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圆周率被定义为圆的周长和直径的比值,通常用“π”来表示,它是所有的圆所共有的一个数学常数,也就是说,无论一个圆的大小如何,其周长和直径的比值都保持不变,是一个固定的值。
想要知道圆周率到底是多少,最简单的方法就是,直接测量出一个圆的周长和直径,然后再做一个除法就可以了,但这样的方法却有一个问题,那就是无论什么样的测量,都是有误差的,而误差的存在,就会导致我们无法精确地计算出圆周率。所以我们需要在不进行测量的前提下,通过纯理论的推导来计算出圆周率的精确值。
实际上,从公元前三世纪的古希腊数学家阿基米德开始,人类就一直在执着地通过理论来计算圆周率。
阿基米德的方法可以简单地描述为:在一个圆的内部和外部分别画一个内接正六边形和一个外接正边形,这样就可以通过勾股定理计算出圆周率在3至4之间,在此基础上,只需要持续增加多边形的边数,就可以得到越来越接近完美的圆,进而计算出越来越精确的圆周率。
阿基米德使用了这种方法计算到边数为96的正多边形,他的计算结果是,圆周率在3.140845至3.142857之间。
在人类计算圆周率的历史中,我国的数学家留下了浓墨重彩的一笔,公元263年,我国数学家刘徽提出了著名的“割圆术”,这种方法可以简单地描述为,通过“割圆”的方式持续增加圆内接正多边形的边数,使其面积不断逼近圆的面积,进而计算出越来越精确的圆周率。
通过“割圆术”,刘徽计算出圆周率的值大约为3.1416,而在公元480年左右,我国数学家祖冲之则进一步将圆周率的计算推向了新的高度,他利用“割圆术”,一举将圆周率精确到小数点后7位,也就是我们所熟悉的“3.1415926至3.1415927之间”,而他的计算结果,则保持了近千年的世界纪录。
随着时间的流逝,人类的数学理论也在不断地深化和发展,数学家们不但证明了圆周率是一个无理数,还提出了多种通过理论计算圆周率的方法,例如“无穷级数”、“无穷乘积式”、“快速收敛算法”等等,进而使得人类可以更加精确地计算出圆周率。
在1948年的时候,数学家弗格森(D. F. Ferguson)刷新了当时的圆周率精度记录,他用了近一年的时间,将圆周率计算到了小数点后808位,而这也是已确认的人类通过手工计算圆周率值的最高纪录,这是因为在此之后参与计算圆周率的,就有电子计算机的身影了。
1950年,一台被人们称为“ENIAC”的电子计算机首次被用来对圆周率进行计算,作为世界上的第一台通用计算机,它只用了大约70个小时,就将圆周率算到了小数点后2037位。
电子计算机的加入,极大地提高了计处圆周率的速度和精度,圆周率的计算开始进入了一个全新的时代,随着电子计算机的发展和应用,圆周率的精度也在迅速提升,2024年3月14日,总部位于美国加州的计算机存储公司“Solidigm”发布声明称,圆周率已算到小数点后105万亿位!
据悉“Solidigm”的研究团队使用了开源和专有软件的组合,优化了算法过程,并充分利用了计算机硬件的能力,在去年的时候,他们就将圆周率算到小数点后100万亿位,追平了当时的世界纪录,而现在他们又将计算结果提高了5万亿位,创造了新的纪录。
不得不说,圆周率被算到如此高的精度,确实是令人惊叹,但问题是,人类对圆周率如此执着,到底是为什么呢?我们接着看。
需要知道的是,尽管圆周率被广泛用于各种科学研究和技术应用场景,但人类对圆周率的精度要求其实并没有想象中的那样高,在绝大多数场景中,祖冲之计算出的精度就完全够用了,即使是在登陆火星这样的对精度要求很高的场景中,人类也只是用到了小数点后16位,而只需要小数点后40位,人类就可以在误差小于一个质子的直径的前提下,描述直径高达920亿光年的可观测宇宙。
实际上,人类之所以对圆周率如此执着,最主要的原因就是:通过对圆周率的计算,可以测试和检验超级计算机的性能。
时至今日,超级计算机已经成为人类的好帮手,人类想要对超级计算机的综合性能进行系统地测试,就需要让它们持续进行大量的计算,而计算圆周率就是一个不错的选择。
在软件层面,圆周率的计算挑战了超级计算机算法的效率和优化,数学家已经证明,圆周率不但是无理数,而且还是超越数(即不能作为有理系数多项式方程的根的数),因此计算它的精确值需要使用一些特定的算法,这些算法必须能够高效地执行大量的数学运算,同时保持极高的精确度。
通过不断优化算法,有可能显著提高计算效率和精确度,同时减少计算所需的时间,另一方面来讲,通过测试新的算法,还有可能建立新的思路或概念。
在硬件层面,圆周率的计算是对超级计算机的处理速度、存储容量和数据传输能力的综合考验,这涉及到计算核心的运算、内存的读写、存储的效率以及处理器之间的协调和数据交换能力等等,在计算过程中,系统的稳定性和可靠性就是硬件性能的重要指标,毕竟任何硬件故障都可能导致长时间计算的成果丧失。
总而言之,通过对圆周率的计算,可以全方位地揭示超级计算机在各个方面的潜力和限制,从而促进计算机科学的发展与进步,这其实就是人类执着地计算圆周率的主要原因。
除此之外,由于圆周率是一个备受人类关注的常数,因此更加精确的计算结果,除了能够直观地展示超级计算机的性能之外,还可以进一步深化人类对圆周率的理解,这可以算是一个次要的原因。
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