圓周率

.
| root of=e^{ix}+1 = 0
| 連分數=
\pi=3+\textstyle \frac{1}{7+\textstyle \frac{1}{15+\textstyle \frac{1}{1+\textstyle \frac{1}{292+\textstyle \frac{1}{1+\textstyle \frac{1}{1+\textstyle \frac{1}{1+\ddots}}}}}}}
|series=\pi = \sum_{k=0}^\infty\frac{4(-1)^k}{2k+1}
| basedata = 
}}

**圓周率**是数学常数，等於任何圆的周长和其直径的比，一個常見的近似值等於，常用符号***'表示。

是[[无理数]]，不能用[[分数]]表示出来（即它的[[小数]]部分是无限不[[循环小数]]），但近似<math display="inline">\frac{22}{7}</math>等有理数。學界認為的数字序列[[正规数|在统计上]]是[[随机数列|随机分布]]，但迄今未能证明。此外，还是[[超越数]]，亦即它不是任何[[有理数|有理]][[系数]][[多项式]]的[[根 (数学)|根]]；[[化圆为方]]的问题不可能用[[尺规作图]]解决。

几个[[文明古国]]很早就須计算出的精确值以便于生产的计算。西元5世纪，中國[[南朝宋|劉宋]]数学家[[祖冲之]]用几何方法将圆周率计算到小数点后7位。大约同时，[[印度]]数学家也将圆周率计算到小数点后5位。史上首條的精确[[无穷级数]]公式（即[[π的莱布尼茨公式]]）直到约1000年后才由印度数学家发现。[[微積分]]出現，的位數很快計到數百位，足以滿足任何科學工程的計算需求。在20和21世纪，[[计算机科学|计算机技术]]快速发展，的计算精度急速提高。截至2024年3月，的[[十进制]]精度已達105万亿位。几乎所有科学研究对的精度要求都不超过几百位，当前计算的值主要都为打破记录、测试[[超级计算机]]的计算能力和高精度乘法[[算法]]。

的定义涉及圆，在[[三角学]]和[[几何学]]的许多公式，特别是广泛应用在圆形、球形或椭球形相關公式中。在近代[[數學分析]]裡，改由[[實數]]系統譜性質中的[[特征值]]或[[週期]]來定義，其他[[數學領域]]如[[數論]]、[[統計]]以及[[幾乎所有]][[物理學]]領域均有出現，的广泛用途使它成为科学界内外最广为人知的[[数学常数]]。几本专门介绍的书籍经已出版，圆周率日（3月14日）和值计算突破记录也往往会成为报纸的新闻头条。此外，[[背诵]]值的世界记录已达10萬位。
 



==基本概念==
===名称===
数学家用小写[[希腊字母]]表示圆周和其直径之比，有时也将其拼写为“”，来自希腊语“”（周长）的首字母。英语的发音与英文单词“Pie”（，[[西式馅饼]]）相同。π的小写字母（或其[[无衬线体]]）在数学要和表示[[求積符號]]的大写Π相区分开。

关于选择符号的原因，请参见[[圓周率#引入π符号|引入π符号]]一节。

=== 定义 ===

常用定义为[[圆]]的[[圆周|周长]]<math>C</math>与[[直径]]<math>d</math>的比值：
:<math> \pi = \frac{C}{d}</math>。

无论圆的大小如何，比值<math>\frac{C}{d}</math>为恒值。如果圆的直径变为原先的二倍，周长也变为二倍，比值<math>\frac{C}{d}</math>不变。目前的定义暗地用了[[欧几里得几何]]的一些定理，虽然圆的定义可扩展到任意曲面（即[[非欧几里得几何]]），但这些圆不符合定律<math> \pi = \frac{C}{d}</math>。

这里，圆的周长指其圆周的[[弧长]]，弧长这概念可以不依赖几何学，而是用[[微积分]]学的[[函数极限|极限]]来定义。例如，若想计算[[笛卡儿坐标系]]中单位圆<math>x^2+y^2=1</math>上半部分的弧长，需要用到[[积分]]：
:<math>\pi = \int_{-1}^1 \frac{dx}{\sqrt{1-x^2}}.</math>

上述积分是由[[卡尔·魏尔斯特拉斯]]于1841年对的积分定义。

这些依赖周长、且暗地依赖[[积分]]的定义如今在文献中并不常见。雷默特（）解释说现代教微积分時，大学一般将[[微分|微分学]]课程安排在积分学课程之前，所以不依赖于后者的π的定义就很有必要了。其中一种定义由提出，由[[愛德蒙·蘭道]]推广，其表述如下：是两倍于能使[[餘弦|余弦函数]]等于零的最小正数。余弦函数可以由独立于几何之外的[[幂级数]]定义，或者使用[[微分方程]]的解来定义。

在相似的启发下，可以用关于[[复变量]]<math>z</math>的[[复指数]]函数<math>\exp(z)</math>来定义。复指数类似余弦函数，可用多种方式定义。令函数<math>\exp(z)</math>值为一的复数集合是如下所示的（虚）等差數列：

:<math>\{\dots,-2\pi i, 0, 2\pi i, 4\pi i,\dots\} = \{2\pi ki| k\in\mathbb Z\}</math>，

并且其中包括独特的正实数。

基于同样想法但更抽象的定义运用了精巧的[[拓扑学]]和[[代数学]]概念，用以下定理描述：存在唯一的从加法模数整数组成的实数群'''R'''/'''Z'''到绝对值为1的复数组成的乘法群的[[态射|连续同态]]（拓扑学概念，指在[[拓扑空间]]之间的一种[[态射]]）。数字π定义为此[[同态]]派生的模的一半。

周长固定，圆会围成最大面积，π同樣表述为[[等周不等式]]中出现的常数（乘四分之一）。此外，在很多其他紧密相关的方程中，π作为某些几何或者物理过程的[[特征值]]出现；详见[[#谱特征|下文]]。

===无理及正规性===
是[[无理数]]，无法表示成[[有理数|两整数之比]]的形式（形如<math display="inline">\frac{22}{7}</math>的分数常用来近似表达，但是没有任何[[分數|普通分数]]（指整数的比）可以取到的精确值）。由于是无理数，故可表示为无限不循环小数。有多种方法能[[证明π是无理数]]，这些证明也都要用到[[微积分学]]和[[反证法]]。可以用[[有理数]]来近似的程度還無法準確得知（稱為[[超越數#實數的無理性度量|無理性度量]]），不過估計其無理性度量比<math>e</math>或<math>\ln(2)</math>的要大，但是小於[[刘维尔数]]的無理性度量。

检验，包括[[正规数]]检验，可验证的位數沒有明顯的固定模式。的小数中任意固定长度的序列（如3位數000，001……999）出現機率都相同。不過有關是[[正规数]]的猜想既無證明，亦無[[证伪|-{zh-hans:证伪;zh-hant:否證;}-]]。

電腦出現後可生成大量的不同位数，并統計分析之。[[金田康正]]詳細統計分析了的十進制數字，并验证了其分布正规：例如，[[假設檢定]]0到9十個數的出現頻率，找不到有特定重复规律的證據。根據[[無限猴子定理]]，任何任意長度、由隨機內容組成的子序列看起來都有可能像不隨機生成。因此，就算的小数序列通過了隨機性統計測試，其中也可能有幾位的數字看起來似有规律可循而非隨機数，例如的十進制写法在小數第762位后开始出现了[[連續六個的9|連續六個9]]。

===超越性===


不仅是无理数，还是[[超越数]]，即不是任何有理系数[[多项式]]的[[根 (数学)|根]]。（比方说，试图解有限项方程<math display="inline">\frac{x^5}{120} - \frac{x^3}{6} + x = 0 </math>来求的值）

的超越性衍生出一些重要的结果：不能经有限次四则运算和开平方运算有理数来获得，因此不是[[规矩数]]。换言之，[[尺规作图]]作不出长度为的线段，也就不可能用尺规方法做出与已知圆面积相等的正方形。后者即为有名的[[化圓為方]]问题，该问题早在[[古典时代]]即已提出，曾困扰人数千年之久。直至今天，依然有[[民科|民间数学爱好者]]声称他们解决了这问题。

===连分式===
像所有无理数一样无法表示成[[分数]]，但等全部无理数都能表示成一系列叫[[连分数]]的连续分数形式：

:<math>
\pi=3+\textstyle \frac{1}{7+\textstyle \frac{1}{15+\textstyle \frac{1}{1+\textstyle \frac{1}{292+\textstyle \frac{1}{1+\textstyle \frac{1}{1+\textstyle \frac{1}{1+\ddots}}}}}}}</math>

