Π (μαθηματική σταθερά)

Ο αριθμός  είναι μια μαθηματική σταθερά οριζόμενη ως ο λόγος της περιφέρειας προς τη διάμετρο ενός κύκλου (π = P/δ (P = μήκος περιφέρειας κύκλου, δ = μήκος διαμέτρου κύκλου)), ενώ με ακρίβεια οκτώ δεκαδικών ψηφίων είναι ίσος με . Εκφράζεται με το ελληνικό γράμμα  από τα μέσα του 18ου αιώνα, παρότι επίσης μερικές φορές γράφεται ως pi.

Ο  είναι ένας άρρητος αριθμός, κάτι που σημαίνει ότι δεν μπορεί να εκφραστεί ακριβώς ως λόγος δύο ακεραίων (όπως 22/7 ή άλλα κλάσματα που χρησιμοποιούνται συνήθως για την προσέγγιση του π). Κατά συνέπεια, η δεκαδική απεικόνιση δεν τελειώνει ποτέ και ποτέ δεν καθίσταται μια μόνιμη και επαναλαμβανόμενη παράσταση. Τα ψηφία φαίνεται να εμφανίζονται με τυχαία σειρά, αν και δεν έχει ανακαλυφθεί ακόμη κάποια απόδειξη για αυτό. Ο  π είναι ένας υπερβατικός αριθμός, δηλαδή δεν αποτελεί ρίζα ενός μη-μηδενικού πολυωνύμου με ρητούς συντελεστές. Αυτό έχει σαν συνέπεια ότι είναι αδύνατο να λυθεί το αρχαίο πρόβλημα του τετραγωνισμού του κύκλου με κανόνα και διαβήτη.

Για χιλιάδες χρόνια, μαθηματικοί προσπάθησαν να επεκτείνουν την κατανόησή τους πάνω στο π, κάποιες φορές με τον υπολογισμό της τιμής του με υψηλό βαθμό ακρίβειας. Πριν από τον 15ο αιώνα, μαθηματικοί όπως ο Αρχιμήδης και ο Liu Hui χρησιμοποίησαν γεωμετρικές τεχνικές βασιζόμενες σε πολύγωνα, για να υπολογίσουν την αξία του π. Περί τον 15ο αιώνα νέοι αλγόριθμοι βασιζόμενοι σε άπειρες σειρές υπολογίζουν τον αριθμό π με μεγαλύτερη ακρίβεια και χρησιμοποιούνται από μαθηματικούς όπως ο Madhava της Sangamagrama, ο Ισαάκ Νιούτον, ο Λέοναρντ Όιλερ, ο Καρλ Φρίντριχ Γκάους, και ο Σρινιβάσα Ραμανούτζαν.

Τον 20ό και 21ο αιώνα, μαθηματικοί και πληροφορικοί ανακάλυψαν νέες προσεγγίσεις που, όταν συνδυάζονται με την αυξημένη υπολογιστική ισχύ, επεκτείνουν τη δεκαδική απεικόνιση του π πάνω από 10 τρισεκατομμύρια (1013) ψηφία (2011). Οι επιστημονικές εφαρμογές δεν απαιτούν γενικά περισσότερα από 40 ψηφία του π και έτσι το πρωταρχικό κίνητρο για αυτούς τους υπολογισμούς είναι η ανθρώπινη επιθυμία να σπάει ρεκόρ. Οι πολύπλοκοι υπολογισμοί που εμπλέκονται στον υπολογισμό των ψηφίων του π έχουν χρησιμοποιηθεί για τη δοκιμή υπερυπολογιστών, καθώς και αλγορίθμων πολλαπλασιασμού υψηλής ακρίβειας.

Το π βρίσκεται σε πολλούς τύπους της τριγωνομετρίας και της γεωμετρίας, ειδικά όσον αφορά κύκλους, ελλείψεις ή σφαίρες. Βρίσκεται επίσης και σε διάφορους τύπους από άλλους κλάδους της επιστήμης, όπως η Κοσμολογία, η Θεωρία των αριθμών, η Στατιστική, τα fractals, η θερμοδυναμική, η μηχανική, και ο ηλεκτρομαγνητισμός. Ο καθολικός χαρακτήρας του π τον καθιστά μια από τις πιο ευρέως γνωστές μαθηματικές σταθερές, τόσο εντός όσο και εκτός της επιστημονικής κοινότητας και έχει αποτελέσει θέμα λογοτεχνικών βιβλίων. Ο αριθμός γιορτάζεται την «ημέρα του π» και ρεκόρ υπολογισμού των ψηφίων του π συχνά αναφέρονται σε τίτλους ειδήσεων. Αρκετοί άνθρωποι προσπάθησαν να απομνημονεύσουν την τιμή του π με όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ακρίβεια, οδηγώντας σε ρεκόρ απομνημόνευσης πάνω από 67.000 ψηφία.

