Π (μαθηματική σταθερά)

Όνομα

Το σύμβολο που χρησιμοποιείται από τους μαθηματικούς για την αναλογία της περιφέρειας ενός κύκλου προς την διάμετρό του είναι το ελληνικό γράμμα π. Αυτό το γράμμα (και ως εκ τούτου ο ίδιος ο αριθμός π ) μπορεί να σημανθεί με τη Λατινική λέξη pi. Στα αγγλικά, το π προφέρεται όπως η «πίτα» Το πεζό π δεν πρέπει να συγχέεται με το κεφαλαίο γράμμα Π, που χαρακτηρίζει το γινόμενο όρων μιας ακολουθίας.
Η πρώτη γνωστή χρήση του ελληνικού γράμματος π για να αντιπροσωπεύσει την αναλογία της περιφέρειας ενός κύκλου προς τη διάμετρό του ήταν από τον μαθηματικό William Jones στο έργο του, το 1706, Σύνοψη Palmariorum Matheseos· ή, Μια Νέα Εισαγωγή στα Μαθηματικά. Το ελληνικό γράμμα πρωτοεμφανίζεται εκεί στη φράση « περιφέρεια (π)» στη συζήτηση ενός κύκλου με ακτίνα ένα. Ο Jones μπορεί να επέλεξε το π επειδή ήταν το πρώτο γράμμα στην ελληνική ορθογραφία της λέξης  περιφέρεια. Ωστόσο, γράφει ότι οι εξισώσεις του π είναι από την «έτοιμη πένα του πραγματικά έξυπνου κ. John Machin», οδηγώντας σε εικασίες ότι ο Machin μπορεί να ασχολήθηκε με το ελληνικό γράμμα πριν τον Jones. Αυτό πράγματι είχε χρησιμοποιηθεί νωρίτερα για τις γεωμετρικές ερμηνείες. Ο William Oughtred χρησιμοποιεί τα ελληνικά γράμματα π και δ, για να εκφράσει αναλογίες της περιφέρειας και της διαμέτρου το 1647. Το ίδιο συμβαίνει και σε μεταγενέστερες εκδόσεις του Clavis Mathematicae.
Μετά την εισαγωγή του ελληνικού γράμματος από τον Jones το 1706, δεν υιοθετήθηκε από άλλους μαθηματικούς μέχρι ο  Leonhard Euler άρχισει να το χρησιμοποιεί, αρχίζοντας με το έργο του "Μηχανική" το 1736. Πριν από τότε, οι μαθηματικοι χρησιμοποιούσαν μερικές φορές γράμματα όπως το c ή το p. Ο Euler συνεβρισκόταν σε μεγάλο βαθμό με άλλους μαθηματικούς στην Ευρώπη και έτσι η χρήση του π εξαπλώθηκε γρήγορα. Το 1748, ο Euler χρησιμοποίησε το π στο ευρέως διαβασμένο έργο του Introductio in analysin infinitorum (έγραψε: «για λόγους συντομίας θα γράφουμε τον αριθμό π· έτσι ο π είναι ίσος με το μισό της περιφέρειας ενός κύκλου ακτίνας 1») και η πρακτική του εγκρίθηκε παγκοσμίως στη συνέχεια στον Δυτικό Κόσμο.