在这连分数的任意一点截断化简，都能得到π的近似值；前四位近似值是3、<math>\frac{22}{7}</math>、<math>\frac{333}{106}</math>、<math>\frac{355}{113}</math>。这些数在历史上是最广为人知且广為使用的几个近似值。用以上方式得出的的近似值要比任何有相同或更小的整数分母的其他整数分数近似值更接近。是超越数，据定义来说它不是[[代數數]]，又因此不可能是[[二次無理數]]；是故不能表示为[[循环连分数]]。尽管的简单连分数没有表现出任何其他明显规律，数学家發現了数條广义连分数能表示，例如：
:<math>\pi=\textstyle \cfrac{4}{1+\textstyle \frac{1^2}{2+\textstyle \frac{3^2}{2+\textstyle \frac{5^2}{2+\textstyle \frac{7^2}{2+\textstyle \frac{9^2}{2+\ddots}}}}}}
=3+\textstyle \frac{1^2}{6+\textstyle \frac{3^2}{6+\textstyle \frac{5^2}{6+\textstyle \frac{7^2}{6+\textstyle \frac{9^2}{6+\ddots}}}}}
=\textstyle \cfrac{4}{1+\textstyle \frac{1^2}{3+\textstyle \frac{2^2}{5+\textstyle \frac{3^2}{7+\textstyle \frac{4^2}{9+\ddots}}}}}</math>

===近似值===
[[圆周率近似值]]包括：
*'''[[整数]]'''：[[3]]
*'''[[分数]]'''（依准确度顺序排列）：<math>\frac{13}{4}</math>、<math>\frac{16}{5}</math>、<math>\frac{19}{6}</math>、<math>\frac{22}{7}</math>、<math>\frac{179}{57}</math>、<math>\frac{267}{85}</math>、<math>\frac{333}{106}</math>、<math>\frac{355}{113}</math>、<math>\frac{52163}{16604}</math>、<math>\frac{53228}{16943}</math>、<math>\frac{55358}{17621}</math>、<math>\frac{57843}{18412}</math>、<math>\frac{60328}{19203}</math>、<math>\frac{103993}{33102}</math>、<math>\frac{245850922}{78256779}</math>（选自  及 。）
*'''[[小數]]'''（整数后首100位）：3.14159 26535 89793 23846 26433 83279 50288 41971 69399 37510 58209 74944 59230 78164 06286 20899 86280 34825 34211 70679...（另见 ）

'''其他进位制的近似值'''
* [[二进制]]（整数后首48位）： 
* [[十六进制]]（整数后首20位）：
* [[六十进制]]（整数后首20位）：…

===复数与欧拉恒等式===


任何[[复数 (数学)|复数]]（以<math>z</math>为例）都可以表示为一组[[实数]]对：[[极坐标系]]用实数<math>r</math>表示[[半径]]，代表[[复平面]]上复数<math>z</math>离原點的距离；实数<math>\varphi</math>则表示夹角，即这条半径（复平面上复数<math>z</math>与原点的连线）与正实轴经顺时针转动的夹角。这样一来，<math>z</math>就可写成

:<math>z = r\cdot(\cos\varphi + i\sin\varphi)</math>，这里<math>i</math>代表[[虛數單位]]，即<math>i^2=-1</math>。

[[复分析]]中，[[欧拉公式]]将[[三角函数]]与复[[指数函数]]糅合在一起：

:<math>e^{i\varphi} = \cos \varphi + i\sin \varphi</math>，这里[[E (数学常数)|数学常数]]是[[自然對數]]的底数。

欧拉公式确立了<math>e</math>的复指数与复平面上以原点为圆心的[[单位圆]]上的点之间的关系，而且当<math>\varphi=\pi</math>时，欧拉公式就能改写为[[歐拉恆等式]]的形式：

:。此等式亦稱“最奇妙的数学公式”（），全因它将五个最基本的数学常数简洁联系起来。

欧拉等式亦可用于求出方程<math>z^n=1</math>的<math>n</math>个不同复数根（这些根叫做<math>n</math>次[[单位根]]”），可以根据以下公式求得：
:<math>e^{ \frac{2 \pi i k}{n}} \qquad (k = 0, 1, 2, \dots, n - 1)</math>。

=== 谱特征 ===

常[[#用途|出现]]在有关几何的问题中。然而，不少和几何无关的问题也可看到的身影。

在許多用處中都會以[[特征值]]形式出現。例如理想的問題可以建模為函數<math>f</math>在單位區間<math>[0,1]</math>的圖形，[[边值问题|固定邊界值]]为<math>f(0)=f(1)=0</math>。弦振動的模態會是[[微分方程]]的<math>f^n(x)+\lambda^2f(x)=0</math>，此處是相關的特徵值。受[[施图姆-刘维尔理论|施图姆－刘维尔理论]]限制，<math>\lambda</math>只能是一些特定的數值。而<math>\lambda=\pi</math>即為一個特征值，因為函數<math>f(x)=\sin (\pi x)</math>滿足邊界條件及微分方程<math>\lambda=\pi</math>。


是上述方程的最小特征值，也和弦振動的有關。一種讓弦振動的方式是提供弦能量，能量會滿足[[維廷格函數不等式]]，其中提到若函數<math>f:[0,1]\rightarrow \mathbb{C}</math>使得<math>f(0)=f(1)=0</math>，且<math>f</math>和<math>f'</math>都是[[平方可積函數]]，則以下的不等式成立：

:<math>\pi^2\int_0^1|f(x)|^2\,dx\le \int_0^1|f'(x)|^2\,dx,</math>

此例中等號成立的條件恰好是<math>f</math>為<math>\sin (\pi x)</math>倍數的時候。因此似乎是維爾丁格不等式的最佳常數，也是最小的特征值（根據[[雷利商數]]的計算方式）

在更高維度的分析也有類似的角色，出現在其他類似問題的特徵值中。就如[[#定义|以上所述]]，的一項特點是[[等周定理]]中的最佳常數：周長為<math>P</math>的平面[[若尔当曲线定理|若尔当曲线]]，所圍面積<math>A</math>滿足以下的不等式

:<math>4\pi A\le P^2</math>，
<math>A=\pi r^2</math>及<math>P=2\pi r</math>，故等號成立的條件是曲线為圓形。

圓周率也和[[庞加莱不等式]]的最佳常數有關，是一維及二維的[[特征向量]]最佳值中最小，會出現在許多經典的物理現象中，例如經典的[[位势论]]。其一維的情形即為維廷格不等式。

圓周率也是[[傅里叶变换]]的重要常數，傅里叶变换屬於[[积分变换]]，將實數線上有複數值、可積分的函數，轉換為以下形式：
:<math>\hat{f}(\xi) = \int_{-\infty}^\infty f(x) e^{-2\pi i x\xi}\,dx.</math>

傅里叶变换有幾種不同的寫法，但不論怎麼寫，傅里叶变换及反傅里叶变换中，一定會有某處出現。不過上述的定義是最經典的，因為其描述了[[Lp空间|空間]]中唯一的[[幺正算符]]，也是<math>L^1</math>空間到<math>L^\infty</math>空間的代數[[同態]]。

[[不确定性原理]]也用到。不确定性原理提出了可以將函數在空間及在頻域中局部化程度的下限，用傅立葉轉換的方式表示：

:<math>\int_{-\infty}^\infty x^2|f(x)|^2\,dx\ \int_{-\infty}^\infty \xi^2|\hat{f}(\xi)|^2\,d\xi\ge \left(\frac{1}{4\pi}\int_{-\infty}^\infty |f(x)|^2\,dx\right)^2</math>。
物理的結果，有關[[量子力学]]中同時觀測位置及動量的不確定性，[[圓周率#描述物理现象|見下文]]。[[傅立葉分析]]中出現是的結果，證實了[[海森伯群]]的是唯一。

===高斯积分===


[[高斯积分]]是对[[高斯函数]]<math>e^{-x^2}</math>在整条实轴上的积分，即函数下方与X轴围成的面积，其结果为<math>\sqrt{\pi}</math>，

:<math>\int_{-\infty}^\infty e^{-x^2} \, dx=\sqrt{\pi}</math>

此积分的计算可以先计算<math>f(x)=e^{-x^2}</math>对整条实轴的积分的平方，通过转换[[笛卡尔坐标系]]为[[极坐标系]]从而求得

:<math>\left( \int_{-\infty}^\infty e^{-x^2} \, dx \right)^2 = \iint_{\mathbf{R}^2} e^{-(x^2+y^2)}\,dxdy = \int_0^{2\pi} \int_0^{\infty} e^{-r^2}r\,dr\,d\theta = \pi</math>

其他计算方法可参阅[[高斯积分]]。高斯函数更一般的形式为<math display="inline">f(x)=a\exp{\frac{-(x-b)^2}{2c^2}}</math>，求一般形式的高斯积分均可通过[[换元积分法]]转化为求<math display="inline">f(x)=e^{-x^2}</math>的积分。

另外，当高斯函数为以下形式时，它则是[[平均数]]为<math>\mu</math>和[[標準差]]为<math>\sigma</math>的[[正态分布]]的[[機率密度函數]]：

:<math>f(x) = {1 \over \sigma\sqrt{2\pi} }\,\exp{\frac{-(x-\mu )^2}{2\sigma^2}}</math>

这函数是概率密度函数，函数下方与X轴围成的面积必须为1，令<math>\mu=0</math>和<math>\sigma=1</math>即可变换得出<math display="inline"> \int_{-\infty}^\infty e^{-x^2} \, dx =\sqrt{\pi}</math>。[[概率论]]与[[统计学]]领域经常使用正态分布来作为复杂现象的简单模型：例如科学家通常假设大多数试验观测值的随机误差都是服从正态分布。



