追求 π 的意義

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古巴比倫計算的圓周率(π)為 3.125,古希臘數學家阿基米德則證得 π 介乎 22/7 到 223/71 之間,再到 5 世紀祖沖之求 π 至小數點後 7 位…… 人類一直努力精確計算無理數(Irrational number)π。瑞士研究人員本週一宣佈,藉超級電腦運算之力計算出當前最準確的圓周率,至小數點後 62.8 萬億個數字。但萬億位又有甚麼意義?

無理數,是指不能表示成兩個整數之比的數字。表示圓周長與直徑比值的 π,便是小數點後有無限位而且不循環的無理數。荷蘭數學家 Adriaan Anthonisz 於 1585 年計算出 π 近似值至 355/113,準確至小數點後 6 位。1593 至 1596 年間,再有法國和荷蘭數學家,將準確數字推算至小數點後 9、15、20 位。 至 1706 年,英國數學家 John Machin 成功求 π 至小數點後 100 位。

澳洲伊迪斯科文大學數學講師 Julia Collins 在學術網站 The Conversation 撰文指,只需準確至小數點後 10 位的 π,就可能計算出精確度相差不出一毫米的地球周長;小數點後 32 位,便可計出精確度相差只有氫原子寬的銀河系周長;65 位小數的 π,就能在 1 個普朗克長度(Planck length)單位的差距內 —— 即最短的可測量距離,得出可觀察宇宙(Observable universe)的大小。

背誦 π 的人;目前世界紀錄為小數後 70,030 位。 圖片來源:Ryan McFadden/MediaNews Group/Reading Eagle via Getty Images

墨爾本大學數學和統計學教授 Jan de Gier 接受英國「衛報」訪問時指,對於數學常數而言,達到一定精度的 π 近似值有實際用途。「從愛因斯坦的廣義相對論,到修正 GPS,還有各種涉及電子工程學的問題,π 無處不在。」新南威爾士大學數學與統計學院副教授 David Harvey 亦舉例:「π 對數學上的『傅立葉轉換』(Fourier transform)也很重要,而你播放的 MP3 檔案、藍光碟,便採用『傅立葉轉換』來壓縮數據。」

幾個世紀前 π 準確至小數點後過百位,已能滿足後世對浩瀚宇宙的計算。不過 π 的計算一直持續,且在上世紀電腦面世後更見突破。如 1961 年,IBM 電腦 IBM 7090 經過 8 小時 43 分鐘的運算,得出小數點後 10 萬位的 π。最近瑞士的研究,更打破之前的小數點後 50 萬億的世界紀錄,而運算速度提升 3.5 倍。

愈來愈長的 π 的小數位,或者可為背誦 π 愛好者提供一道又一道高牆,惟目前的世界紀錄保持者亦只能背至小數點後 70,030 位。回歸科學範疇,Harvey 亦表示:「以我所知,沒有任何實際物理應用,需要用上超過 15 位小數的 π。」

62.8 萬億,是否百無一用的壯舉?de Gier 把今天的計算,視作電腦軟硬件運算能力的比拼。「這個世界紀錄本身沒有用處,但它能激勵人們去實現目標。」Harvey 也指:「這是一項運算挑戰,涉及大量數學與現代電腦科學技術。」Collins 則點出今天計算 π 的一項間接好處:「更進一步的計算,代表持續開發與測試超級電腦和高精度乘法算法。計算 π 的電腦軟硬件提升,能造福人們生活各方面,如更準確的天氣預報、DNA 檢測,甚至有利冠狀病毒的科學模型研究。」