Как вычислить число пи на компьютере

Обновлено: 07.07.2024

Самый простой и легкий в реализации метод.

Рассмотрим произвольный квадрат с центром в начале координат и вписанный в него круг. Будем рассматривать только первую координатную четверть. В ней будет находиться четверть круга и четверть квадрата. Обозначим радиус круга r, тогда четверть квадрата тоже будет квадратом(очевидно) со стороной r.

Будем случайным образом выбирать точки в этом квадрате и считать количество точек, попавших в четверть круга. Благодаря теории вероятности мы знаем, что отношение попаданий в четверть круга к попаданиям 'в молоко' равно отношению площадей - пи/4. Вот, собственно, и весь алгоритм. Чем больше взятых наугад точек мы проверим, тем точнее будет отношение площадей.

Вот простенькая программа на Паскале, считающая пи этим способом. Четыре первых знака требуют на моем PentiumII-300 около 5 минут.

Однако, как говорил Козьма Прутков, 'нельзя объять необъятное', что, в применении к данному случаю, можно перефразировать так: нельзя просуммировать бесконечное число слагаемых за конечное время, каким бы быстрым компьютером мы не располагали.

Слава Богу, этого и не требуется. Поскольку мы хотим найти не точное значение PI, а лишь его приближение с пятью верными десятичными знаками, нам достаточно просуммировать такое количество первых членов ряда, чтобы сумма всех оставшихся членов не превышала 10 -5 .

Остался, правда, открытым вопрос о том, сколько же все-таки членов ряда нужно просуммировать, чтобы получить результат с требуемой точностью?

Ответ на этот вопрос в 'общем виде' выходит далеко за рамки настоящего обсуждения. Это отдельная тема в курсах математического анализа и численных методов.

К счастью, данный конкретный ряд позволяет найти очень простое правило, позволяющее определить момент, когда следует прекратить суммирование. Дело в том, что ряд Грегори является знакопеременным и сходится равномерно (хотя и медленнее, чем хотелось бы). Это означает, что для любого нечетного n , сумма первых n членов ряда всегда дает верхнюю оценку для PI, а сумма n +1 первых членов ряда - нижнюю.

Значит, как только разница между верхней и нижней оценками окажется меньше, чем требуемая точность, можно смело прекращать вычисления и быть уверенным, что как та, так и другая оценки отличаются от истинного значения PI не более, чем на 10 -5 . В качестве окончательного результата разумно взять среднее значение между полученными верхней и нижней оценками. Таким образом, можно предложить алгоритм, приведенный ниже.

При реализации этого алгоритма на машине следует помнить, что ряд Грегори сходится достаточно медленно, и поэтому n может принимать довольно большие значения.

Для вычисления сколько-нибудь большого количества знаков пи предыдущий способ уже не годится. Но существует большое количество последовательностей, сходящихся к Пи гораздо быстрее. Воспользуемся, например, формулой Гаусса:

p	= 12arctan	1	+ 8arctan	1	- 5arctan	1
4		18		57		239

Доказательство этой формулы несложное, поэтому мы его опустим.

Исходник программы, включающий в себя 'длинную арифметику'

Программа вычисляет NbDigits первых цифр числа Пи. Функция вычисления arctan названа arccot, так как arctan(1/p) = arccot(p), но расчет происходит по формуле Тейлора именно для арктангенса, а именно arctan(x) = x - x 3 /3 + x 5 /5 - . x=1/p, значит arccot(x) = 1/p - 1 / p 3 / 3 + . Вычисления происходят рекурсивно: предыдущий элемент суммы делится и дает следующий.

Конечно, это не самые эффективные способы вычисления числа пи. Существует еще громадное количество формул. Например, формула Чудновского (Chudnovsky), разновидности которой используются в Maple. Однако в обычной практике программирования формулы Гаусса вполне хватает, поэтому эти методы не будут описываться в статье. Вряд ли кто-то хочет вычислять миллиарды знаков пи, для которых сложная формула дает большое увеличение скорости.