概率论与统计学中的[[中心极限定理]]解释了正态分布以及的核心作用，这定理本质上是联系着的[[#谱特征|谱特征]]与[[海森堡]][[不确定性原理]]相关的特征值，并且在不确定性原理中有

:<math> \sigma_{x}\sigma_{p} \geq \frac{\hbar}{2}</math>，

这里的<math>\sigma_{x}</math>與<math>\sigma_{p}</math>分別為位置與動量的[[標準差]]，<math>\hbar</math>是[[約化普朗克常数]]，而不等式的等号当且仅当粒子的波函数为高斯函数使成立。

同样地，作为唯一独特的常数使得高斯函数等于其自身的[[傅里叶变换]]，此时的高斯函数形式为<math>f(x)=e^{-\pi x^2}</math>。根据豪（）的说法，建立傅里叶分析基本定理的“全部工作（whole business）”简化为高斯积分。

==历史== 



===远古时期===
圓周率在远古时期（[[前1千纪|西元前一千纪]]）已估算至前两位（3.1）。有些[[埃及學|埃及學家]]聲稱，遠至[[古王國時期]]時期的古埃及人已經用<math display="inline">\frac{22}{7}</math>作為圓周率的約數，但這說法受到質疑。

最早有記載的对圓周率估值在[[古埃及]]和[[巴比伦]]出现，兩估值都与圆周率的正确数值相差不到百分之一。巴比伦曾出土一塊西元前1900至1600年的[[泥板]]，泥板上的幾何學陳述暗示人们当时把圓周率視同<math display="inline">\frac{25}{8}</math>（等於3.125）。埃及的[[莱因德数学纸草书]]（鉴定撰寫年份為西元前1650年，但抄自一份西元前1850年的文本）載有用作計算圓面積的公式，该公式中圓周率等于<math display="inline">(\frac{16}{9})^2</math>（≈3.1605）。

西元前4世紀的《》的天文學運算把<math display="inline">\frac{339}{108}</math>（≈3.139，精确到99.91%）用作圓周率估值。西元前150年前其他印度文獻把圓周率視為<math display="inline">\sqrt{10}</math>（≈3.1622）。

===割圆时代===

第一條有紀錄、嚴謹計算數值的演算法是用正多邊形的幾何算法，在西元前250年由希臘數學家[[阿基米德]]發明。這算法用了有一千年之久，因而有時亦稱阿基米德常數。阿基米德的算法是在計算圓的外切正六邊形及內接正六邊形的邊長，以此計算的上限及下限，之後再將六邊形變成十二邊形，繼續計算邊長，一直計到正96邊形為止。他根據多邊形的邊長證明<math display="inline">\frac{223}{71}<\pi<\frac{22}{7}</math>（也就是<math display="inline">3.1408<\pi<3.1429</math>）。阿基米德得到的上限<math display="inline">\frac{22}{7}</math>也造成常見誤解，認為就等於<math display="inline">\frac{22}{7}</math>。在西元前150年，希臘羅馬的科學家[[克劳狄乌斯·托勒密]]在《[[天文学大成]]》一書中提到的數值是3.1416，可能來自阿基米德，也可能來自[[阿波罗尼奥斯]]。數學家在1630年利用多邊形的方式計算到第39位小數，一直到1699年，其他數學家才利用無窮級數的方式打破其紀錄，計算到第71位小數。


[[中国历史]]上，的數值有3、3.1547（西元前一世紀）、<math>\sqrt{10}</math>（西元前100年，數值約3.1623）及<math display="inline">\frac{142}{45}</math>（第三世紀，數值約3.1556）。大約在西元265年，[[曹魏]]數學家[[刘徽]]創立[[割圆术 (刘徽)|割圆术]]，用正3072邊形計算出的數值為3.1416。他後來又發明了較快的算法，利用邊數差兩倍的正多邊形，其面積的差值會形成等比數列，其公比為<math display="inline">\frac{1}{4}</math>的原理，配合96邊形算出的值為3.14。[[祖冲之]]在西元480年利用割圆术計算12288邊形邊長，得到的值在3.1415926和3.1415927之间。他同时提出了π的约率<math display="inline">\frac{22}{7}</math>和密率<math display="inline">\frac{355}{113}</math>。在之後的八百年內，這都是最準確的估計值。為紀念[[祖沖之]]對圓周率發展的貢獻，[[日本]]數學家[[三上義夫]]將這推算值命名為“祖沖之圓周率”，簡稱“祖率”。

印度天文學家[[阿耶波多]]在西元499年的著作《[[阿里亞哈塔曆書]]》中使用了3.1416的數值。[[斐波那契]]在大約1220年用獨立於阿基米德多邊形法，計算出3.1418。義大利作家[[但丁·阿利吉耶里]]用的數值則是<math display="inline">3+\frac{\sqrt{2}}{10}\approx 3.14142</math>。

波斯天文學家[[卡西]]在1424年利用3×2<sup>28</sup>邊的多邊形，計算到六十進制的第9位小數，相當十進制的第16位小數。這一突破成為當時的紀錄，延續了約180年。法國數學家[[弗朗索瓦·韦达]]在1579年用3×2<sup>17</sup>邊形計算到第9位小數，佛蘭芒數學家[[阿德里安·范·羅門]]在1593年計算到第15位小數。荷蘭數學家[[鲁道夫·范·科伊伦]]在1596年計算到第20位小數，他之後又計算到第35位小數（因此在二十世紀初之前，圓周率在德國會稱為鲁道夫數）。荷蘭科學家[[威理博·司乃耳]]在1621年計算到第34位小數，而奧地利天文學家在1630年用10<sup>40</sup>邊形計算到第38位小數，至今這仍是利用多邊形算法可以達到最準確的結果。

===无穷级数===

16及17世紀時，開始改用[[無窮级数]]的方式去計。無窮级数是一組[[無窮數列]]的和。無窮级数讓數學家可以計算出比[[阿基米德]]以及其他用幾何方式計算的數學家更準確的結果。雖然[[詹姆斯·格雷果里]]及[[戈特弗里德·莱布尼茨]]等歐洲數學家利用無窮數列計算而使得该方法为大家所知，但这种方法最早是由[[印度]]科學家在大約1400到1500年之間發現。第一個记载用無窮级数計算的人是约西元1500年左右时，印度天文學家在他的著作《》中用梵語詩所記錄。當時沒有這數列對應的證明，而證明出現在另一本較晚的印度作品《》，年代約在西元1530年。尼拉卡莎將該數列歸功於更早期的印度數學家（1350–1425）。相關的無窮级数有許多，包括有關<math>\sin</math>、<math>\tan</math>及<math>\cos</math>的，現在稱為或[[π的莱布尼茨公式]]。瑪達瓦在1400年用無窮级数計算到第11位小數，但在1430年一位波斯數學家[[卡西]]利用多邊形算法否定了他算的結果。


[[韦达公式|歐洲發現的第一條無窮項圓周率公式]]是[[無窮乘積]]（和一般用來計算的無窮級數不同），由法國科學家[[弗朗索瓦·韦达]]在1593年發現：

: <math> \frac2\pi = \frac{\sqrt2}2 \cdot \frac{\sqrt{2+\sqrt2}}2 \cdot \frac{\sqrt{2+\sqrt{2+\sqrt2}}}2 \cdots</math>

[[約翰·沃利斯]]在1655年發現了[[沃利斯乘积]]，是歐洲發現的第二條無窮項圓周率公式：
:<math> 
\frac{\pi}{2} = \frac{2}{1} \cdot \frac{2}{3} \cdot \frac{4}{3} \cdot \frac{4}{5} \cdot \frac{6}{5} \cdot \frac{6}{7} \cdot \frac{8}{7} \cdot \frac{8}{9} \cdots
</math>
[[微积分学]]由英國科學家[[艾萨克·牛顿]]及德國數學家[[戈特弗里德·莱布尼茨]]在1660年代發明，許多計的無窮級數出現。牛頓自己就用[[反正弦]]（<math>\arcsin</math>）數列在1655年或1666年將近似到第15位小數，後來寫到「我很羞愧告訴你我為了計算它用了多少數字，我當時沒有做其他事。」

蘇格蘭數學家[[詹姆斯·格雷果里]]在1671年發現了馬德哈瓦公式，莱布尼茨也在1674年發現：

: <math>
\arctan z = z - \frac {z^3} {3} +\frac {z^5} {5} -\frac {z^7} {7} +\cdots
</math>

這公式即為格雷果里－莱布尼茨公式，在<math>z=1</math>時數值為<math>\frac{\pi}{4}</math>。1699年時英國數學家[[亚伯拉罕·夏普]]用格雷果里－莱布尼茨公式，在<math>z=\frac{1}{\sqrt{3}}</math>時計算，計算到π的第71位小數，打破由多邊形算法得到的第39位小數的记录。格雷果里－莱布尼茨公式在<math>z=1</math>時非常簡單，但[[收斂級數|收斂]]到最終值的速度非常慢，現在不会再用此公式來計π。

