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为什么微积分的发明开创了圆周率计算的新纪元?

在牛顿和莱布尼茨发明微积分之前,数学家主要利用阿基米德的几何方法(即割圆术)来计算圆周率π。但是,要用割圆术求出较高精度的π值,需要计算很多边数的正多边形的边长或面积,这不是一件容易的事,鲁道夫·范·科伊伦花费了大半生的时间才将π算到小数点后35位。要求出更高精度的π值,单用几何方法已经是力所不能及了。

17世纪微积分发明,使圆周率的计算进入了采用分析方法的时代。基于微积分和幂级数展开理论,人们发现了一系列用无穷级数表示的π的计算公式,这些公式不依赖于割圆术。第一个例子由苏格兰人格里高利于1671年得到,他利用arctanx的积分表示,得到了无穷级数展开式

令x=1,就得到

上式右端称为莱布尼茨级数,它不含根号,具有十分简单的形式,但其收敛速度很慢,还不适用于实际计算π,即使算300多项也算不出小数点后2位的准确数字。

1706年,数学家梅钦巧妙地改造了格里高利的公式,得到

将格里高利级数代入,就得到收敛速度很快的级数表达式,这是π的第一个快速算法。梅钦本人用此方法计算π值到小数点后100位。以后,又陆续出现了计算速度更快的类似公式,统称为梅钦类公式

伟大的数学家欧拉也为我们留下了许多有关π的重要公式,例如他证明了下面这些公式

等等。

历史上,留下了各种各样含有π的计算公式,可以说数不胜数,所有这些公式的推导都离不开微积分。因此,微积分的创立极大丰富了计算π的方法。直到今天用电子计算机计算π的时代,其算法仍然是基于微积分推导出来的。例如,2002年算至1万亿位小数的算法,就是基于如下梅钦类公式

可见,微积分发明开创了圆周率计算的新纪元。

【知识点】布丰与投针实验

1777年的一天,法国数学家布丰在一张纸上画了很多条距离相等的平行直线,将许多等长的小针随意地投在纸上,小针的长度恰好等于相邻平行线距离的一半。布丰一共投了2212次,结果与平行直线相交的共有704根。总数与相交数的比值为3.142。布丰证明(这里需要用一点定积分知识),投的次数越多,这个比值就越接近π。后来,有许多人步布丰的后尘,用同样的方法计算π值。1901年,一位意大利数学家进行了多次投针试验后,得到了π的值约为3.1415929,与π的精确值相比,直到小数点后七位才出现不同。

【发散思维】你能证明梅钦类公式吗?

【本文关键词】圆周率 阿基米德算法 刘徽割圆术 梅钦类公式