Βασικές αρχές

Ορισμός

Ως π συχνά ορίζεται το πηλίκο της περιφέρειας  ενός κύκλου προς την διάμετρό του :

Ο λόγος  είναι σταθερός και ανεξάρτητος από το μέγεθος του κύκλου. Για παράδειγμα, αν ένας κύκλος έχει διπλάσια διάμετρο, αυτός θα έχει και διπλάσια περιφέρεια, διατηρώντας το λόγο  σταθερό. Αυτός ο ορισμός του π είναι έγκυρος μόνο σε επίπεδη (Ευκλείδεια) Γεωμετρία, ενώ αν επεκταθεί σε κυρτές (Μη-Ευκλείδειες) Γεωμετρίες ο λόγος δεν παραμένει σταθερός. Υπάρχουν άλλοι ορισμοί του π με βάση τον απειροστικό λογισμό ή την Τριγωνομετρία που δεν βασίζονται σε κύκλο. Ένας τέτοιος ορισμός είναι: Το π είναι το διπλάσιο του μικρότερο θετικού  για συν(x) ισούται με 0.

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», pie (πάι). 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 Γουίλιαμ Τράουτεντ 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 άρχισε 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 συνεργαζόταν 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 αριθμός 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 το εμβαδόν να είναι ίσο προς το εμβαδόν 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.

Συνεχόμενα Κλάσματα

Όπως όλους τους άρρητους αριθμούς, ο π δεν μπορεί να αναπαρασταθεί ως απλό κλάσμα. Αλλά κάθε άρρητος αριθμός, συμπεριλαμβανομένου του π, μπορεί να εκπροσωπηθεί από μια άπειρη σειρά ένθετων κλασμάτων, που ονομάζεται συνεχόμενο κλάσμα:

Η περικοπή του συνεχόμενου κλάσματος σε οποιοδήποτε σημείο δημιουργεί ένα κλάσμα, που παρέχει μια προσέγγιση για την π· δύο τέτοια κλάσματα ( και ) έχουν χρησιμοποιηθεί ιστορικά για την προσέγγιση της σταθεράς. Κάθε προσέγγιση με αυτό τον τρόπο είναι πιο ορθολογική προσέγγιση·δηλαδή, κάθε μια είναι πιο κοντά στην π από οποιοδήποτε άλλο κλάσμα με το ίδιο ή με ένα μικρότερο παρονομαστή. Αν και το απλό το συνεχιζόμενο κλάσμα για π (φαίνεται παραπάνω) δεν εμφανίζουν ένα μοτίβο, οι μαθηματικοί έχουν ανακαλύψει αρκετές γενικεύσεις συνεχιζόμενων κλασμάτων που κάνουν , όπως:

Κατά προσέγγιση τιμή
Περιλαμβάνει ορισμένες προσεγγίσεις του π:
 Κλάσματα: Κατά προσέγγιση κλάσματα επαλαμβανόμενου (κατά προσέγγιση αυξανόμενης ακρίβειας) , , , , και .
 Δεκαδικό: τα πρώτα 100 δεκαδικά ψηφία είναι 3.14159 26535 89793 23846 26433 83279 50288 41971 69399 37510 58209 74944 59230 78164 06286 20899 86280 34825 34211 70679 .... 
 Δυαδικό: 
 Δεκαεξαδικό:  Μια βάση προσέγγισης από 16 έως 20 ψηφία είναι 
 Εξηκονταδικό: Μια βάση 60 προσέγγιση είναι 3:8:29:44:1

Ιστορία 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.

Μνημονικός κανόνας

Ο Πλούταρχος αναφέρει στο έργο του Ερωτήσεις "Πῶς Πλάτων ἔλεγε τὸν θεὸν ἀεὶ γεωμετρεῖν." Από αυτή τη φράση προκύπτει ο μνημονικός κανόνας "Αεί ο Θεός ο μέγας γεωμετρεί" όπου ο αριθμός των γραμμάτων δείχνει το αντίστοιχο ψηφίο του αριθμού π, με προσέγγιση 5 δεκαδικών ψηφίων (3,14159).
 Αεί = 3
 ο = 1
 Θεός = 4
 ο =1
 μέγας = 5
 γεωμετρεί = 9

Σε νεότερους χρόνους, έχει χρησιμοποιηθεί μεγαλύτερη πρόταση για περισσότερα ψηφία «Αεί ο Θεός ο Μέγας γεωμετρεί, το κύκλου μήκος ίνα ορίση διαμέτρω, παρήγαγεν αριθμόν απέραντον, καί όν, φευ, ουδέποτε όλον θνητοί θα εύρωσι».

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 ρεκόρ 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.

Απειροσειρές
Η ανάπτυξη τεχνικών των απειροσειρών έφεραν επανάσταση στον υπολογισμό του π, τον 16ο και 17ο αιώνα. Μια άπειρη σειρά είναι το άθροισμα των όρων της άπειρης ακολουθίας sequence. Μια άπειρη σειρά επιτρέπει στους μαθηματικούς να υπολογίσουν το π με μεγαλύτερη ακρίβεια από τον Αρχιμήδη και άλλους που χρησιμοποίησαν μαθηματικές τεχνικές. Αν και άπειρες σειρές εκμεταλλεύτηκαν για τον π κυρίως Ευρωπαίοι μαθηματικοί, όπως ο James Gregory και Gottfried Wilhelm Leibniz, η προσέγγιση πρώτα ανακαλύφθηκε στην Ινδία κάποια στιγμή μεταξύ 1400 και 1500 AD.  Η πρώτη γραπτή περιγραφή μιας άπειρης σειράς που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό του π τέθηκε σε σανσκριτικό στίχο από τον Ινδό αστρονόμο Nilakantha Somayaji στο Tantrasamgraha, γύρω στο 1500 μ.Χ. Οι σειρές παρουσιάζονται χωρίς απόδειξη, αλλά οι αποδείξεις παρουσιάζονται σε μεταγενέστερο ινδικό μυθιστόρημα, Yuktibhāṣā, από το 1530μ.Χ. περίπου.Ο Nilakantha αποδίδει τη σειρά σε έναν προηγούμενο μαθηματικό Ινδό,τον Madhava της Sangamagrama, που έζησε το  1350 –  1425. Πολλές σειρές που περιγράφονται, συμπεριλαμβανομένων τη σειρά για το ημίτονο, εφαπτομένη, και συνημίτονο, που τώρα αναφέρονται ως Madhava σειρά ή Gregory–Leibniz σειρά. Ο Madhava χρησιμοποίησε άπειρη σειρά για να εκτιμήσει τον π στα 11 δεκαδικά περίπου το 1400, αλλά αυτή την εγγραφή νίκησε γύρω στο 1430 ο Πέρσης μαθηματικός Jamshīd al-Kāshī, χρησιμοποιώντας έναν πολυγωνικό αλγόριθμο.

Η πρώτη άπειρη ακολουθία που ανακάλυψαν στην Ευρώπη ήταν ένα άπειρο προϊόν (και όχι τόσο ένα άπειρο ποσό, το οποίο χρησιμοποιείται πιο τυπικά στους υπολογισμούς του π) βρέθηκε από τον Γάλλο μαθηματικό François VièteFrançois Viète το 1593:

  

Τη δεύτερη άπειρη ακολουθία που βρέθηκε στην Ευρώπη, από τον John Wallis το 1655, ήταν επίσης ένα άπειρο προϊόν. Η ανακάλυψη του λογισμού, από τον Άγγλο επιστήμονα Isaac Newton και τον Γερμανό μαθηματικό Gottfried Wilhelm Leibniz το  1660, οδήγησε στην ανάπτυξη πολλών άπειρων σειρών για την προσέγγιση του π.Ο ίδιος ο Newton χρησιμοποιεί μια σειρά arcsin για τον υπολογισμό 15 ψηφίων του π το 1665 ή 1666, αργότερα έγραψε "Ντρέπομαι να σου πω πόσα στοιχεία έφερα με αυτούς τους υπολογισμούς, αφού καμία άλλη χρήση δεν έχουν αυτή την στιγμή."

Στην Ευρώπη, ο τύπος του Madhava ανακαλύφθηκε από τον Σκοτσέζο μαθηματικό James Gregory το 1671, και από τον Leibniz το 1674:

 

Αυτός ο τύπος, σειρά του Gregory–Leibniz, ισούται με  όταν αξιολογηθεί με . Το 1699, ο Άγγλος μαθηματικός Abraham Sharp χρησιμοποίησε τη σειρά Gregory–Leibniz για τον υπολογισμό του π σε 71 ψηφία, σπάζοντας το προηγούμενο ρεκορ των 39 ψηφίων, που ορίστηκε με έναν πολυγωνικό αλγόριθμο. Η σειρά Gregory–Leibniz είναι απλή, αλλά συγκλίνει πολύ αργά (δηλαδή πλησιάζει την απάντηση σταδιακά), έτσι δεν χρησιμοποιείται στους υπολογισμούς της σύγχρονης π.

Το 1706 ο John Machin χρησιμοποίησε τη σειρά Gregory–Leibniz για την παραγωγή ενός αλγορίθμου που συγκλίνει πολύ πιο γρήγορα:

Ο Machin έφτασε τα 100 ψηφία του π με αυτό τον τύπο. Άλλοι μαθηματικοί δημιούργησαν παραλλαγές, όπως το γέννημα του τύπου Machin, που χρησιμοποιήθηκαν για να καθορίζουν πολλά διαδοχικά ρεκορ των ψηφίων του π. Ο τύπος Machin-παρέμεινε ως γέννημα η πιο γνωστή μέθοδος υπολογισμού του π στην εποχή της πληροφορικής, και χρησιμοποιήθηκαν για να ορίσουν τις εγγραφές για 250 χρόνια, με αποκορύφωμα μια των 620-ψηφίων προσέγγιση του 1946 από τον Daniel Ferguson – την καλύτερη προσέγγιση που επιτεύχθηκε χωρίς τη βοήθεια της υπολογιστικής διάταξης.

Αξιόλογο ρεκορ ορίστηκε από τον υπολογισμό θαύμα του Zacharias Dase, ο οποίος το 1844 απασχολήθηκε με ένα τύπο γεννήματος Machin-όπως τύπο για τον υπολογισμό 200 δεκαδικών ψηφίων του π στο κεφάλι του ,μετά από εντολή του Γερμανού μαθηματικού Carl Friedrich Gauss. Ο Βρετανός μαθηματικός William Shanks περίφημα πήρε 15 χρόνια για τον υπολογισμό π με 707 ψηφία, αλλά έκανε ένα λάθος στο 528ο ψηφίο του, καθιστώντας όλα τα επόμενα ψηφία λανθασμένα.

Αρρητότητα
Κάποιες άπειρες σειρές για π συγκλίνουν γρηγορότερα από άλλες. Με δεδομένη την επιλογή των δύο σειρών για το π, οι μαθηματικοί θα χρησιμοποιούν γενικά αυτό που συγκλίνει πιο γρήγορα επειδή η ταχύτητα σύγκλισης μειώνει την ποσότητα του υπολογισμού που απαιτούνται για τον υπολογισμό του π οποιαδήποτε δεδομένη ακρίβεια. Μια απλή άπειρη σειρά για π είναι η σειρά Gregory–Leibniz :

Καθώς οι επιμέρους όροι αυτής της άπειρης σειράς προστίθενται στο σύνολο, το σύμολο σταδιακά πλησιάζει στον π, και – με επαρκή αριθμό όρων – μπορεί να πλησιάσει περισσότερο στον π όπως επιθυμείται. Συγκλίνει αρκετά αργά, αν και – μετά από 500,000 όρους, παράγει μόνο πέντε σωστά δεκαδικά ψηφία του π.

Μια άπειρη σειρά για το π (δημοσιεύθηκε από τον Nilakantha τον 15ο αιώνα) που συγκλίνει πιο γρήγορα από τη σειρά του Gregory–Leibniz είναι:

 

Ο ακόλουθως πίνακας συγκρίνει τα ποσοστά σύγκλισης από αυτές τις δύο σειρές:

Μετά από πέντε όρους, το άθροισμα της σειράς του Gregory–Leibniz είναι εντός 0.2 της σωστής τιμής του π, ενώ το ποσό της σειράς του Nilakantha είναι εντός 0.002 της σωστής τιμής του π.Η σειρά του Nilakantha συγκλίνει γρηγορότερα και είναι πιο χρήσιμη για τον υπολογισμό των ψηφίων του π. Μια σειρά που συγκλίνει ακόμη πιο γρήγορα περιλαμβάνει τη σειρά σειρά Machin και σειρά Chudnovsky, που αργότερα παρήγαγε 14 σωστά δεκαδικά ψηφία ανά όρο.