[[約翰·梅欽]]在1706年用格雷果里－莱布尼茨級數產生了可以快速收斂的公式：
:<math> \frac{\pi}{4} = 4 \, \arctan \frac{1}{5} - \arctan \frac{1}{239}</math>

梅欽用這公式計到第100位小數後來其他數學家也發展了一些類似公式，現在稱為[[梅欽類公式]]，創下了許多計算位數的紀錄。在進入電腦時代時，梅欽類公式仍然是耳熟能详可以計算的公式，而且在约250年的时间里，很多有關位數的紀錄都是梅欽類公式所得，比如在1946年時由達尼爾·弗格森（）用這類公式計到第620位小數，是沒有計算設備輔助的最佳紀錄。

1844年，計算天才在德國數學家[[卡爾·弗里德里希·高斯]]的要求下以梅欽類公式心算了的200位小數，並創下紀錄。英國數學家花了15年的時間計算到小數707位，不過第528位小數出錯，後面的小數也都不正確。

====收敛速度====
有些的無窮級數[[收斂級數|收斂]]的比其他級數要快，數學家一般會選用收斂速度較快的級數，可以在較少的計算量下計算，且達到需要的準確度。以下是的[[Π的莱布尼茨公式|莱布尼茨公式]]：
:<math> \pi = \frac{4}{1} - \frac{4}{3} + \frac{4}{5} - \frac{4}{7} + \frac{4}{9} - \frac{4}{11} + \frac{4}{13} - \cdots</math>

隨著一項一項的值加入總和中，只要項次夠多，總和最後會慢慢接近π。不過此數列的收斂速度很慢，要到50萬項之後，才會精確到的第五位小數。

尼拉卡莎在15世紀發展了的另一條無窮級數，收斂速度比格雷果里－萊布尼茨公式快很多：

: <math> \pi = 3 + \frac{4}{2\times3\times4} - \frac{4}{4\times5\times6} + \frac{4}{6\times7\times8} - \frac{4}{8\times9\times10} + \cdots</math>

以下比較兩條級數的收斂速率：
<center>

</center>
計算前五項後，格雷果里－萊布尼茨級數的和跟的誤差為0.2，而尼拉卡莎級數和的誤差為0.002。尼拉卡莎級數收斂快很多，也甚為適合用來計的值。收斂更快的級數有[[梅欽類公式]]及[[楚德诺夫斯基算法]]，後者每計一項就可以得到14位正確的小數位。

===无理与超越性===

并非所有和有关的研究都旨在提高计算它的准确度。1735年，[[欧拉]]解决了[[巴塞尔问题]]，建立了所有[[平方倒數|平方数倒数]]和与的关系。之后欧拉发现了[[欧拉乘积公式]]，得到了、[[素数]]的重要關聯，對日後[[黎曼ζ函數]]的研究影響深遠。

:<math> \frac{\pi^2}{6} = \frac{1}{1^2} + \frac{1}{2^2} + \frac{1}{3^2} + \frac{1}{4^2} + \cdots</math>

1761年，瑞士数学家[[约翰·海因里希·朗伯]]用[[正切函数]]的无穷连分数表达式[[证明π是无理数|证明]]了是[[無理數]]。1794年，法国数学家[[阿德里安-马里·勒让德|阿德里安－马里·勒让德]]证明了<math>\pi^2</math>也是无理数。1882年，德国数学家[[费迪南德·冯·林德曼]]证明了对任何非零代数数<math>\alpha</math>，<math>e^{\alpha}</math>都是超越数，该结论后来由[[魏尔斯特拉斯]]推广为[[林德曼-魏尔斯特拉斯定理|林德曼－魏尔斯特拉斯定理]]。据此定理和欧拉公式，π只能是[[超越數]]，進而证实了勒让德和欧拉提出的π超越性猜想。[[戈弗雷·哈罗德·哈代|哈代]]在其著作《数论导引》中则称此证明在提出後，經過[[希尔伯特]]、[[施瓦兹]]和其他一些人化简过。

=== 引入符号 ===

在用专指“圆周率”之前，希腊字母即已用於幾何概念中。[[威廉·奥特雷德]]在1647年起在《數學之鑰》（Clavis Mathematicae）就已經用及<math>\delta</math>（對應p和d的希臘字母）來表示圓的周長及直徑的比例。

[[威廉·琼斯 (数学家)|威廉·琼斯]]在他1706年出版的《新數學導論》（）提到了，是目前已知最早专门用希臘字母表示圓周和其直徑比例的人。這希臘字母第一次出现是在书中討論一塊半徑1的圓時提到「其圓周長一半（）」。琼斯選用可能因它是希臘文“周边”一词“”的首字母。不過琼斯提到，他那些有關的算式出自「真正聰明的約翰·梅欽先生」，人们推測在瓊斯之前，[[約翰·梅欽]]就已开始用表示圓周率。

瓊斯在1706年開始使用此希臘字母，但直到[[萊昂哈德·歐拉]]在其1736年出版的《》中開始使用之后，其他数学家才纷纷开始用指代圆周率。在此之前，數字家可能用像''c''或''p''之類的字母代表圓周率。歐拉與歐洲其他數學家间时常互相写信来往，的用法迅速傳播开来。1748年歐拉在他的《[[无穷小分析引论]]》再一次提到了，写道：「簡潔起見，我們將此數字寫為，等於半徑為1的圓周長的一半。」这表示方式之後也推展到整片[[西方世界]]。

==现代数值近似==

===计算机时代与迭代算法===



二十世紀中期计算机技术发展、革新再次引发了計算位數的熱潮。美國數學家[[约翰·伦奇]]及李維·史密斯在1949年用桌上型計算機計算到1120位。同年，喬治·韋斯納（George Reitwiesner）及[[约翰·冯·诺伊曼]]帶領的團隊利用[[反三角函数]]（arctan）的[[無窮級數]]，用[[電子數值積分計算機|ENIAC]]計算到了小數後2037位，花了70小時的電腦工作時間。這紀錄後來多次由其他透過arctan級數计算出的結果打破（1957年到7480位小數，1958年到第一萬位數，1961年到第十萬位小數），直到1973年，小数点后第一百萬位小數經已算出。

1980年代有两项發明加速計算了π。第一项是發现了新的迭代法去计的值，計算速度比無窮級數快很多；另一项是發现了可以快速計算大數字乘積的[[乘法演算法]]。電腦大部分的工作時間都是在計乘法，這類演算法對現代計格外重要。這類演算法包括[[Karatsuba算法|嘉良對馬（Karatsuba）算法]]、[[Toom–Cook乘法|譚曲（Toom－Cook）乘法]]及以[[傅里叶变换]]為基礎的乘法演算法（傅里叶乘法）。

迭代演算法最早是在1975年至1976年间分别由美國物理學家及奧地利科學家独立提出。這两條演算法没有依赖無窮級數來計算。迭代會重覆特定計算，将前一次的計算結果作为這一次的輸入值，使得計算結果漸漸的趨近理想值。此方式的原始版本其實是在160年前由[[卡爾·弗里德里希·高斯]]提出，現在稱為[[算术-几何平均数|算术－几何平均数算法]]（AGM法）或[[高斯-勒让德算法|高斯－勒让德算法]]。薩拉明及布蘭特都曾修改之，这算法也稱為薩拉明－布蘭特演算法。

迭代演算法收斂速度比無窮級數快很多，在1980年代以後廣為使用。無窮級數隨著項次的增加，一般來說正確的位數也會增加幾位，但迭代演算法每計算多一次，正確位數會呈几何级数增长。例如薩拉明－布蘭特演算法每計算多一次，正確位數會是之前的二倍。1984年加拿大人及提出迭代演算法，每計算多一次，正確位數會是之前的四倍，1987年時有另一條迭代演算法，每計算多一次，正確位數會是之前的五倍。日本數學家[[金田康正]]使用的演算法在1955年及2002年間創下了若干項紀錄。不過迭代演算法的快速收斂也有其代價，需要的記憶體明顯比無窮級數多。

=== 计算的意义 ===

一般而言，值并不需要过于精确便能够满足大部分数学运算的需求。按照約·安（Jörg Arndt）及古里斯佗夫·希奴（）的计算，39位精確度已可将[[可觀測宇宙]]圆周的精确度準確至一粒原子大小，足以運算絕大多數[[宇宙学]]的计算需求。尽管如此，和π有關的成就往往成為世界各地的新聞頭條；部分人出于對破紀錄的冲动，依然奋力算出π小数点后上千甚至上百萬位。此外也有測試[[超级计算机]]、測試数值分析算法（包括）等實際好處。純粹數學這领域也能计算π的位数评定其隨機度。

===快速收敛级数===

现代计算的程序不仅局限于迭代算法。20世纪80与90年代，出现了可用来计算的新无穷级数，其收敛速度可与迭代算法媲美，而又有着复杂度、内存密集度更低的优势。印度数学家[[斯里尼瓦瑟·拉马努金]]是这方面的先驱，他在1914年发表了许多与π相关的公式，这些公式十分新颖，极为优雅而又颇具数学深度，收敛速度也非常快。下式即为一例，其中用到了[[模方程]]：