Берем три нечетных цифры и пишем их по два раза: 11 33 55.

Делим на две тройки, и ставим первую тройку в числитель, а вторую знаменатель: 355/113.

Результат равен 3,1415929, а точное число Пи равно 3,1415926. Погрешность в 0,0000003 (0,00001 %) вас устроит?

Если нужно побольше знаков, то достаточно запомнить стишок: "Это я знаю и помню прекрасно: пи многие знаки мне лишни, напрасны". Число букв в каждом слове этого короткого стишка соответствует цифре в числе пи. Таки образом, получается 3,14159265358. Точность колоссальная, которая в реальной жизни никогда, никому и нигде не понадобится. В этом еще один смысл этого остроумного стишка. Кстати, такие стихотворения, причем намного более длинные, есть в английском, немецком, французском и других языках. Иногда они очень забавные. Например (в английском) в переводе будет что-то вроде "как же хочется выпить глоток виски после сдачи трудного экзамена по квантовой механике". Есть и значительно более длинные, целые поэмы!

В создании этой статьи участвовала наша опытная команда редакторов и исследователей, которые проверили ее на точность и полноту.

Количество источников, использованных в этой статье: 7. Вы найдете их список внизу страницы.

Команда контент-менеджеров wikiHow тщательно следит за работой редакторов, чтобы гарантировать соответствие каждой статьи нашим высоким стандартам качества.

Пи (π) — одно из самых важных и интригующих чисел в математике. Эта константа, примерно равная 3,14, используется для вычисления длины окружности с учетом ее радиуса. [1] Это также иррациональное число, то есть оно может быть вычислено до бесконечного числа знаков после запятой. [2] Это не так-то просто сделать, но все-таки возможно.

Проведите эксперимент. Оказывается, Пи можно найти, проведя интересный эксперимент под названием метод иглы Буффона, [6] который стремится определить вероятность того, что случайно брошенные иглы приземлятся либо между нарисованными равноудаленными параллельными прямыми, либо пересекут ровно одну прямую. Если расстояние между прямыми равно длине иглы, то отношение числа бросков, когда игла пересекает прямую, к общему числу бросков стремится к 2/Пи. Также можете попробовать провести эксперимент с хот-догами (перейдите по ссылке в начале шага).

Ученые и математики не могут определить точный способ вычисления Пи, так как они не могут найти настолько тонкий предмет, чтобы вычисления были точными. [7]

Самый простой и легкий в реализации метод.

Школьный алгоритм вычисления Пи В 1671 году Джеймс Грегори установил, что:

Этот результат позволил Лейбницу получить очень простое выражение для PI, а именно:

или, после умножения на 4:

Доказательство этой формулы несложное, поэтому мы его опустим.

Привет ЛОР. Как вычислить точное число Пи? Зачем? Да интересно стало сколько его будет вычислять мой ПК (cpu точнее, расчеты на gpu не берем). В идеале хотелось бы задать много-много знаков, ну хотя бы 20к знаков числа Пи как вычислить? В программировании я ноль.

Линукс тут при том, что вычисления будут вестись в нем, ведь всем известно, что все супер-пупер компьютеры работают на Линуксе.

Его нельзя вычислить максимально точно, оно иррациональное.

Можно, если работать с системой счисления с подходящим основанием - например, с пи-ической.

Выбирай свой любимый язык программирования:

П.С. Гугл знает всё!

В идеале хотелось бы задать много-много знаков, ну хотя бы 20к знаков числа Пи как вычислить?

Прекрати прогуливать уроки. Твой учитель математики вам об этом рассказывал.

ты ноль не только в программировании.

Математику я прогуливал когда она была в школе, мне она не нравилась. А сейчас на заочке на вышмате упомянули про число Пи, вот я и задумался.

karton1 ★★★★★ ( 27.01.18 19:24:39 )
Последнее исправление: karton1 27.01.18 19:25:02 (всего исправлений: 2)

вычисляй сразу pi^e

А чем это круче чем вычисление числа Пи? Я помню что это как то связано с Эйлером.