Ιδιότητες

Το π είναι ένας άρρητος αριθμός, που σημαίνει ότι αυτός δεν μπορεί να γραφεί ως πηλίκο δύο ακεραίων, όπως  ή άλλα κλάσματα που χρησιμοποιούνται συνήθως για την προσέγγισή του. Δεδομένου ότι το π είναι άρρητος, έχει έναν άπειρο αριθμό ψηφίων σε δεκαδική αναπαράσταση, και αυτό δεν τελειώνει με μια απείρως επαναλαμβανόμενη σειρά ψηφίων. Υπάρχουν αρκετές αποδείξεις ότι το π είναι άρρητος οι οποίες γενικά απαιτούν λογισμό και επικαλούνται την εις άτοπον απαγωγή. Ο βαθμός στον οποίο μπορεί το π να είναι προσεγγιστικά ρητός αριθμός (που ονομάζεται το μέτρο της αρρητότητας) δεν είναι ακριβώς γνωστό· εκτιμήσεις καθόρισαν ότι το μέτρο της αρρητότητας είναι μεγαλύτερο από το μέτρο του   ή ln(2), αλλά μικρότερο από το μέτρο των αριθμών του Liouville.
Ο π είναι ένας υπερβατικός αριθμός, πράγμα που σημαίνει πως δεν είναι λύση κάποιου μη-σταθερού πολυωνύμου με ρητούς συντελεστές, όπως Η υπέρβαση του π έχει δύο σημαντικές επιπτώσεις: Πρώτον, ο π δεν μπορεί να εκφραστεί χρησιμοποιώντας οποιονδήποτε συνδυασμό ρητών και τετραγωνικών αριθμών ή ν-ιοστων ριζών όπως  ή  Δεύτερον, δεδομένου ότι δεν μπορεί να κατασκευαστεί κάποιος  υπερβατικός με κανόνα και διαβήτη, δεν είναι δυνατόν να "τετραγωνιστεί ο κύκλος". Με άλλα λόγια, είναι αδύνατο να κατασκευάσουμε, χρησιμοποιώντας μόνο κανόνα και διαβήτη, ένα τετράγωνο του οποίου η περιοχή είναι ίση προς την έκταση ενός δεδομένου κύκλου. Ο τετραγωνισμός του κύκλου ήταν ένα από τα σημαντικότερα γεωμετρικά προβλήματα της κλασικής αρχαιότητας. Ερασιτέχνες μαθηματικοί στη σύγχρονη εποχή μερικές φορές προσπάθησαν να τετραγωνίσουν τον κύκλο, και μερικές φορές ισχυρίζονταν επιτυχία, παρά το γεγονός ότι είναι αδύνατο.
Τα ψηφία του π δεν έχουν κάποιο προφανές πρότυπο και δεν έχουν περάσει εξετάσεις για στατιστική τυχαιότητα περιλαμβανομένων δοκιμών για ομαλότητα· ένας αριθμός απείρου μήκους ονομάζεται κανονικός όταν όλες οι πιθανές ακολουθίες των ψηφίων  (από κάθε συγκεκριμένο μήκος) εμφανίζονται εξίσου συχνά. Αυτή η υπόθεση ότι το π είναι κανονικός δεν έχει αποδειχθεί ή διαψευσθεί . Μετά την έλευση των υπολογιστών, ένα μεγάλος αριθμός ψηφίων του π ήταν διαθέσιμος για να εκτελέσουμε στατιστικές αναλύσεις. Ο Yasumasa Kanada έχει εκτελέσει λεπτομερειακώς στατιστικές αναλύσεις για τα δεκαδικά ψηφία του π· για παράδειγμα, η συχνότητα των δέκα ψηφίων 0 έως 9 υποβλήθηκαν σε στατιστική σημασία δοκιμές, και δεν βρέθηκε κάποια απόδειξη για ένα μοτίβο. Παρά το γεγονός ότι τα ψηφία του π πέρασαν από στατιστικούς ελέγχους για την τυχαιότητα, ο π περιέχει ορισμένες ακολουθίες ψηφίων που ενδέχεται να εμφανιστούν μη-τυχαία στους μη-μαθηματικούς, όπως το σημείο Feynman, που ξεκινά από το 762ο δεκαδικό ψηφίο της δεκαδικής απεικόνισης του π.

