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第30章 鲁道夫、山克斯一生算π

1937年,万国博览会在巴黎召开。奇怪的是,当鱼贯而入的人群走进展览馆的天井时,却发现这里刻着一串数字。于是大家驻足留连,一时传为趣话。啊!原来是一个“精确”到小数点后707位、共708位的π值。

那708位的π值为什么要刻在这里呢?原来,它是当时的“世界纪录”,64年来一直没有人能打破,而且,又是一个人差不多一生心血的结晶。

这个人,就是英国数学家威廉·山克斯(1812—1882)。

自从古希腊阿基米德开创科学算π的一种方法——“割圆术”即“古典方法”以来,人们就能算出越来越精确的π值了。

但是,由于用人工计算,加之计算方法——阿基米德的割圆术或改进的割圆术很落后,因此人们难以计算出很多位的π值。这样,如果有人把π值推进到小数点更多的位数,就一定很了不起,会成为轰动性的新闻。于是,托勒密、刘徽、祖冲之、阿尔·卡西……都成了算π的“大腕”而留名至今。

日历翻到了1610年。现在荷兰国界内莱顿(当时属德国)的数学家鲁道夫(1540一1610),毕生用割圆术算π,最后仅得到π小数点后35位准确值。所以他死后,在莱顿圣彼得教堂墓地里他的墓碑上,刻着“π=3.141 592 653 589 793 238 462 643 383 279 502 88”这个36位π值*:鲁道夫成了第一个“以身殉π”的人。可是,这块碑早已不知去向。

可能有的读者会认为这36位π值不值一提,但事实上这个成就在当时是很了不起的。因为当时没有机械的或电子的计算器,更重要的是,他使用的方法仍然是在他之前近2 000年的、算π很慢的割圆术。

鲁道夫辞世的1610年,用这种方法利用圆的262=4 611 686 018 427 387 904边的内接、外切正多边形将π算到36位。所以在德国,这个π值被称为“鲁道夫数”。

其后,人们意识到,再不改进计算方法,计算位数更多的π值,难度将更大。

1671年,苏格兰数学家格雷戈里(1638—1675)发现了著名的公式arctgx=χ-χ3/3+χ5/5-… (-1<χ≤1)。这成了计算π值的“数学分析法”的起点。

1851年,威廉·山克斯用“数学分析法”将”算到319位。接着在1853年又先后算到530和608位。这是他从1843年起算π“十年寒窗苦”的结晶。

又经过20年的努力,山克斯用台式机械计算机,再借助于马青公式,在1873年将π算到小数点后707位。他的708位π值被刊登在1873—1874年《皇家学会学报》上,而此时距他大规模算π的1843年已有30年了,由于他从小数点后528位起就开始出错——第528位的“4”被错为“5”,于是他30年的心血大半付诸东流。

以下是他从小数点后528位开始出错的180个数:

501 609 244 807 723 094 362 855 309 662 027 556 939 798 695 022 247 499 620 607 497 030 412 366 886 199 511 008 920 238 377 021 314 169 411 902 988 582 544 681 639 799 904 659 700 081 700 296 312 377 381 342 084 130 791 451 183 980 570 985

不过,山克斯的工作一直没被遗忘。约100年后,出生在苏联的美国著名科普作家阿西莫夫(1920—1992)还称他为“可怜的山克斯!”山克斯的“可怜”之处,不仅在于几十年的心血大多打了“水漂”,而且在于他至死也不知道已经出错。不但他不知道,而且其他人在其后72年内也不知道,以至他对他的708位π值颇感自豪。后人遵照他的遗愿,将这708位不完全正确的π值镌刻在他的墓碑上。

不过,山克斯的精神却一直激励着来者。

直到1944年5月——1945年5月,英国数学家弗格森仔细核算了他自己正确的541位π值之后,才发现山克斯的π值仅有前528位正确。美国数学家雷恩奇也是山克斯错误的最早发现者之一。弗格森和雷恩奇二人在1948年1月,联合公布了809位的正确π值。

1946年美国的电子计算机“埃尼阿克”诞生后,算π的速度大为提高。1950年,用它将π算到小数点后2 035位(一说2 037)位,这一结果证实了1949年美国史密斯(Smith)和雷恩奇创造的人工算π的最高纪录——小数点后1120位是正确的。

其后,电子计算机算π的纪录不断被刷新,计算方法也有新的发展。例如,1976年沙拉明和波伦特发明了“沙—波法”即“相关二次算法”,1985年发明了建立在椭圆积分变换理论上的一种新方法。于是有了2002年的新“世界纪录”——12 400多亿位。它是由日本东京大学IT中心的金田康正等科学家用电子计算机算出来的。