现

20190117这八位数出现在圆周率后的第57444571位,也就是千万位后,还没有达到亿位。

你也可以顺便输入你的身份证号码,网站密码什么的,都会出现在圆周率上。


我甚至认为整个宇宙的所有信息都有可能被在圆周率内蕴藏着,比如某个星系内的物质构成信息,黑洞的质量等等信息。

现在的计算机能力还是不够,如果量子计算机出现了,圆周率的位数又会被指数爆炸式挖掘出来。


科学认识论


圆周率的计算机时是很有意义的。 其一,目前各国的很多超级计算机都是通过运算圆周率来检测他的运力。大家都知道圆周率是一个永不重复的小数。他的存在跟我们的生活有很多微妙的联系。打个比方说我们的身份证号码,每一期的六合彩号码。银行卡密码。这些数字的排列都可以在圆周率里面找到。圆周率的计算方法是把一个圆分割成无限个三角形来计算它的周长。这样的计算方法是让他无限的接近圆周长。到现在为止。圆周率还没有算尽,就证明人类还无法计算出一个真正圆的周长。其实这是一个很矛盾的问题。一个圆是有他真正的周长的。但目前为止,人类还无法计算出一个圆的真正周长。

试想一下。如果人类有一天能真正的算出圆周率。而这个圆周率是可以算尽的话。而这些又颠覆了人类的认知。我门所有的认知都可能会被颠覆。包括我们的电脑,阳光宇宙都会颠覆所有的认识。以我们现在的认知。光是直线运动的。宇宙是有边的,既然宇宙有边为什么圆周率他算不尽,如果圆周率算尽了,那反倒又证明了没有真正的直线存在。光也不是循直线运动的。所有的这些本来就是一个互相矛盾的问题。这也是到目前为止,科学家要尽其所有的去计算圆周率的意义所在。


何以解忧唯有暴富168


首先,π确实是无理数,相信多数人是知道的,某人人怀疑是不是因为人类无法算出足够多的位数,才造成π是无理数的“假象”,事实并不是这样的,数学家早已经证明π就是无理数,如何证明的?也不难,可以搜索了解下!

既然知道π是无限不循环的数,为何人类如此执着计算π的位数呢?

通常情况下,π取3.14就能满足我们的要求,在上学时我们也经常这样选择。而在需要更精确的航天科技等领域会把π取到小数点后5位数,再多的话基本上就很难用到了!

之所以很多超级电脑如此执着,更多的还是想检验电脑的性能,因为如果能用更多的时间计算出更多的π的位数,说明计算机的性能确实很强大!

同时,只能说还夹着人类的一个“癖好”或者说好奇心,我们想知道π到底是如何“无限不循环”的,甚至心里有种信念万一找到π小数点后的某种规律呢?或者万一找到π的终点呢?(虽然我们知道不可能)当然,人类更像用不断地计算π展现大自然的神奇。

同时,还有一个关于背诵圆周率的吉尼斯世界纪录,我国一位名叫吕超的天才能够背诵圆周率小数点后67890位,经过24小时的鏖战才背诵完成!


宇宙探索


圆周率π,是任意一个圆周长和直径的比值,这个数约等于3.14,这是我们小学就开始接触的一个无理数,它的最大特点就是无限不循环,没有任何规律可言。

可就是这样一个数,却掀起了人类对它的计算狂潮,超级计算机已经将它算到10万亿位了,许多人也把背诵圆周率当成是一种特长,但既然已经知道它是无限不循环,计算圆周率有什么意义呢?