Αρρητότητα και υπερβατικότητα
Δεν στόχευαν όλες οι μαθηματικές πρόοδοι που αφορούν τον π στην αύξηση της ακρίβειας των προσεγγίσεων. Όταν ο Όιλερ έλυσε το πρόβλημα της Βασιλείας το 1735, βρίσκοντας την ακριβή τιμή του αθροίσματος των αμφότερων τετραγώνων, καθιέρωσε μια σύνδεση μεταξύ του π και των πρώτων αριθμών που αργότερα συνέβαλαν στην ανάπτυξη και τη μελέτη της συνάρτησης ζήτα του Ρίμαν:

Ο Ελβετός επιστήμονας Λάμπερτ το 1761 απέδειξε ότι ο π είναι άρρητος, που σημαίνει ότι δεν είναι ίσος με το πηλίκο δύο ακεραίων αριθμών. Η απόδειξη του Λάμπερτ εκμεταλλεύτηκε μια αναπαράσταση συνεχών κλασμάτων της συνάρτησης εφαπτομένης. Ο Γάλλος μαθηματικός Λεζάντρ απέδειξε το 1794 ότι ο π2 είναι επίσης άρρητος. Το 1882, ο Γερμανός μαθηματικός φον Λίντεμαν απέδειξε ότι ο π είναι υπερβατικός, επιβεβαιώνοντας την εικασία που έκαναν αμφότεροι ο Λεζάντρ και ο Όιλερ.

Εποχή υπολογιστών και επαναληπτικοί αλγόριθμοι

Η ανακάλυψη των υπολογιστών στα μέσα του 20ού αιώνα αναζωπύρωσαν το κυνήγι για τα ψηφία του π. Οι Αμερικανοί μαθηματικοί Τζων Ρεντς και Levi Smith έφτασαν τα 1.120 ψηφία το 1949 χρησιμοποιώντας μια αριθμομηχανή γραφείου. Χρησιμοποιώντας μια άπειρη σειρά της αντίστροφης εφαπτομένης (arctan), μια ομάδα με επικεφαλής τους George Reitwiesner και John von Neumann την ίδια χρονιά ανακάλυψαν 2.037 ψηφία με τον υπολογισμό που έκανε  ο υπολογιστής ENIAC σε 70 ώρες του χρόνου του υπολογιστή. Την ιστορία του, επικαλείται πάντα μια σειρά arctan, που έσπαγε επανειλλημένα τα προηγούμενα ρεκορ(7.480 ψηφία το 1957, 10.000 ψηφία το 1958, 100.000 ψηφία το 1961) μέχρι 1 εκατομμύριο ψηφία το 1973.

Δύο επιπλέον εξελίξεις γύρω στο 1980 επιτάχυναν εκ νέου τη δυνατότητα υπολογισμού του π. Πρώτον, η ανακάλυψη νέων επαναληπτικών αλγορίθμων για τον υπολογισμό του π, που ήταν πολύ πιο γρήγοροι από την άπειρη σειρά, και δεύτερον, η εφεύρεση γρήγορου πολλαπλασιασμού αλγορίθμων που θα μπορούσε να πολλαπλασιάσει μεγάλους αριθμούς πολύ γρήγορα . Τέτοιοι αλγόριθμοι είναι ιδιαίτερα σημαντικοί στους σύγχρονους υπολογισμούς του π , επειδή το μεγαλύτερο μέρος του χρόνου του υπολογιστή είναι αφιερωμένο στον πολλαπλασιασμό. Περιλαμβάνουν τον αλγόριθμο Karatsuba, τον πολλαπλασιασμό Toom–Cook και μεθόδους του μετασχηματισμού Fourier.