Αρχαιότητα

Η Μεγάλη Πυραμίδα στην Γκίζα, κατασκευασμένη το 2589–2566 π.Χ., χτίστηκε με περίμετρο περίπου 1760 πήχεις και ύψος περίπου 280 πήχεις· η αναλογία  είναι περίπου ίση με . Με βάση αυτή την αναλογία, κάποιοι Αιγυπτιολόγοι κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι οι οικοδόμοι της πυραμίδας είχαν γνώση του π και σκόπιμα σχεδίασαν την πυραμίδα για να ενσωματώσουν τις αναλογίες του κύκλου.  Άλλοι ισχυρίζονται πως η προτεινόμενη πρόταση του π είναι απλώς μια σύμπτωση, επειδή δεν υπάρχει κάποια απόδειξη ότι οι οικοδόμοι της πυραμίδας γνώριζαν το π, και επειδή οι διαστάσεις της πυραμίδας βασίζονται σε άλλους παράγοντες.
Οι παλαιότερες γραπτές προσεγγίσεις του π βρίσκονται στην Αίγυπτο και τη Βαβυλώνα, απέχουν ένα τοις εκατό από την πραγματική αξία. Στη Βαβυλώνα, ένας δίσκος της χρονολογείται το 1900–1600 π.Χ. έχει μια γεωμετρική δήλωση που, κατ'επέκταση, αντιμετωπίζει τον π ως 25/8 = 3.1250. Στην Αίγυπτο, ο Πάπυρος Rhind , χρονολογείται γύρω στο 1650 π.Χ., αλλά έχει αντιγραφεί από ένα έγγραφο που χρονολογείται το 1850 π.Χ. έχει ένα τύπο που την αντιμετωπίζει την σταθερά π ως (16/9)² ≈ 3.1605.
Στην Ινδία γύρω στο 600 π.Χ., το Shulba Sutras (σανσκριτικά κείμενα που είναι πλούσια σε μαθηματικό περιεχόμενο) εξομοιώνει τον π με (9785/5568)² ≈ 3.088. Το 150 π.Χ., ή ίσως νωρίτερα, ινδικές πηγές θεωρούν τον π ως  ≈ 3.1622.
Δύο στίχοι της Εβραϊκής Βίβλου (γράφτηκε περίπου στον 8ο και 3ο αιώνα π.Χ.) περιγράφει μια τελετουργική λεκάνη στο Ναό του Σολομώντα με διάμετρο δέκα πήχεις και η περίμετρός του τριάκοντα πήχεις· Οι στίχοι υποδηλώνουν ότι ο π είναι περίπου τρία αν η λεκάνη είναι κυκλική. Ο Rabbi Nehemiah εξήγησε τη διαφορά ως λόγω του πάχους του σκάφους. Το πρώιμο έργο της γεωμετρίας, Mishnat ha-Middot, γράφτηκε γύρω στο 150 μ.Χ. και παίρνει την τιμή του π για να είναι τρία και ένα έβδομο.