:<math>\frac{1}{\pi} = \frac{2 \sqrt 2}{9801} \sum_{k=0}^\infty \frac{(4k)!(1103+26390k)}{k!^4(396^{4k})}.</math>
这无穷级数收敛速度远快于绝大多数反正切数列，包括梅钦公式。第一位使用拉马努金公式计算π并取得进展的是，他在1985年算得了小数点后一千七百万位。拉马努金公式开创了现代数值近似算法的先河，此后波尔文兄弟和进一步发展了这类算法。后者于1987年提出了[[楚德诺夫斯基算法|楚德诺夫斯基公式]]，如下所示：
:<math>\frac{1}{\pi} = \frac{12}{640320^{3/2}} \sum_{k=0}^\infty \frac{(6k)! (13591409 + 545140134k)}{(3k)!(k!)^3 (-640320)^{3k}}.</math>

此公式每计算一项就能得到π的约14位数值，因而用於突破圆周率的数位的计算。利用这公式，楚德诺夫斯基兄弟于1989年算得π小数点后10亿（10<sup>9</sup>）位，[[法布里斯·贝拉]]于2009年算得2.7千亿（2.7×10<sup>12</sup>）位，亚历山大·易和近藤滋在2011年算得一万亿（10<sup>13</sup>）位。类似的公式还有。

2006年，加拿大数学家[[西蒙·普勞夫]]利用PSLQ按照以下模版生成了几條计算π的新公式：

:<math>\pi^k = \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^k} \left(\frac{a}{q^n-1} + \frac{b}{q^{2n}-1} + \frac{c}{q^{4n}-1}\right)</math>，
<math>q</math>为[[E的π次方|<sup></sup>]]，<math>k</math>是[[奇偶性 (数学)|奇数]]，<math>a,b,c</math>是普勞夫计算出的有理常数。

=== 統計模擬法 ===

[[蒙特卡洛方法|統計模擬法]]是以概率统计理论为指导的一类非常重要的计数方法，經大量重复试验计算事件发生频率，按照[[大数定律]]（即当试验次数充分大时，频率充分接近概率）可以求得的近似值。 [[布豐投針問題|布芬（Buffon）投針問題]]就是其中一項實例：长度<math>l</math>的针随机往画满间距<math>t\left ( l\leq t \right )</math>的平行线的平面上抛掷<math>n</math>次， 如果针与平行直线相交<math>m</math>次，<math>n</math>充分大就可根据以下公式算出的近似值：

: <math>\pi \approx \frac{2n\ell}{mt}</math>

用統計模擬法计的另一例子是随机往内切四分之一圆的正方形内抛掷大量点，落在四分之一圆内的点的数量与抛掷点的总量的比值会近似于<math display="inline">\frac{\pi}{4}</math>。

此外还可用[[随机游走]]试验，并用統計模擬法计算值，如抛掷一枚均匀的硬币<math>N</math>次，并记录正面朝上的次数，所得结果中，正面朝上的次数<math>n_N</math>服从[[二項分佈]]且

:<math>\Pr(n_N = m) = \binom N m (\frac{1}{2})^m (\frac{1}{2})^{N-m}</math>

因为硬币均匀，所以次试验中每次试验结果相互独立。由此可定义一系列独立的[[随机变量]]<math>X_k\left ( k=1,2,\ldots \right )</math>，当抛掷结果为正面时<math>X_k=1</math>否则为-1，且<math>X_k=\pm 1</math>且取何值有相同概率（即，正面朝上和背面朝上的概率相同）。对随机变量<math>X_k\left ( k=1,2,\ldots, N \right )</math>求和可得

:<math>W_N = \sum_{k=1}^N X_k</math>

设为“硬币正面朝上的次数”减去“硬币反面朝上的次数”，即可得到<math>m-\left ( N-m \right )=k</math>。变换式子，得<math>m=\frac{N+k}{2}</math>，因此

:<math>\Pr(W_N = k) = \binom N \frac{N+k}{2} \frac{1}{2^N}</math>，其中<math>k=-N,-N+2,-N+4,\ldots,N-2,N</math>。

可证明，

:<math>E(W_N) = 0</math>，<math>E(W_N^2) = N</math>，以及<math display="inline">E(|W_N|) = \binom{N}{\left\lceil{N/2}\right\rceil \frac{\left\lceil{N/2}\right\rceil}{2^{N-1}}} = \begin{cases}
\frac{(N-1)!!}{(N-2)!!},& \text{若 }N\text{偶，} \\
\frac{N!!}{(N-1)!!},& \mbox{若 }N\mbox{奇。}
\end{cases}
</math>

并且当''N''变大时，<math display="inline">E\left ( \left \vert W_N \right \vert \right )</math>'''的值会渐近于'''<math display="inline">\sqrt{\frac{2N}{\pi}}</math>'''，因此当''N''充分大时可根据以下公式算出***'的近似值：**

:<math>\pi \approx \frac{2N}{|W_N|^2} </math>

和其他计算值的方法相比，蒙特卡洛方法收敛速度很慢，而且无论实验多少次，都无从得知的估值已经精确到第几位。因此，当追求速度或精度时，蒙特卡洛方法不适合用来估计。

===阀门算法===
1995年引入的兩條算法开辟了研究的新途径。因为每计算出一位数字，該數就会像流过阀门的水一样不会再出现在后续的计算过程中，这种新進算法叫。这就与无穷级数及迭代算法形成对比——无穷级数和迭代算法自始至终的每一步计算都会涉及到之前所有步骤计算出的中间值。

1995年，美國數學家和斯坦利·拉比諾維茨（）发明了一种簡單的阀门算法，其運算速度類似arctan演算法，但速度比迭代算法慢。

[[贝利-波尔温-普劳夫公式|贝利－波尔温－普劳夫公式]]（BBP）是另一條阀门算法，屬於一种。1995年，[[西蒙·普勞夫]]等人發現
:<math> \pi = \sum_{k=0}^\infty \frac{1}{16^k} \left( \frac{4}{8k + 1} - \frac{2}{8k + 4} - \frac{1}{8k + 5} - \frac{1}{8k + 6}\right)</math>

這公式和其他公式不同，可以計算的任何[[十六进制|十六进]]小數位，而不用計算前面全部小數位。十六进数位可计算得到特定二进数位；想要得到[[八进制]]数位的话，计算一、两位十六进小數即可。目前也已發現一些這種演算法的變體，不過還沒有发现針對十進制、可以快速生成特定小數位的位數萃取演算法。位數萃取演算法的一項重要用途是用來確認聲稱是計算到小數位數的新紀錄：若有聲稱是新紀錄的計算結果出現，先將十進制的數值轉換到十六進制，再用贝利－波尔温－普劳夫公式去確認最後一些位數（用亂數決定），若這些位數都對，就能有一定把握认为此計算結果是对的。

1998年到2000年間，[[分布式计算]]計畫用[[貝拉公式]]（贝利－波尔温－普劳夫公式的一種變體）計算第10<sup>15</sup>位，結果是0。2010年9月，有[[雅虎]]員工用公司的[[Apache Hadoop]]應用程式在上千台電腦計算π在2×10<sup>15</sup>位开始往后256位，其第2×10<sup>15</sup>位剛好也是0。


===**利用伽瑪函數計算**===

[[伽瑪函數]]，<math> \Gamma(n) =(n-1)! </math>，可以被用作計算圓周率。

<math> \pi= \Gamma(\frac{1}{2})^2 </math>

證明如下：

利用歐拉反射公式

<math> \Gamma(z) * \Gamma(1-z) = \frac{\pi}{\sin( \pi z)} </math>

令 <math> z = \frac{1}{2} </math>

<math> \Gamma(\frac{1}{2})*\Gamma(1-\frac{1}{2}) = \frac{\pi}{\sin (\frac{\pi}{2})} </math>

因為 <math>\sin(\frac{\pi}{2})</math>

<math>\Gamma(\frac{1}{2})^2 = \pi </math>

==用途==
与圆密切相关，出现在许多[[含圆周率的公式列表|几何学和三角学的公式]]中（特别是与圆、椭圆和球体相关的那些）。 此外，也出现在其他学科的重要公式中，比如统计学、物理学，傅立叶分析和数论的公式。

===几何学与三角学===

出现在基于圆的几何图形（如[[椭圆]]、[[球面|球]]、[[圆锥]]与[[环面]]）的面积、体积公式中。下面是一些用到π的常见公式：
* 半径<math>r</math>的圆周长<math>2\pi r</math>。
* 半径<math>r</math>的[[圆的面积|圆面积]]<math>\pi r^2</math>。
* 半径<math>r</math>的球体积<math display="inline">\frac{4}{3}\pi r^3</math>。
* 半径<math>r</math>的球面面积<math>4\pi r^2</math>。

上述公式是[[球 (数学)|''n''维球]]的体积与其边界（[[N维球面|（''n''−1）维球的球面]]）的表面积的特殊情况，具体将在[[#Γ函数与斯特灵公式|后文]]给出解释。

描述由圆生成的图形的周长、面积或体积的[[积分|定积分]]常涉及。例如，表示半径为1的半圆的面积的积分为

: <math>\int_{-1}^1 \sqrt{1-x^2}\,dx = \frac{\pi}{2}.</math>

<math display="inline">\sqrt{1-x^2}</math>的积分表示上半圆（此处的[[平方根]]由[[勾股定理]]得出），从积分上下限-1到1的积分<math display="inline">\int ^x_{-1}</math>可用来计算计算半圆与[[笛卡儿坐标系| 轴]]间的面积。
三角函数要用到角，而数学家常用[[弧度]]作角度单位。π在弧度制起重要作用，数学家将周角，即360度定义为<math>2\pi</math>度。由这条定义可得，180度＝弧度，1度＝<math display="inline">\frac{\pi}{180^\circ}</math>弧度。因此，常用的三角函数的周期为的倍数；例如，正弦和余弦周期为π，任何角度<math>\theta</math>和任何整数<math>k</math>都有

: <math display="inline"> \sin\theta = \sin\left(\theta + 2\pi k \right) </math>及<math display="inline"> \cos\theta = \cos\left(\theta + 2\pi k \right)</math>。

===拓扑学===

常数出现在将及其[[拓扑学]]联系起来的[[高斯-博内定理|高斯－博内定理]]中。具体来说，如果[[紧空间|紧]]曲面的[[高斯曲率]]为<math>K</math>，那么有

:<math>\int_\Sigma K\,dA = 2\pi \chi(\Sigma)</math>，
其中<math>\chi(\Sigma)</math>是该曲面的[[欧拉示性数]]，是整数。例如，曲率为1（也就是说其[[曲率半径]]也为1，对于球面而言此时的曲率半径与半径重合）的球面<math>S</math>的表面积。球面的欧拉特征数可以通过其[[同调|同源组]]计算，其结果为2。于是，便得出
:<math>A(S) = \int_S 1\,dA = 2\pi\cdot 2 = 4\pi</math>
即为半径为1的球面的表面积公式。

常数还出现在拓扑学的许多其他的积分公式中，特别是那些涉及通过[[陳－韋伊同態|陈－韦伊同态]]的特征类。

===向量分析===

[[向量分析]]是与[[向量場]]的性质有关的微积分的分支，并有许多物理用途，例如用在[[电磁学]]中。位于三维笛卡尔坐标系原点的点源<math>Q</math>的为
:<math>V(\mathbf{x}) = -\frac{k Q}</math>
表示位于距原点<math>\left \vert \boldsymbol{x} \right \vert</math>的单位质量（或电荷）的[[势能]]，而<math>k</math>是维度常数。在这里由<math>\mathrm{E}</math>表示的场可以是（牛顿）[[引力場]]或（库仑）[[電場]]，是位势的负[[梯度]]：
:<math>\mathbf{E} = -\nabla V.</math>

特殊情况有[[库仑定律]]和[[牛顿万有引力定律]]。[[高斯定律]]表明，通过包含原点的任何平滑、简单、封闭、可定向曲面<math>S</math>的场的向外[[通量]]等于<math>4\pi kQ</math>：

:

标准形式会将<math>4\pi</math>的这因子吸收到常数<math>k</math>中，但这种说法表明了它必须出现在“某处”。此外，<math>4\pi</math>是单位球面的表面积，但並没有假设<math>S</math>是球面。然而，作为[[高斯散度定理|散度定理]]的结果，由于远离原点的区域是真空（无源的），只有<math>\mathrm{R}^3\setminus\left \{ 0 \right \}</math>中的表面<math>S</math>的[[同调|同调类]]与计算积分有关，因此可以由相同同调类中的任何方便的表面代替，特别是球形，因为球面坐标可以用于计算积分。

高斯定律的结果之一是位势<math>V</math>的负[[拉普拉斯算子]]等于[[狄拉克δ函数]]的<math>4\pi kQ</math>倍：

:<math>\Delta V(\mathbf x) = -4\pi k Q\delta(\mathbf x).</math>
通过[[卷积]]就能得到物质（或电荷）的更一般分布，给出[[泊松方程]]
:<math>\Delta V(\mathbf x) = -4\pi k \rho(\mathbf x)</math>

其中<math>\rho</math>是分布函数。


常数在与[[爱因斯坦场方程]]中的四维势起类似的作用，爱因斯坦方程是形成[[廣義相對論]]基础的一條基本公式，并且把[[引力]]的[[基本相互作用]]描述为[[物质]]和[[能量]]引起的[[时空]][[曲率|弯曲]]的结果：
:<math> R_{\mu\nu} - \frac{1}{2} R g_{\mu\nu} + \Lambda g_{\mu\nu} = \frac{8 \pi G}{c^4} T_{\mu\nu},</math>

<math>R_{\mu v}</math>是[[里奇曲率張量]]，<math>R</math>是[[数量曲率]]，<math>g_{\mu v}</math>是[[度量张量]]，<math>\Lambda</math>是[[宇宙學常數]]，<math>G</math>是[[万有引力常数]]，<math>c</math>是真空中的[[光速]]，而<math>T_{\mu v}</math>是[[應力-能量張量|應力－能量張量]]。爱因斯坦方程的左边是度量张量的拉普拉斯算子的非线性模拟，並化簡（reduce）至在弱域的極限，而右边是分布函数的模拟乘以<math>8\pi</math>。

===柯西积分公式===

在[[复分析]]中，沿[[复平面]][[若尔当曲线定理|若尔当曲线]]的[[围道积分]]是研究[[解析函数]]的重要手段之一。简化版的[[柯西積分公式]]表明，对任何若尔当曲线<math>\gamma</math>内任一点<math>z_0</math>，以下围道积分给出<math>2\pi i</math>：

:<math>\oint_\gamma \frac{dz}{z-z_0} = 2\pi i.</math>

该命题是[[柯西积分定理]]的直接推论，后者表明上述围道积分在围道的[[同伦]]变换下保持不变，因而沿任一曲线的积分和沿以<math>z_0</math>为圆心的圆周积分的结果相同。更为一般地，该公式对不通过<math>z_0</math>点的任意可求长曲线都成立，但等式右边要乘以曲线关于该点的[[卷绕数]]。

一般形式的柯西積分公式建立了[[全纯函数]]<math>f(z)</math>在若尔当曲线<math>\gamma</math>上的值与曲线内任意点<math>z_0</math>处值的关系：
:<math>\oint_\gamma { f(z) \over z-z_0 }\,dz = 2\pi i f (z_{0})</math>

柯西积分定理是[[留数定理]]的一項特例。根据留数定理，在区域内除去有限个[[极点 (复分析)|点]]解析的[[亚纯函数]]<math>g(z)</math>在边界上的围道积分与函数在这些点的留数之和满足：
:<math>\oint_\gamma g(z)\, dz =2\pi i \sum \operatorname{Res}( g, a_k ) </math>

===Γ函数与斯特灵公式===

[[阶乘]]函数<math>n!</math>的值等于所有小于等于<math>n</math>的正整数之积，它的定义域只包含非负整数。[[Γ函数]]则是階乘的推广。它在复平面的右半平面定义为：

:<math> \Gamma(z) = \int_{0}^{\infty} \frac{t^{z-1}}{\mathrm{e}^t} \,{\rm{d}}t</math>

再利用[[解析延拓]]可以将它的定义域扩展到除去[[非正整数]]的整塊复数域。当自变量<math>z=n</math>取正整数时，<math>\Gamma</math>函数给出阶乘<math>\left ( n-1 \right )!</math>；当自变量取半整数时，计算结果含有。例如<math display="inline"> \Gamma(\frac{1}{2}) = \sqrt{\pi} </math>，<math display="inline">\Gamma(\frac{5}{2}) = \frac {3 \sqrt{\pi}} {4} </math>。

根据[[魏尔施特拉斯分解定理]]，<math>\Gamma</math>函数可分解为如下的无穷乘积：
:<math>\Gamma(z) = e^{-\gamma z}\prod_{n=1}^\infty \frac{e^{\frac{z}{n}}}{1+\frac{z}{n}}</math>

<math>\gamma</math>是[[歐拉-馬斯刻若尼常數|歐拉－馬斯刻若尼常數]]。利用该分解公式和<math>\Gamma</math>函数在<math display="inline">z=\frac{1}{2}</math>的值<math display="inline">\Gamma\left ( \frac{1}{2} \right )^2=\pi</math>，亦可以证明沃利斯乘积式。<math>\Gamma</math>函数和[[黎曼ζ函數]]、的恒等式存在关联，其中[[#数论与黎曼ζ函数|扮演着重要的角色]]。

<math>\Gamma</math>函数常用于计算<math>n</math>维欧氏空间中[[球 (数学)|''n'' 维球]]的体积和[[球面|''n'' 维球面]]的表面积。对<math>n</math>维欧氏空间中半径为<math>r</math>''<math>n</math>''维球，其体积<math>V_n(r)</math>和表面积<math>S_{n-1}(r)</math>满足：