计算机领域的应用

圆周率π在计算机领域是一把标尺,用于检验计算机性能。如果面前有两台计算机A和B,想要知道哪台配置更优越,可以用这两台计算机来运算π,利用相同的计算公式,谁的运算速度更快,算出π的位数更多,谁的性能就更好。

如果计算π的过程中出现了错误,那说明计算机的软硬件设备存在故障,需要重新调整。最经典的案例就是1986年,利用圆周率运算检测出了CR-AR2型号的电子计算机硬件的BUG;英特尔当年在发布奔腾系列的处理器时,也利用运算圆周率找到了设计上的BUG。

前几天我们看到的黑洞照片,是用了整整2年时间进行数据处理才得到的,超级计算机起到了至关重要的作用,也间接说明了π能够促进科学技术进步。

数学领域的应用

在中国古代,圆周率π是运用割圆法计算的,将一个圆内接正多边形,一直分割无限逼近圆形,而现在π的计算主要是以无穷级数为主,这其中就涉及到了计算圆周率的许多不同公式。

斯托默计算圆周率的公式

高斯计算圆周率的公式

利用同一台IBM计算机将圆周率π运算到小数点后的1万位,斯托默的公式用了8小时43分钟,而高斯的公式用了8小时零1分钟,显然是高斯的公式更高效简便。圆周率π在数学上的用途是可以检验公式的优缺点,许多含有π的公式都可以用这种方法来检测,促进数学发展。

密码学领域的应用

为了防止信息被泄露和篡改,通常会对重要信息进行加密,密码学就孕育而生了。密码学中利用数字加密是最常见的,但加密的数字从何而来?如果从已有的特殊数字或书籍页码等方面找寻数字,很容易被破译,最优的方法是找到一个完全随机的数字,如果利用计算机生成,这个数字一定不是完全随机的,因为程序可以被破解,这时圆周率就派上用场了,它能够生成真正完全的随机数。

统计π小数点后1000位的数字中,0到9各自出现的频率,可以发现0到9出现的概率都非常接近10%;如果统计2位数字,00到99之间各个数字出现的概率,能够发现只要小数点后的位数足够多,概率都非常接近;π的小数点后1万位中,前位大于后位共计4515次,后位大于前位共计4545次,π在震荡方向上是满足随机性的,各个位数都具有随机性,这就是π的小数位产生随机数的原理。

锻炼记忆力

人脑由上百亿个神经元组成的,人脑的容量比美国国会图书馆要高50倍,比一台普通计算机的存储量更大,记忆力也被证实与学习能力有密不可分的关系,但普通人都没有开发自己的记忆空间。记忆和背诵圆周率并不是死记硬背,而是通过更好的方法来训练自己的记忆能力,能够背诵1000位甚至更多位圆周率的人,靠的肯定是独特的记忆方法和不断的训练。

中国的茅以升和华罗庚都背诵过圆周率,π也是锻炼脑力的一种工具。


科学薛定谔的猫


关于用来验证无限不循环和机器性能等,前面的几位已经谈过了,不再赘述。

其实,圆周率的精确是有现实意义的。在这里我想谈谈混沌系统。

庞加莱对“三体”问题的回答

1900年,法国数学家兼物理学家庞加菜对自从牛顿时代就困扰数学家的所谓“三体问题”或"n体问题”做出了一项重大贡献。牛顿定律应用于行星运动时是完全确定的,故此也就意味着,如果你知道行星的初始位置和速度,那么你就可以准确地确定它们在未来(或过去)的位置和速度。问题是,初始测量,不管测量得多么谨慎,始终达不到无限的精确,总是有微小的误差。起初人们并不觉得困扰,因为他们认为,只要减小初始测量的误差,就能减小预测客案的误差。

庞加菜发现,简单的天文系统确实存在这样的规律,即减小初始不确定性总能减少最终预测的不确定性,可一旦天文系统内包含了3个或了个以存在相互作用的轨道星体,情况就不是这样了。事实上情况恰恰相反!他发现,即使初始测量上只有极微小的差异,随着时间的推移,也会扩展变大,产生一个非常不同的结果,远大于数学计算预期的比例。

此类系统(现在称为混沌系统)对初始条件的极端敏感性叫做“动态不稳定性”或“混沌”,长期数学预测的准确性和随机预测的准确性相当。这也就是说,混沌系统的问题在于,用物理规律进行精确的长期预测,在理论上安慰.就是不可能实现的。

因此,更为精准的圆周率可能对于一些复杂的计算有着重大意义,而并非只是人类的爱好。而在这个超级计算机大量存在、巨量计算已经不是问题的今天,利用更加精确的计算无疑对大范围、大尺度时间和空间问题的预测有积极作用。





ChemWhat


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10^77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。


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