03.05 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


π是无限不循环小数,这点大家都知道。π有无数位,是一个超越数,我们永远也算不尽π的确切数值。但是自打π诞生以来,数学家们就想通过各种方法得到π最精确的数值。虽然现代社会拥有了超级计算机,也无需再使用原始的割圆术进行计算,仅仅凭借有关π的级数公式就可以得到π小数点后面数千万亿位,但继续计算π的更多小数点后面的数字仍是许多人的乐趣。



像π一样有趣的数不多,我们知道的也就是自然对数的底数e,它和π一样是无限不循环小说,经常出现在各种公式里面。正是因为稀少,所以π后面小数位数的计算成为了人们闲暇之余的一种乐趣。而能够计算出来多少位数的π值,也成为了衡量一个超级计算机计算能力的指标之一。



其实说实话,不要说10万亿位π值,即便是50位都已经足够我们利用π做各种计算了。现实中我们根本就不需要这么精确的π值,只能够说人们计算π值,纯属于一种想要算尽π值的执着吧。


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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


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


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。


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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。


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圆周率π是周长和直径的比值,在物理和数学中有着十分重要的地位,但圆周率在一般应用中取3.14就够了,在高精度的航天和其他领域, 圆周率取到15或者16位就足够用了,精度完全能满足需要,圆周率取的越“长”,精度就越高,用40位圆周率计算整个可观测宇宙大小的话,误差只有半个氢原子。

人类文明很早就开始求圆周率了,但是人工方式终究是费时费力进展缓慢的,1949年人类第一台计算机ENIAC用70个小时把圆周率算到了2017位,此后人类的圆周率位数便开始了爆炸性增长,1973年圆周率突破了100万位,好事者还把它印成了书,1989年突破十亿,1995年突破64亿,目前圆周率位数已经达到了1000万亿位以上了,现在的圆周率唯一的作用就是测试计算机性能,圆周率的位数已经越来越取决于计算机的开机时间了。



人类虽然已经无法和计算机比了,但也找到了关于圆周率的另一个活动,目前人工背诵圆周率的记录的保持者是吕超,他用24小时背诵了圆周率小数点后67890位,但有人吹牛说自己对圆周率可以倒背如流...

关于圆周率还有一个有趣的事实,那就是正规数,圆周率小数点后的每一个数字的出现概率都是相同的,这说明圆周率中包含过去现在和未来的所有数字组合,我们每个人都身份证号和银行卡密码都能在圆周率中被找到,但我们可能无法把它们提取出来。

早在1909年就有人提出了“无限猴子打字机”想法,意思是说如果无限只猴子在无限多的打字机上面乱敲乱打,那么它们早晚有一天能打出世界上所有的文学作品,甚至是还没有问世的文学作品,刘慈欣当年在《诗云》中描述了一个宇宙神级文明的故事,这个文明在最后为了打败李白而把古往今来所有的诗都写了出来,但写法只是将汉字的所有排列组合都试了一遍而已。


宇宙探索未解之迷


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


把圆周率(π)计算到10万亿以上有什么用处?

除了测试超级计算机和高科技算法以外,将圆周率计算到这种精度几乎没有实际用途,因为大多数圆周率的应用精度只需要十几位或更少。

例如,NASA在计算中对π的使用精度最多也就精确到小数点后15位数字。根据数学家詹姆斯·格里姆的说法,用39位数字,我们就可以计算出已知宇宙的周长,并使其误差在单个氢原子的宽度之内。

圆周率(π)的实际用处

尽管如此,π本身还是非常有用的,因为它与圆有关,我们可以在三角学(研究数学的一个分支,检查三角形的长度和角度之间的关系)和几何学的许多公式中找到它的影子。

π除了在几何和三角学有应用以外,它还可以帮助科学家了解自然界中包含圆形的物体和现象,例如行星的轨道或飞行器的运行轨迹预测。

关于圆周率(π)的有趣故事

从表面上看,π是希腊字母的第 16 个字母,但是在数学中,π 用来表示一个特殊的数字(圆的周长与圆的直径之间的比值),但是无论是大圆还是小圆,其比值始终相同(大约为3.14159)。最特殊的是,π还是一个无理数,即无穷大的“非重复”数,换句话说,π小数点后的数字个数将会永远算不尽。