Οι επαναληπτικοί αλγόριθμοι δημοσιεύθηκαν ανεξάρτητα το 1975–1976 από τον Αμερικάνο φυσικό Eugene Salamin και Αυστραλιανό επιστήμονα Richard Brent. Αυτοί απέφευγαν την εξάρτηση από τις άπειρες σειρές. Ένας επαναληπτικός αλγόριθμος επαναλαμβάνει έναν ειδικό υπολογσμό,κάθε επανάληψη με εισροές,τις εκροές από προηγούμενα βήματα, και παράγει ένα αποτέλεσμα με κάθε βήμα που συγκλίνει στην επιθυμητή τιμή. Η προσέγγιση ανακαλύφθηκε στην πραγματικότητα πάνω από 160 χρόνια νωρίτερα από τον Carl Friedrich Gauss, σε αυτό που αποκαλείται τώρα αριθμητική-γεωμετρική σημασιακή μέθοδος (AGM μέθοδος) ή αλγόριθμος Gauss–Legendre. Καθώς τροποποιήθηκε από τους Salamin και Brent, αυτό επίσης αναφέρεται και ως αλγόριθμος Brent-Salamin.

Οι επαναληπτικοί αλγόριθμοι χρησιμοποιήθηκαν ευρέως μετά το 1980, επειδή είναι πιο γρήγοροι από τις άπειρες σειρές αλγορίθμων: ενώ οι άπειρες σειρές συνήθως αυξάνουν τον αριθμό των σωστών ψηφίων αθροιστικά σε διαδοχικούς όρους, οι επαναληπτικοί αλγόριθμοι γενικά πολλαπλασιάζουν τον αριθμό των σωστών ψηφίων σε κάθε βήμα. Για παράδειγμα, ο αλγόριθμος Brent-Salamin  διπλασιάζει τον αριθμό των ψηφίων σε κάθε επανάληψη. Το 1984, τα Καναδά αδέρφια John και Peter Borwein παρήγαγαν έναν επαναληπτικό αλγόριθμο που τετραπλασιάζει τον  αριθμό των ψηφίων σε κάθε βήμα; και το 1987, ένας που αυξάνει τον αριθμό των ψηφίων πέντε φορές σε κάθε βήμα. Επαναληπτικές μέθοδοι χρησιμοποιήθηκαν από τον Ιάπωνα μαθηματικό Yasumasa Kanada για να καθορίσουν πολλά ρεκορ για τον υπολογισμό του π μετάξυ 1995 και 2002. Αυτή η ταχεία σύγκλιση έρχεται σε μια τιμή: οι επαναληπτικοί αλγόριθμοι απαιτούν σημαντικά περισσότερη μνήμη από τις άπειρες σειρές.

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.

Γρήγορα συγκλίνουσες σειρές

Οι σύγχρονες αριθμομηχανές π δεν χρησιμοποιούν αποκλειστικά τους επαναληπτικούς αλγόριθμους. Νέες άπειρες σειρές ανακαλύφθηκαν στη δεκαετία του 1980 και 1990 που είναι τόσο γρήγορες όσο οι επαναληπτικοί αλγόριθμοι, όμως είναι απλούστερες και απαιτούν λιγότερη εντατική μνήμη. Οι γρήγοροι επαναληπτικοί αλγόριθμοι αναμενόταν να συμβούν το 1914, όταν ο Ινδός μαθηματικός Srinivasa Ramanujan δημοσίευσε δεκάδες καινοτόμες μορφές εφαρμογών του π, αξιοπρόσεκτα για την κομψότητά τους, το μαθηματικό βάθος, και την ταχεία σύγκλιση. Ένας από τους τύπους, που βασίζεται σε σπονδυλωτές εξισώσεις είναι:

Αυτή η σειρά συγκλίνει γρηγορότερα από τη σειρά arctan, συμπεριλαμβανομένου του τύπου Machin. Ο Bill Gosper ήταν ο πρώτος που την χρησιμοποίησε για τις εξελίξεις στον υπολογισμό του π, θέτοντας ένα ρεκόρ των 17 εκατομμυρίων ψηφίων το 1985. Ο τύπος του Ramanujan αναμένει τους σύγχρονους αλγορίθμους που αναπτύχθηκαν από τους αδερφούς Borwein και τους αδερφούς Chudnovsky. Ο τύπος των Chudnovsky που αναπτύχθηκε το 1987 είναι

Παράγει περίπου 14 ψηφία του π ανά όρο, και έχει χρησιμοποιηθεί για πολλούς υπολογισμούς π ρεκόρ, συμπεριλαμβανομένου του πρώτου να ξεπεράσει (109) ψηφία το 1989 από τα αδέλφια Chudnovsky, 2.7 τρισεκατομμύρια (2.7×1012) ψηφία από τον Fabrice Bellard το 2009, και 10 τρισεκατομμύρια (1013) ψηφία το 2011 από τους Alexander Yee και Shigeru Kondo.

Το 2006, ο Καναδός μαθηματικός Simon Plouffe χρησιμοποίησε την αλγοριθμική σχέση ακέραιος PSLQ  για να παράγει αρκετές νέες μορφές εφαρμογών του π, σύμφωνα με το ακόλουθο πρότυπο:

όπου  είναι το  (σταθερά του Gelfond),  είναι ένας μονός αριθμός, και  είναι ορισμένοι λογικοί αριθμοί που υπολόγισε ο Plouffe .

Αλγόριθμοι βρύσης
Δύο αλγόριθμοι που επινοήθηκαν το 1995 άνοιξαν νέους δρόμους στην έρευνα του π. Καλούνται αλγόριθμοι βρύσης (tap) επειδή, όπως το νερό που στάζει από μια βρύση, παράγουν μονά ψηφία του π που δεν ξαναχρησιμοποιούνται όταν αυτά υπολογιστούν. Αυτό είναι σε αντίθεση με τις άπειρες σειρές ή τους επαναληπτικούς αλγόριθμους, που θα διατηρήσουν και θα χρησιμοποιήσουν όλα τα ενδιάμεσα ψηφία μέχρι να παραχθεί το τελικό αποτέλεσμα.

Οι Αμερικανοί μαθηματικοί Stan Wagon και Stanley Rabinowitz παρήγαγαν ένα τάπα αλγόριθμο το 1995. Η ταχύτητά του συγκρίνεται με αλγόριθμους arctan, αλλά δεν είναι τόσο γρήγορος όσο ο επαναληπτικός αλγόριθμος.

Άλλος αλγόριθμος τάπα, ο BBP αλγόριθμος εξόρυξης ψηφίων, ανακαλύφθηκε το 1995 από τον Simon Plouffe:

Αυτός ο τύπος, σε αντίθεση με άλλους προγενέστερους από αυτόν, μπορεί να παράγει κάθε δεκαεξαδικό ψηφίο του π χωρίς τον υπολογισμό όλων των προηγούμενων ψηφίων του. Κάθε οκταδικό ή δυαδικό ψηφίο μπορεί να εξορυχθεί-προκύψει από ένα δεκαεξαδικό ψηφίο. Παραλλαγές του αλγορίθμου που έχουν ανακαλυφθεί, αλλά δεν έχει ακόμα ανακαλυφθεί ο αλγόριθμος εξόρυξης ψηφίων που θα παράγει γρήγορα τα δεκαδικά ψηφία . Μια σημαντική εφαρμογή των αλγορίθμων εξόρυξης ψηφίων είναι να επικυρώσει τις νέες απαιτήσεις των υπολογιστικών ρεκόρ π : μετά από μια νέα εγγραφή που ζητήθηκε, το δεκαδικό αποτέλεσμα μετατρέπεται σε δεκαεξαδικό, και στη συνέχεια ένας αλγόριθμος εξόρυξης ψηφίων χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό αρκετών τυχαίων δεκαδικών ψηφίων κοντά στο τέλος; Αν ταιριάζουν, αυτό παρέχει ένα μέτρο της εμπιστοσύνης ότι ολόκληρος ο υπολογισμός είναι σωστός.

Ανάμεσα στο 1998 και 2000, τα κατανεμημένα υπολογιστικά έργα PiHex χρησιμοποιούν τον τύπο Bellard (μια τροποποίηση του αλγορίθμου BBP) για τον υπολογισμό του πρώτου τετράκις εκατομμυριοστού (1015ο) δυαδικού ψηφίου του π, το οποίο αποδείχτηκε ότι ήταν 0. Το Σεπτέμβριο του 2010, ένας υπάλληλος του Yahoo! χρησιμοποίησε τις συστοιχίες της εταιρείας Hadoop σε χίλιους υπολογιστές για διάστημα πάνω από 23 μέρες για τον υπολογισμό 256 δυαδικών ψηφίων του π με το δεύτερο τετράκις εκατομμυριοστό (2×1015ο) δυαδικό ψηφίο, το οποίο επίσης συμβαίνει να είναι μηδέν.

Δείτε επίσης 
 Ευκλείδεια Γεωμετρία

Παραπομπές

Εξωτερικοί σύνδεσμοι 

 
Π
Π
Π