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钟形曲线的高是
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一些无穷级数求和问题中也常常可以看到π。莱昂哈德·欧拉第一个找到了正整数倒数的平方求和公式:
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1 + 1/22+ 1/32+ 1/42+ … = 1 + 1/4 + 1/9 + 1/16 + … = π2/6
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如果上式各项再进行一次平方运算,就可以得到正整数倒数的4次幂的求和公式:
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1 + 1/16 + 1/81 + 1/256 + 1/625 + … = π4/90
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事实上,人们已经找到了正整数倒数的偶数次幂(2k)的求和公式,即π2k与某个有理数的乘积。
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正整数倒数的奇数次幂的求和公式呢?我们将在本书第12章证明正整数倒数的和是无穷大的,但是它们高于1次的奇数次幂之和,例如3次幂:
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1 + 1/8 + 1/27 + 1/64 + 1/125 + … = ?
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这个结果并非无穷大。不过,至今还没有人找到一个简便的求和公式。
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奇怪的是,π还出现在一些与概率有关的问题中。例如,如果你随机选择两个非常大的数字,它们没有公共的质因数的概率比60%大一点儿。具体来说,这个概率是6/π2=0 .607 9…,正好是某个无穷级数和的倒数。
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12堂魔力数学课 π的近似值
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如果仔细测量,我们也可以通过实验的方式得出π的值比3大一点儿的结论。但是,我们难免会想到两个问题:如果没有实际测量数据,我们可以证明π的值与3比较接近吗?是否可以用某个分数或者简单的公式来表示π的值呢?
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第一个问题的答案是肯定的。画一个半径为1的圆,我们知道这个圆的面积是π×12= π。在下图中,我们画了一个边长为2的正方形,并把圆完全包围起来。圆的面积肯定小于正方形的面积,由此可证π< 4。
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3 < π < 4的几何证明
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与此同时,这个圆还包含一个六边形,且六边形的顶点均匀地分布在圆周上。这个内接六边形的周长是多少呢?我们可以将该六边形分割成6个三角形,分别包含一个圆心角360°/6 = 60°,且有两条边是圆的半径(长度为1),因此这些三角形都是等腰三角形。根据等腰三角形定理,另外两个角相等,也都是60°。因此,这些三角形都是等边三角形,且边长为1。六边形的周长是6,小于圆的周长2π。也就是说,6 < 2π,即π > 3。综合前面的几何证明,就有:
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3 < π < 4
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延伸阅读
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我们可以增加多边形的边数,从而把π的值限定在更小的范围之内。例如,如果把包围圆的正方形改成六边形,就可以得出 π < 2= 3.46…
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