Εποχή πολύγωνου προσέγγισης

Ο πρώτος καταγεγραμμένος αλγόριθμος για τον αυστηρό υπολογισμό της αξίας του π ήταν μια γεωμετρική προσέγγιση χρησιμοποιώντας πολύγωνα, επεξεργάσθηκε γύρω στο 250 π.Χ. ο Έλληνας μαθηματικός Αρχιμήδης. Αυτός ο πολυγωνικός αλγόριθμος κυριαρχείται για πάνω από 1,000 χρόνια, και ως εκ τούτου το π μερικές φορές αναφέρεται ως «Σταθερά του Αρχιμήδη». Ο Αρχιμήδης υπολόγισε τα ανώτερα και κατώτερα όρια του π με σχέδιο σε κανονικό εξάγωνο μέσα και έξω από ένα κύκλο και διαδοχικά διπλασιασμού του αριθμού των πλευρών,ώσπου έφτασε στην 96-όψη κανονικού πολυγώνου.  Με τον υπολογισμό των μέτρων αυτών των πολυγώνων, απέδειξε ότι  < π <  (3.1408 < π < 3.1429). Το άνω όριο του Αρχιμήδη, το  μπορεί να οδήγησε σε μια ευρέως διαδεδομένη δημοφιλή πεποίθηση ότι το π είναι ίσο με . Περίπου το 150 μ.Χ., ο έλληνας-ρωμαίος επιστήμονας Πτολεμαίος, στην Αλμαγέστη, έδωσε μια τιμή για το π το 3.1416, που αυτή μπορεί να αποκτηθεί από τον Απολλώνιο του Περγαίου. Οι μαθηματικές χρήσεις των πολυγωνικών αλγορίθμων φτάνουν τα 39 ψηφία του π το 1630, ένα ρεκορ που έσπασε μόνο το 1699 όταν άπειρες σειρές χρησιμοποιήθηκαν για την επίτευξη 71 ψηφίων.
Στην Αρχαία Κίνα, οι τιμές για το π περιλαμβάνονται 3.1547 (γύρω στο 1 μ.Χ.),  (100 μ.Χ, περίπου 3.1623), και  (3ο αιώνα, περίπου 3.1556). Περίπου το 265 μ.Χ., στο Δυτικό Βασίλειο ο μαθηματικός Liu Hui δημιούργησε ένα πολύγωνο με βάση τον επαναληπτικό αλγόριθμο και το χρησιμοποίησε με ένα πολύγωνο 3,072-διπλής όψης, για να πάρει μια τιμή του π την 3.1416.Αργότερα ο Liu ανακάλυψε μια ταχύτερη μέθοδο υπολογισμού του π και λαμβάνεται η τιμή  3.14 με ένα πολύγωνο 96-διπλής όψης, αξιοποιώντας το γεγονός ότι οι διάφορες τιμές στην περιοχή των διαδοχικών πολυγώνων αποτελούν μια γεωμετρική σειρά με συντελεστή  4. Ο Κινέζος μαθηματικός Zu Chongzhi, γύρω στο 480 μ.Χ., υπολόγισε ότι π ≈ 355/113 (ένα κλάσμα που πηγαίνει από το όνομα Milü στα Κινέζικα), χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο του Liu Hui εφαρμόζεται σε ένα πολύγωνο 12,288-πλευρών. Με μια σωστή τιμή για τα επτά πρώτα δεκαδικά ψηφία,αυτή η τιμή 3.141592920... παραμένει η πιο ακριβής προσέγγιση του π διαθέσιμη για τα επόμενα 800 χρόνια.
Ο Ινδός αστρονόμος Aryabhata χρησιμοποίησε την τιμή 3.1416 σε Āryabhaṭīya (499 μ.Χ.). Ο Fibonacci το  1220 υπολόγισε 3.1418 χρησιμοποιώντας μια πολυγωνική μέθοδο, ανεξάρτητη του Αρχιμήδη. Ο Ιταλός συγγραφέας Dante ασχολήθηκε όπως φαίνεται με την αξία .
Ο Πέρσης αστρονόμος Jamshīd al-Kāshī παρήγαγε 16 ψηφία το 1424 χρησιμοποιώντας ένα πολύγωνο με 3×2²⁸ πλευρές, το οποίο αντιπροσωπεύει για 180 περίπου χρόνια παγκόσμιο ρεκορ. Ο Γάλλος μαθηματικός François Viète το 1579 κατόρθωσε(να παράγει) 9 ψηφία με ένα πολύγωνο με 3×2¹⁷ πλευρές. Ο Φλαμανδός μαθηματικός Adriaan van Roomen έφτασε στα 15 δεκαδικά ψηφία το 1593. Το 1596, ο Ολλανδός μαθηματικός Ludolph van Ceulen έφτασε τα 20 ψηφία, ένα ρεκορ που αργότερα αυξήθηκε στα 35 ψηφία (ως εκ τούτου, το π ονομαζόταν "αριθμός Ludolphian" στη Γερμανία μέχρι τις αρχές του 20ου αιώνα). Ο Ολλανδός μαθηματικός Willebrord Snellius έφτασε τα 34 ψηφία το 1621, και ο Αυστριακός μαθηματικός Christoph Grienberger έφτασε τα 38 ψηφία το 1630, τα οποία παραμένουν η ακριβέστερη προσέγγιση με μη αυτόματο τρόπο να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας τον πολυγωνικό αλγόριθμο.

Κίνητρα για υπολογισμό του π

Για τους περισσότερους αριθμητικούς υπολογισμούς που αφορούν τον π, μια χούφτα των ψηφίων του παρέχουν επαρκή ακρίβεια. Σύμφωνα με τους Jörg Arndt και Christoph Haenel, τριάντα εννέα ψηφία είναι επαρκή να εκτελέσουν τους περισσότερους κοσμολογικούς υπολογισμούς,
γιατί αυτή η ακρίβεια είναι απαραίτητη για τον υπολογισμό του όγκου του γνωστού σύμπαντος με ακρίβεια ενός ατόμου. Παρά το γεγονός αυτό, οι άνθρωποι έχουν εργαστεί έντονα για τον υπολογισμό του π σε χιλιάδες και χιλιάδες ψηφία. Αυτή η προσπάθεια μπορεί να αποδωθεί εν μέρει με τον ανθρώπινο εξαναγκασμό να σπάσει ρεκορ, και τέτοια επιτεύγματα με τον π συχνά κάνουν πρωτοσέλιδα σε όλο τον κόσμο. Έχουν επίσης πρακτικά οφέλη, όπως σε δοκιμές υπερυπολογιστών, δοκιμή αριθμητικής ανάλυσης αλγορίθμων (συμπεριλαμβανομένων της υψηλής ακρίβειας υπολογισμού του πολλαπλασιασμού αλγορίθμων); και εντός των καθαρών μαθηματικών, παρέχουν στοιχεία για την αξιολόγηση της τυχαιότητας των ψηφίων του π.