Забавный факт. При попытке открыть в браузере файл с числом Пи вычисленным с точностью до миллиарда ПК завис. Файрфокс последний, cpu ryzen 1500x. Пишу с xiaomi.

одно трансцендентное иррациональное число в степени другого иррационального трансцендентного числа - это разве не весело?

Мда, выглядит мощно.

Так ты мазохист?

Почему ты так решил?

Математику я прогуливал когда она была в школе, мне она не нравилась. А сейчас на заочке на вышмате

Или я что не понял.

Я вот в школе терпеть не мог только одну вещь - русский язык и литературу. Как вспомню про сочинения, аж в дрожь с тошнотой бросает. Вот бы поступил на филологический :D

fornlr ★★★★★ ( 27.01.18 19:38:43 )
Последнее исправление: fornlr 27.01.18 19:39:33 (всего исправлений: 1)

Хах, у меня наоборот. Я был самый читающий в школе, меня даже награждали за это, книгу подарили из библиотеки, лол, поэтому русский язык и литература были вообще не проблемой, я их тупо знал, даже не учил. А вот математику я быстро освоить не могу как это требовали на уроке, а дома изучать скучно было, компа и интернета к тому же не было, я просто обкладывался книгами и читал. Фантастику всегда любил, научную, про космос там, будущее.

Это инцест, если учесть, насколько эти два числа тесно связаны.

Продолжаю наблюдение. ПК так и не отвис, черный экран и курсор. Курсор еле-еле шевелится и тормозит при движении. Математика мощная штука ;).

А мог и просто бесконечный цикл с вычислениями степеней рандомной лажи запустить, киловатты утекли бы туда же.

Представляете, мы живем в эпоху технологического прорыва, но до сих пор не можем точно рассчитать площадь съеденного круглого торта? Все потому, что в формуле вычисления площади круга используется число π.

От автомобильного колеса до орбиты спутника, от часового механизма до электромагнитных и звуковых волн. В любой научной области есть расчеты, и практически в любом расчете не обойтись без числа пи. Даже там, где, казалось бы, окружности нет места, например в статистике.

Что такое число пи

Число пи — это отношение длины окружности к ее диаметру. Обозначается оно буквой греческого алфавита π. Если записать это отношение математическими символами, то выглядит оно так: π = C/d, где C — это длина окружности, а d — диаметр окружности. То есть π — это результат деления длины окружности на ее диаметр. Но само по себе число пи не является каким-то параметром окружности. Это математическая постоянная, или константа (то есть неизменная), которая нужна для расчета определенных данных. Например, число пи необходимо, чтобы посчитать площадь круга.
Число пи — это результат деления длины окружности на ее диаметр

Чему равно число пи

Число пи не имеет точного значения. Это легко проверить. Возьмите круг любого размера, разделите его окружность на диаметр — у вас получится десятичная дробь с множеством цифр после запятой. Математики называют такие числа иррациональными. Результат, который вы увидите, будет равен 3 целых и сколько-то десятых, сотых, тысячных — и далее насколько хватит дисплея калькулятора. У числа пи бесконечное количество символов после запятой. Но для удобства в расчетах используют округленные значения.

π = 3,14

π = 3,1415926535

Как посчитать число пи самостоятельно
Возьмите несколько круглых предметов разного размера, например тарелку, блюдце и крышку от кастрюли. Измерьте окружность каждого. Для этого используйте сантиметровую ленту. Или можно обернуть их по окружности ниткой или веревкой, а потом полученную длину нитки или веревки измерить линейкой. С помощью сантиметровой ленты или линейки измерьте и диаметр каждого предмета. Длина окружности и диаметры у каждого будут разные, ведь предметы разные по размеру. Теперь для каждого предмета разделите его длину окружности на диаметр. Вы увидите, что во всех случаях, какого бы размера ни был круглый предмет, полученное значение будет 3 целых и далее десятые и сотые доли. Оно необязательно соответствует принятому значению в 3,14, но всегда будет около него.