: <math>V_n(r) = \frac{\pi^{\frac{n}{2}}}{\Gamma(\frac{n}{2}+1)}r^n</math>

: <math>S_{n-1}(r) = \frac{n\pi^{\frac{n}{2}}}{\Gamma(\frac{n}{2}+1)}r^{n-1}</math>

两者还满足如下的关系式：
:<math>2\pi r = \frac{S_{n+1}(r)}{V_n(r)}.</math>

当<math>n</math>很大，用<math>\Gamma</math>函数可得到阶乘<math>n!</math>的近似公式<math> n! \sim \sqrt{2 \pi n} \left(\frac{n}{e}\right)^n</math>，稱[[斯特靈公式]]，等价于：

:<math>\pi = \lim_{n\to\infty} \frac{e^{2n}n!^2}{2 n^{2n+1}}.</math>

斯特灵近似的几何应用之一是。将<math>n</math>维欧几里得空间的[[单纯形]]记作<math>\Delta_n</math>，<math>\left ( n+1 \right )\Delta_n</math>则表示该单纯形的所有面扩大<math>n+1</math>。于是

:<math>\operatorname{Vol}((n+1)\Delta_n) = \frac{(n+1)^n}{n!} \sim \frac{e^{n+1}}{\sqrt{2\pi n}}.</math>
这是仅含一點晶格点之凸体体积的（最佳）上界。

===数论与黎曼&zeta;函数===


[[黎曼ζ函數|黎曼ζ函数]]<math>\zeta(s)</math> 在数学的许多领域均有应用。当自变量<math>s=2</math> ，可写作
:<math> \zeta(2) = \frac{1}{1^2} + \frac{1}{2^2} + \frac{1}{3^2} + \cdots</math>

找到这无穷级数的[[解析解]]是数学界著名的“[[巴塞尔问题]]”。1735年，[[萊昂哈德·歐拉|欧拉]]解决了这问题，他得到该无穷级数等于<math>\frac{\pi^2}{6}</math>。欧拉的结论可推导出数论中一項结果，即两随机整数[[互質|互质]]（无公因数）的概率为<math>\frac{6}{\pi^2}</math> 。整数可由质数<math>p</math>整除的概率為<math>\frac{1}{p^2}</math>（例如，连续7个正整数只有一个可以7整除），任取两随机整数都能以质数<math>p</math>整除的概率为<math>\frac{1}{p^2}</math>，至少有一數不能整除的概率则为<math>1-\frac{1}{p^2}</math>。又，一随机整数能否以两不同质数整除是相互独立事件，两随机整数互质的概率可以表示成关于所有质数<math>p</math>的无穷乘积
:<math>\begin{align}
\prod_p^\infty \left(1-\frac{1}{p^2}\right) &= \left( \prod_p^\infty \frac{1}{1-p^{-2}} \right)^{-1}\\
&= \frac{1}{1 + \frac{1}{2^2} + \frac{1}{3^2} + \cdots }\\
&= \frac{1}{\zeta(2)} = \frac{6}{\pi^2} \approx 61\%.
\end{align}</math>
这结论可结合[[随机数生成器]]，用[[蒙特卡罗方法|統計模擬法]]计的近似值。

﻿巴塞尔问题的结论意味着几何导出量的数值与质数的分布有着深刻的关联。巴塞尔问题是[[谷山－志村定理]]的一種特殊情况，是的一項特例，即猜想一个这种形式的算术量关于所有质数<math>p</math>的无穷乘积能够等于一个几何量——某体积的倒易。巴塞尔问题中，这空间是。

<math>\zeta</math>函数同样满足黎曼方程的公式，其中用到了和伽玛公式：

:<math>
\zeta(s) = 2^s\pi^{s-1}\ \sin\left(\frac{\pi s}{2}\right)\ \Gamma(1-s)\ \zeta(1-s)\!.</math>

除此之外，
<math>\zeta</math>函数导数也满足
:<math>\exp(-\zeta'(0)) = \sqrt{2\pi}.</math>

最终的结果是可以从[[谐振子]]中求得。这泛函行列式可以无穷乘积展开式计算，而且这种方法等价于[[沃利斯乘积]]公式。这种方法可用于[[量子力学]]，尤其是[[玻尔模型]]中的[[变分法|变分]]。

===傅里叶级数===

[[周期函数]]的[[傅里叶级数]]很自然出现了。周期函数即实数的小数部分所构成群<math display="inline">T=\frac{R}{Z}</math>上的函数。傅里叶分解指出，<math>T</math>上的复值函数<math>f</math>可表示为无穷多个<math>T</math>的的线性叠加之和。也就是说，<math>T</math>到[[圓群]]<math>U(1)</math>（模为1的复数组成的乘法群）的映射是连续[[群同態]]。<math>T</math>的特征都有<math>e_n(x)=  e^{2\pi i n x}</math>的形式，是一條定理。

<math>T</math>有唯一的特征值，直到复共轭，那是一群同态。在圆群用[[哈尔测度]]，常数是这特征值的拉东－尼科迪姆导数值的一半。其他的特征值的导数值为<math>2\pi</math>的正整数倍。因此，常数是独特的数字，以至于配备了其哈尔测度的群<math>T</math>，有对于<math>2\pi</math>整数倍的点阵的[[龐特里亞金對偶性|庞特里亚金对偶性]]。这是的一维版本。

===模形式与函数===
常數與[[模形式]]和[[Θ函數]]密切相关——比如，[[椭圆曲线]]中的就很大程度涉及[[楚德诺夫斯基算法]]（一种快速计算的方法）。

[[模形式]]是以在[[上半平面]]的[[全純函數]]的在<math>SL_2(\mathbb Z)</math>（或其子群，<math>SL_2(\mathbb Z)</math>是<math>SL_2(\mathbb R)</math>的一格）下的變換特性歸納。[[Θ函數]]便是一例：
:<math>\theta(z,\tau) = \sum_{n=-\infty}^\infty e^{2\pi i nz + i\pi n^2\tau}</math>
它是一種名為的模形式，有時以<math>q=e^{\pi i \tau}</math>表達。

常數是特殊常數，它會使雅可比<math>\Theta</math>函數形成[[自守形式]]，即該函數會以特定方式變換。有若干恆等式在所有自守形式下成立。，例如：

:<math>\theta(z+\tau,\tau) = e^{-\pi i\tau -2\pi i z}\theta(z,\tau)</math>

它使得<math>\theta</math>必然在離散[[海森伯群]]下以表示（representation）變換。一般模形式和其他<math>\Theta</math>函數也包含，這也是根據。

===柯西分布与位势论===

积分<math display="inline">\int_{-\infty }^{\infty } \frac{1}{x^2+1} \, dx = \pi</math>，[[柯西分布]]<math display="inline">g(x)=\frac{1}{\pi}\cdot\frac{1}{x^2+1}</math>是[[機率密度函數|概率密度函数]]，总概率等于1。

柯西分布的香农熵等于<math>\log(4\pi)</math>，也含。


柯西分布在位势论中扮演着重要的角色因为它是最简单的和与在半平面上做布朗运动相关联的经典泊松核。以及[[希爾伯特轉換|希尔伯特变换]]与泊松核的渐近线有关。希尔伯特变换<math>H</math>是由[[奇異積分|奇异积分]]的[[柯西主值]]给出的积分变换
:<math>Hf(t) = \frac{1}{\pi}\int_{-\infty}^\infty \frac{f(x)}{x-t}</math>。

常数是唯一的（正）归一化因子因此<math>H</math>定义了一个在实数轴上的平方可积分实值函数的希尔伯特空间上的。 和傅里叶变换一样，希尔伯特变换就其在希尔伯特空间<math>L^2(R)</math>的变换特性而言可以完全特征化。直到归一化，它是唯一的与正膨胀对易且与实数轴的所有反射反对易有界线性算子。常数是唯一能使这变换幺正的归一化因子。

===複變動態系統===

大衛·波（David Boll）在1991年發現在[[曼德博集合]][[分形]]也有出現。他檢查在曼德博集合在<math>(-0.75,0)</math>位置的特性。若考慮坐標在「頸部」<math>(-0.75,\varepsilon)</math>的點，而<math>\varepsilon</math>趨近零，在發散之前迭代的次數和<math>\varepsilon</math>相乘，會趨近。若是在右側尖點處附近的點<math>(0.25,\varepsilon)</math>也會有類似的特性：在發散之前迭代的次數和<math>\varepsilon</math>的平方根相乘，也會趨近。

== 数学之外的 ==

===描述物理现象===
与圆以及[[球座標系|球坐标系]]关系密切，即使不是[[物理常數|物理常数]]，也常出现在描述宇宙的基本原则方程中。比方说，经典力学领域的简单公式给出长L的单摆小幅摆动的近似周期<math display="inline">T \approx 2\pi \sqrt\frac{L}{g}</math>，<math>g</math>为地球引力加速度常数。

[[維爾納·海森堡|海森堡]][[不確定性原理]]是量子力学的基本公式，表明测量粒子时，其位置不确定度（<math>\Delta x</math>）与[[动量]]不确定度（<math>\Delta p</math>）不可能同时达到任意小（<math>h</math>为[[普朗克常数]]）：<math display="inline"> \Delta x\, \Delta p \ge \frac{h}{4\pi}</math>。

近似三这特性，和[[电子偶素]]的半衰期相對較長有密切的联系。其半衰期的倒數和[[精细结构常数]]<math>\alpha</math>的關係為<math display="inline">\frac{1}{\tau} = 2\frac{\pi^2 - 9}{9\pi}m\alpha^{6}</math>，<math>m</math>為電子質量。

許多結構工程的公式也有，例如歐拉推導的[[挫曲]]公式說明了長度為<math>L</math>、[[截面二次轴矩]]為的細長形物體，在不挫曲的條件下可以承受的最大軸向負載<math>F</math>：

:<math>F =\frac{\pi^2EI}{L^2}.</math>

[[流體動力學]]的[[斯托克斯定律]]中也有。斯托克斯定律是半径约为<math>R</math>的小球體在[[黏度]]<math>\eta</math>的[[流體]]中以速度<math>v</math>運動時會受到的[[阻力]]满足：

:<math>F =6 \, \pi \, \eta \, R \, v .</math>

在理想状态下，河的曲折程度（河道本身的长度与源头到入海口的比值）随着时间的推移逐渐趋向于。河流外边缘的快速水流弯曲会使河流内边缘加倍侵蚀，河道变得更弯曲，整條河弯折更厉害。然而，这股弯折劲儿最终会导致河流折回一开始弯折的地方，导致“短路”，并形成[[河迹湖]]。这两种相反因素使河道长度与源头到入海口的比值的平均值为。

=== 的记忆技巧 ===

[[π文字學]]（或譯作圆周率的语言学）是指記住的大量位值，并将其世界紀錄載於[[健力士世界紀錄大全]]的做法。維爾·美拿（Rajveer Meena）於2015年3月21日在印度於9小時27分鐘內背誦了7萬位的，创下健力士世界紀錄大全認證的世界紀錄。2006年，日本退休工程師[[原口證]]在千葉縣於官員見證下背誦了十萬位小數，但他未獲健力士世界紀錄大全認證。

常用於記憶的一項技巧是背誦以單詞長度代表數值的故事或詩歌：第一單詞有三字母，第二單詞有一字母，第三單詞有四字母，第四單詞有一字母，第五單詞有五字母，如此類推。早期例子是英國科學家[[詹姆士·金斯]]設計的詩歌：「」這類詩歌有時在英文中稱為「」。除了英文，用於記憶的詩歌亦有不同語言的版本。但是，記憶的人一般並不以詩歌記憶來創下紀錄，而是用如記憶數字規律或的方法。

有好幾位作家仿照上述记忆技巧，用的數值創作了新型的方式，當中單詞長度須符合的數值。《》以上述技巧包含了前3835位的值，一本標準長度的書《Not a Wake》有一萬單詞，其中各單詞亦代表了的一位。

=== 大众文化 ===


也許因為的公式很簡短而且四處可見， 比其他數學常数在流行文化中更常見。

在2008年由[[英國公開大學]]及[[英國廣播公司]]聯合制作的記錄片《》于2008年十月由[[英國廣播公司第四台]]播放。影片讲述了英國數學家[[马库斯·杜·索托伊]]在到訪印度研究當地三角學的貢獻時，展示出歷史上最精確的計算公式的[[信息图形]]。

巴黎的科学博物馆[[發現宮]]有間圓形房間叫「房」，牆上刻有的707位數，數字貼在圓頂狀的天花板上，由大型的木製字符組成。數值是1853年由英國數學家計算出來，但是该结果於第528位后開始出現謬誤，在1946年發現，1949年修正。

[[卡尔·萨根]]的小说《[[接觸未來 (小說)|接觸未來]]》中则暗示说，宇宙的创造者在的数字中暗藏了一则信息。的数字也用在[[凱特·布希]]所出的专辑中的《Pi》的歌词里。

美国人在3月14日庆祝[[圓周率日]]，此节日在学生中很流行。一些自称“数学[[极客]]”的人常常用与其数位来创作一些数学或技术[[圈内笑话|圈内人士才能领会到的笑话]]。[[麻省理工学院]]则有几句包含“3.14159”的大学。2015年的圆周率日格外重要，按照美式写法，当天的日期时间<code>3/14/15 9:26:53</code>较其他圆周率日包含更多位数的。

在[[北电网络]]于2011年举行的技术专利拍卖会上，[[谷歌]]用了一些包含在内的数学或科学常数來竞价。

 在1958年，[[轉 (角)|提议]]将换成[[Τ|（tau）]]以便简化公式。<math>\tau</math>在此定义为的兩倍。然而，没有任何其他作者曾这样使用过<math>\tau</math>。有些人使用不同的值，<math>\tau=2\pi=6.283185\ldots</math>。这些人称<math>\tau</math>不论是作为弧度制下圆周长的1[[轉 (角)|转]]还是作为弧长与半径的比值（而不是与直径的比值）都比自然，也能因此简化许多公式。有媒体报道称，因为<math>\tau</math>的值大小约为6.28，現已有人在6月28日庆祝“<math>\tau</math>节”，并吃“两个派”；然而，主流数学界还并未使用<math>\tau</math>。

1897年，有业余美国数学家试图藉[[印第安纳州议会]]来通过後世所謂[[印第安纳圆周率法案]]的法案。这法案试图以法律命令强制规定数学常数之值而臭名远播。该法案描述[[化圆为方]]的方法，并间接提到了的错误值，例如3.2。该法案通过了印第安纳州众议院的表决，但参议院否决之。

== 注释 ==


== 參考資料==

=== 書籍 ===

*  English translation by Catriona and David Lischka.
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* , English translation by Stephen Wilson.
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* . [http://www.jstor.org/discover/10.2307/3029284?sid=21105295462031&uid=2&uid=4 issue 3 Jan/Feb], [http://www.jstor.org/discover/10.2307/3029832?sid=21105295462031&uid=2&uid=4 issue 4 Mar/Apr], [http://www.jstor.org/stable/3029000 issue 5 May/Jun] 
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=== 引用 ===


== 延伸閱讀 ==

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* Delahaye, Jean-Paul, "Le Fascinant Nombre Pi", Paris: Bibliothèque Pour la Science (1997) ISBN 2902918259
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* [[萊昂哈德·歐拉|Euler, Leonhard]], "On the Use of the Discovered Fractions to Sum Infinite Series", in ''Introduction to Analysis of the Infinite. Book I'', translated from the Latin by J. D. Blanton, Springer-Verlag, 1964, pp 137–153
* Hardy, G. H. and Wright E. M., ''An Introduction to the Theory of Numbers'' first published 1938, fifth Edition 1979 with additions 2000, Clarendon Press, Oxford U.K.
* Heath, T. L., ''The Works of Archimedes'', Cambridge, 1897; reprinted in ''The Works of Archimedes with The Method of Archimedes'', Dover, 1953, pp 91–98
* [[克里斯蒂安·惠更斯|Huygens, Christiaan]], "De Circuli Magnitudine Inventa", ''Christiani Hugenii Opera Varia I'', Leiden 1724, pp 384–388
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* [[伊萬·尼雲|Niven, Ivan]], "A Simple Proof that pi Is Irrational", ''Bulletin of the American Mathematical Society'', **53**:7 (July 1947), 507
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* Tropfke, Johannes, ''Geschichte Der Elementar-Mathematik in Systematischer Darstellung'' (''The history of elementary mathematics''), BiblioBazaar, 2009 (reprint), ISBN 978-1-113-08573-3
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* [[約翰·沃利斯|Wallis, John]], *Arithmetica Infinitorum, sive Nova Methodus Inquirendi in Curvilineorum Quadratum, aliaque difficiliora Matheseos Problemata*, Oxford 1655–6. Reprinted in vol. 1 (pp 357–478) of *Opera Mathematica*, Oxford 1693
* Zebrowski, Ernest, *A History of the Circle: Mathematical Reasoning and the Physical Universe*, Rutgers University Press, 1999, ISBN 978-0-8135-2898-4


== 外部連結 ==

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* Wolfram Mathworld上的[http://mathworld.wolfram.com/Pi.html 「Pi」]
* [[Wolfram Alpha]]上的[http://www.wolframalpha.com/input/?i=Representations+of+Pi Representations of Pi]
* [http://www.subidiom.com/pi Pi搜尋引擎] ：可搜尋、和的20億位
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* Demonstration by Lambert (1761) of irrationality of , [https://www.bibnum.education.fr/mathematiques/theorie-des-nombres/lambert-et-l-irrationalite-de-p-1761 online] and analyzed *BibNum'' (PDF).
* 尋找π值的計畫 
* 前1.2百萬位中的部分資料
* 將π前一萬位化作音樂旋律 
* SuperPI 計算π值的軟體，電腦硬體玩家常用來測試電腦運算速度（日文）
* 計算圓周率
* PiFast  個人電腦上最快的計算π值軟體，是個人電腦計算π值紀錄保持軟體。
* 用大炮求圓周率 ：以蒙特卡羅演算法，利用圓的面積求圓周率。
* 展示将π值计算到10万位的网站