2013年3月26日 星期二

DDS001-「Pi Day (I)」

    
      前陣子李安先生所導演的 『少年Pi的奇幻漂流』影片(改編自Yann Martel 原著『Life of Pi』),再度為他奪得今年奧斯卡「最佳導演獎」。這次獲獎是他七年內榮獲的第二次「最佳導演獎」,也是奧斯卡有史以來,繼史畢柏格(Steven Spielberg)之後,再次頒發給同一導演「最佳導演獎」的罕見特例。這種殊榮不只是對李安先生個人導演專業生涯上的肯定,更是讓所有華人引以為傲的至高典範。說白了,這告訴我們,什麼才是真正的「世界級」,什麼才是真正的「頂尖」,要是我們還在小鼻子小眼晴,畫地自限,固步自封,喜歡自個兒關著門喊爽,那才真是個人、社會、國家的悲哀。

由於電影的片名和原著的書名中均有一個「pi」字,讓我不得也想來湊個熱鬧,淺談一下這個「pi」字。首先,這個「pi」字,源自希臘字母「π 」,在平面幾何學上稱為圓周率,指的是圓周周長(C)對直徑(d)的比值(見下圖; π   = C/d),屬一數學上的常數(mathematical constant)。由於此值為一無理數(irrational number),它的值在小數點後因而有無盡的位數(見文後),為求簡便及好記,其近似值常以3.14表之,即 π  = 3.14。


每年的3月14日,因其日期中含有3, 1, 4這三個和 π 近似值(3.14)雷同的數字,這一天便被習稱為『Pi Day』。事實上,美國國會於2009年也正式通過法案,明訂每年的三月十四日為『Pi Day』。在這一天,校園或學界(特別是數學界)常以一特別烤製的「派(pie)」(取其英文 pie 和  π  的發音雷同)來和眾人分享慶賀(見下圖;credit: 丹麥Delft 理工大學製作之「Pi pie」)。此外,無獨有偶,這一天也恰是愛因斯坦(Albert Einstein; 14 March 1879 – 18 April 1955; 1921年諾貝爾物理獎得主;見下章)的生日,為了彰顯這具有此特殊意涵的日子,美國麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology, USA)自2012年起,也決定將所有新生申請入學的錄取通知書於這一天寄發出去。


     由於 π 為一無理數,長久以來,歷史上許多知名科學家,包括阿基米得(Archimedes)、牛頓(Newton)、高斯(Gauss)等,無不希望透過不同的數學方法,求得 π 的最佳近似值,其中尤以不同的分數(如 22//7, 333//106, 355//113 等等)來表示,最為普遍。例如,西元前250年,阿基米得以幾何圖形分割法,得到 π 近似值介於 223/71 和 22/7 兩個分數之間。值得一提的是,早在西元263年,三國時期的魏人劉徽在其『九章算術』一書中,也以類似的幾何圖形分割法,求得 π 的最佳近似值為 3.1416,此值較阿基米得的 π 的最佳近似值(即 3.1408 < π < 3.1429),更為精準略許。在這些不同分數比值中,尤以 22/7 最常被引用,也因此,仿同「Pi Day」,每年的7月22日也被稱之為『Pi Approximation Day』。

晚近拜電腦運算能力所賜,至2011年,此 π 的最佳近似值已可達到小數點後第十兆位數(此值也因此常被用來測試超高速電腦的運算能力)。此無盡小數位數也常被用來考驗一個人的記憶能力,依照最新的金氏世界記錄(Guinness World Records),目前的最佳記錄保持者為中國人吕超,於2005 年11月20日所創,他一共花了24小時又4分鐘,背誦到小數點後第67,890位數。這時量子物理學界的天才大師費曼教授(Richard Feynman;May 11, 1918 – February 15, 1988; 1965 諾貝爾物理獎得主;我以後會再以專文來介紹他)也來參了一腳,但他不是來競比背誦位數的多寡,而是指出自小數點後第762位數開始有連續6個9。在有次演講中,他曾提及希望有一天他能把 π 的最佳近似值背到此位數(point),因此,這小數點後的第762位數又稱之為「費曼位數(Feynman Point)」。

以下羅列了 π  最佳近似值到小數點後第1,000位數,包括了「費曼位數」自小數點後第762位數開始的連續6個9,俾為大家參考:

π = 3.1415926535 8979323846 2643383279 5028841971 6939937510 5820974944 5923078164 0628620899 8628034825 3421170679 8214808651 3282306647 0938446095 5058223172 5359408128 4811174502 8410270193 8521105559 6446229489 5493038196 4428810975 6659334461 2847564823 3786783165 2712019091 4564856692 3460348610 4543266482 1339360726 0249141273 7245870066 0631558817 4881520920 9628292540 9171536436 7892590360 0113305305 4882046652 1384146951 9415116094 3305727036 5759591953 0921861173 8193261179 3105118548 0744623799 6274956735 1885752724 8912279381 8301194912 9833673362 4406566430 8602139494 6395224737 1907021798 6094370277 0539217176 2931767523 8467481846 7669405132 0005681271 4526356082 7785771342 7577896091 7363717872 1468440901 2249534301 4654958537 1050792279 6892589235 4201995611 2129021960 8640344181 5981362977 4771309960 5187072113 4999999837 2978049951 0597317328 1609631859 5024459455 3469083026 4252230825 3344685035 2619311881 7101000313 7838752886 5875332083 8142061717 7669147303 5982534904 2875546873 1159562863 8823537875 9375195778 1857780532 1712268066 1300192787 6611195909 2164201989

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