尽管如此,世界各地无数的圆周率发烧友还是受到了启发,他们尝试将π尽可能多地记住和背诵。日本记忆大师原口晃是非官方的π记忆记录持有者:2006年,他背诵了π的111,700位数字,尽管吉尼斯世界纪录尚未对该记录进行验证。而获得吉尼斯官方认证的世界纪录保持者是来自印度的Rajveer Meena,他在2015年的10个小时内记下了π的70000位数字。

圆周率(π)的推算历史过程

π的最早书面估算来自古埃及和巴比伦尼亚,距今已有近4000年的历史。来自公元前1900年左右的巴比伦泥土板上显示的π值为3.125,而来自公元前1650年的埃及莎草纸则记录了π为3.1605。

图注:圆周率的历史推算时间表

后来,大约在公元前250年,伟大的古希腊数学家阿基米德发现可以使用几何方法来推算π的近似值,并且发现π可用于计算球体的表面积和体积。

同样,大约在公元480年,才华横溢的我国数学家祖冲之用割圆术将π的近似值精确到了3.1415926和3.1415927之间,这个精度在当时领先了世界1000多年。

在发明计算器和计算机之后,π的计算变得简单了。1949年,弗格森用台式计算器把π精确到了小数点后1120位数字。第一次尝试用计算机计算π的尝试是在1949年在ENIAC(第一台通用电子计算机)上进行的,在耗费了70个小时之后,计算机把π计算到了小数点后2037位,到1967年,该记录已达到50万位数,到如今圆周率的精确值早已超过了10万亿位了。

下面教你用最简单的方法来估算圆周率

首先,我们需要准备下面几样物品,一个较为完美的圆(罐子的圆盖子是个不错的选择)、一条非常细的绳子、一条精度较高的直尺,准备好了上述物品后我们就可以开始测量了。

第一步,用绳子尽可能精确地测量出圆的周长(周长是绕圆的整个边缘一圈的长度),由于圆周是圆形的,因此圆的周长可能很难测量(这就是π如此重要的原因)。

图注:用绳子测量圆的周长

第二步,测量圆的直径,直径是从圆的一侧穿过圆的中心点到另一侧的长度。

图注:用直尺测量圆的直径

第三步,使用公式(C =π* d )计算圆周率的近似值,π等于圆的周长除其直径。

图注:用公式计算π的值

第四步,用几个不同的圆圈重复此过程,然后取平均结值。我们测量的任何圆可能都不是完美的圆,但是随着测量的次数多了后,再计算它们的平均值就可以算出比较精确的π值了。

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科普子期君


答:计算圆周率是数学家的兴趣,也能检验计算机的综合性能。


圆周率算法

圆周率是数学中最重要的常数之一,现在的计算机可以很轻松地计算圆周率数万亿位,在计算机没有诞生以前,数学家计算圆周率经历了几何算法和分析算法,计算效率非常低。

比如圆周率在德国又叫做鲁道夫数,原因是十七世纪,德国数学家鲁道夫·范·科伊伦,在后半生的10多年时间里,利用几何算法把圆周率精确到小数点后35位。


分析算法的出现,大大提高了圆周率的计算效率,比如印度数学家拉马努金发现的这两个公式,可以很容易用手算把圆周率精确到一百多位:

拉马努金这两个圆周率公式,收敛速度非常快,比如我们只需要把第二个公式取第一项,就可以得到小数点后的八位精度:

计算机出现后,涌现了大量有利于计算机的算法公式,比如著名的梅钦公式,就是常用计算机算法公式之一。

还有高斯-勒让德迭代算法,每迭代一次,获得的圆周率精度就可以翻一倍,收敛速度非常快,迭代25次就可以获得4500万位圆周率小数精度,但是对计算机内存要求非常高。


计算圆周率的意义

要说计算圆周率的意义,一来数学家对圆周率都有着特别的爱好,圆周率作为数学中最重要的常数,在圆周率中隐藏了很多数学秘密,数学家也希望通过研究圆周率,来发现其中的秘密。

比如上面,就是十亿位圆周率小数中(十进制),出现数字0~9的频率,随着数值的增加,十个数字出现的频率应该趋近于0.1,但是数学家还是希望从中得到不一样的结果。


二来,圆周率的计算,可以用于检验一台新计算机的性能,因为圆周率计算公式中,每一次迭代的算法步数都是可以确定的,计算机可以通过计算圆周率,来检验计算机硬件的性能,比如在某些手机性能测试软件中,就有计算1000万位圆周率浮点小数用时。


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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?


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