什么是圆周率 π?

C = π × d
周长 = π × 直径

π 是任何圆的周长与直径之比。无论圆有多大,这个比值始终完全相同:π = 3.14159265358979... 它的定义来自几何,但 π 同时出现在物理、概率、工程以及数学的几乎每一个分支中。

π 是无理数,也是超越数

π 不能写成两个整数之比(1761 年由 Johann Heinrich Lambert 证明)。它还是超越数,也就是说,它不是任何整系数多项式方程的解(1882 年由 Ferdinand von Lindemann 证明)。这意味着用尺规作图不可能完成化圆为方。它的小数展开永不终止,也永不循环。

圆的公式
d = 直径 周长 = πd C = πd A = πr² r = d/2

圆最基本的三个量:直径 d、半径 r=d/2,以及由 π 给出的周长与面积公式。

历史

叙拉古的阿基米德(约公元前 250 年)最早严格夹逼了 π:他利用 96 边形的内接与外切,证明 π 介于 3+10/71 与 3+1/7 之间。巴比伦人使用 3.125,埃及人使用 3.1605。符号 π 由威尔士数学家 William Jones 于 1706 年引入,后经欧拉推广而普及。截至 2024 年,π 已被计算到超过 100 万亿位小数。

π 出现在哪里

π 远不只属于圆:它出现在正态分布(钟形曲线中含有 √(2π))、欧拉恒等式 e^(iπ) + 1 = 0、两个随机整数互素的概率(6/π²)、斯特林公式 n! ≈ √(2πn)(n/e)ⁿ、量子力学,以及球体体积公式 4πr³/3 中。

圆周率速览

π ≈ 3.14159265358979323846。它是无理数(Lambert,1761),也是超越数(Lindemann,1882)。“π 日”是 3 月 14 日。分数 22/7 对 π 的估计偏大约 0.04%,而 355/113 则精确到 6 位小数。π 是否是“正规数”(即所有数字序列都以相同频率出现)目前仍未知,但许多人相信它是。

阿基米德:用多边形把 π 夹在中间(约公元前 250 年)
内接 perimeter = 6r 外切 perimeter = 6r×2/√3 上下界 3.000 内接 (n=6) π = 3.14159... 3.464 外切

通过比较圆内接与圆外切多边形的周长,阿基米德首次给出了对 π 的严格上下界。

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π是超越数意味着什么?
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生成 π 的数字
π has no final digit

圆周率 π is irrational. Its decimal expansion never ends and never repeats. Every digit shown below is computed from the 莱布尼茨公式.

π = 4(1 - 1/3 + 1/5 - 1/7 + ...)