Какого бы размера ни был круглый предмет, при делении длины его окружности на диаметр получится 3 целых и далее десятые и сотые доли — приблизительно 3,14

В школе нас учат использовать число пи для вычисления площади круга. Рассчитывается она по следующей формуле: S = πr², где S — площадь, π — число пи, r² — радиус в квадрате. Можно использовать эту формулу S = πd, где d — диаметр. Ведь мы знаем, что диаметр равен радиусу, умноженному на два.

Зная число пи и диаметр, можно посчитать длину окружности. Для этого вспомним школьные уравнения. Если π = C/d, то С (длина окружности) высчитывается по формуле С = πd.

Но применение числа пи в науке гораздо шире. Оно используется практически для любых расчетов в любой области, будь то архитектура, авиация и даже статистика. Например, число π нужно для расчета времени полета самолета и расстояния, которое он должен преодолеть. А в статистике с помощью числа пи рассчитывают значения ниже так называемой кривой нормального распределения. Это нужно для того чтобы, например, выяснить, как распределялись голоса респондентов при опросе.

S (площадь круга) = πd. Так как диаметр равен радиусу, умноженному на два, верна и формула S = πr².

Считается, что первым обозначать число пи буквой греческого алфавита π (pi) стал британский математик Уильям Джонс в 1706 году, а популяризировал обозначение его швейцарский коллега Леонард Эйлер в 1737 году. Есть версия, что эта буква выбрана не случайно, а как начальная в греческом слове perijereia, что означает «окружность», «периферия».

Как и на многие явления, известные науке сегодня, на существование некой постоянной, с помощью которой можно посчитать площадь круга, обратили внимание еще в Древнем мире. Но ученые того времени приходили к разному мнению относительно значения этой постоянной: одни использовали значение 3,125, другие — 3,16, третьи — 3,139. Но всегда это значение было 3 с небольшим.

На точное вычисление числа пи ушли тысячелетия. Первым, кто определил более-менее приблизительное значение π, был древнегреческий ученый Архимед. По его расчетам пи равно 3,142857142857143. Как мы знаем сейчас, верными оказались только первые два десятичных числа.

Точнее оказались расчеты китайского математика 480-х годов нашей эры — 3,1415927. Именно это значение числа пи считалось самым верным до 1420-х годов, пока ученые не расширили этот ряд до 16 цифр после запятой, затем до 20-ти, 32-х и так далее.

В XX веке с приходом компьютерных систем и вычислительной техники дело пошло быстрее: теперь уже точные десятичные значения высчитывали машины. С помощью специальных алгоритмов математики во всем мире продолжают определять новые, более точные значения числа пи, устанавливая рекорды по количеству цифр десятичного разложения (после запятой в десятичной дроби).

Чтобы не запоминать число пи с большим количеством десятичных значений, его принято округлять. В математике все округления проводятся по строгим правилам. Для округления значения числа пи применяют метод округления к ближайшему целому. Если перед округляемым числом стоит число 5 и большее, то число округляется в большую сторону. Например, 12,5 → 13. Другой пример: 12,58 → 12,6 → 13.

Если перед округляемым числом стоит число менее 5, то число округляется в меньшую сторону. Например, 12,4 → 12. Или: 12,34 → 12,3 → 12.

Итак, возьмем значение числа пи - 3,1415. Округление начинают с последнего значения, в данном случае это 5. Значит, следующая за ним единица округляется до двух: 3,1415 → 3,142. Последнее число 2 меньше пяти, значит, последующее 4 остается неизменным: 3,142 → 3,14. Вот мы и пришли к общепринятому значению числа пи.

По тому же принципу давайте продолжим округление до целого числа: 3,14 → 3,2 → 3. И вот у нас получилось значение числа пи 3.

Вячеслав Смольняков, учитель математики и информатики высшей квалификационной категории, эксперт ОГЭ и ЕГЭ Региональной предметной комиссии по математике и информатике:

На практике мы часто используем округление числа пи до сотых — 3,14. Чуть реже нам нужна большая точность, и мы уже берем значение 3,14159. Чтобы запомнить дробную часть, можно воспользоваться нехитрым приемом: выучить одну фразу «Это я знаю и помню прекрасно». Количество букв в словах соответствует первым цифрам числа пи: «это» — 3, «я» — 1, «знаю» — 4 и так далее.

Для запоминания большего количества цифр есть специальные стихотворения, это называется мнемонический метод запоминания.

Ирина Ходакова, учитель математики:

Чтобы запомнить значение числа π используют один из самых популярных способов — запомнить фразу, в которой количество букв в каждом слове совпадает с цифрами числа π.

Например, «Что(3) я(1) знаю(4) о(1) круге(5)?»

Чтобы запомнить больше знаков числа π, пользуются различными приемами мнемотехники (совокупность приемов, облегчающих запоминание информации). Например, существует стихотворение С. Боброва «Волшебный двурог» для запоминания числа π, которое совсем не сложно выучить:

«Чтобы нам не ошибаться,
Надо правильно прочесть:
Три, четырнадцать, пятнадцать,
Девяносто два и шесть.

Ну и дальше надо знать,
Если мы вас спросим —
Это будет пять, три, пять,
Восемь, девять, восемь»

Вячеслав Смольняков:

В школе ученики впервые знакомятся с числом пи в 6 классе, и я обычно привожу разные примеры того, где это можно использовать в реальной жизни. Например, девочки на уроках технологии часто шьют круглые изделия, и число пи поможет им рассчитать, какое количество тесьмы необходимо для того, чтобы обшить по краю круглую салфетку. Мальчикам часто бывает интересно, как рассчитать, какое расстояние они преодолели на уроке физкультуры, бегая по кругу в спортзале. А еще все любят подарки… Сколько нужно упаковочной бумаги, чтобы обернуть подарок, который находится в коробке цилиндрической формы? Для всего этого нужно знать про число пи. В более старших классах мы используем знание о числе пи уже для решения геометрических задач (однако оно используется не только в геометрии).

В науке число пи используется в множестве геометрических формул, прежде всего для нахождения объемов тел, площадей фигур, которые содержат круг. В тригонометрии это число является одним из основных. Также мы можем его встретить при расчете интегралов в высшей математике, встречается оно и в формулах математической статистики и физики.

Если же рассказывать про то, откуда человечество вообще заинтересовалось данной темой, то стоит переместиться в древность. Получение знаний в ту эпоху, как и сейчас, носило практический характер. Сколько нужно каменных блоков, чтобы построить круглую башню? Вопросы, подобные этому, интересовали и Архимеда, и древних правителей, которым нужно было рассчитать ресурсы для обороны собственных владений.

В XX веке при помощи компьютеров человечество смогло рассчитать уже несколько десятков триллионов знаков после запятой, причем, как и в древности, это имеет практическое значение — при помощи данного расчета можно оценить производительность компьютерных систем.

Ирина Ходакова:

Изначально число π было необходимо для применения в строительстве. Ведь порой из-за погрешности в значении числа π падали башни и рушились целые дворцы. Сейчас π используется в различных сферах нашей жизни.

Мы уже выяснили, что число π позволяет нам рассчитывать и создавать окружности. Если колеса на вашем автомобиле будут немного отличаться друг от друга, то поездки для вас станут как минимум не очень удобными. Но применение числа π этим не ограничивается. Например, без числа π нельзя было бы обеспечить качественную работу телевизоров, радио и телефонов, так как инженеры используют π для расчета и оптимизации звуковых волн. Также π играет важную роль в расчете времени и расстояния путешествия на самолете, так как на большие расстояния самолеты летят по округлой дуге. Не было бы даже многих игр, таких как футбол, баскетбол, теннис, ведь мячи должны быть абсолютно круглыми.

Читайте также: