Número pi

Para outras páxinas con títulos homónimos véxase: Pi.

Pi ou π é unha constante matemática cuxo valor é a razón aritmética de calquera circunferencia dun círculo co seu diámetro; este é o mesmo valor có da razón da área dun círculo co cadrado do seu raio. É aproximadamente igual a 3,14159 na notación decimal habitual. π é unha das constantes matemáticas e físicas máis importantes: moitas fórmulas das matemáticas, ciencias e enxeñaría están moi relacionadas con π.

Cando o diámetro dun círculo é 1, a lonxitude da circunferencia é pi.

Números – Números irracionais ζ(3) – √2 – √3 – √5 – φ – α – e – π – δ
Binario	11,00100100001111110110…
Decimal	3,14159265358979323846…
Hexadecimal	3,243F6A8885A308D31319…
Fracción continua	$3+{\cfrac {1}{7+{\cfrac {1}{15+{\cfrac {1}{1+{\cfrac {1}{292+\ddots }}}}}}}}$ Nótese que esta fracción continua non é periódica.

π é un número irracional, o que significa que o seu valor non pode ser expresado exactamente como fracción m/n, onde m e n son enteiros. Por conseguinte, a súa representación decimal nunca acaba ou se repite. É tamén un número transcendente, o que quere dicir que non existen secuencias finitas de operacións alxébricas con números enteiros (multiplicacións, raíces, sumas etc.) que poidan ser igual ao seu valor; demostrar isto foi un logro recente na historia das matemáticas e un resultado significativo das matemáticas alemás do século XIX. Ao longo da historia matemática, teñen habido moitos esforzos por determinar π máis exactamente e entender a súa natureza; a fascinación co número mesmo pasou á cultura non-matemática.

A letra grega π, frecuentemente enunciada pi, foi adoptada para o número a partir da palabra grega para perímetro "περίμετρος", por vez primeira por William Jones en 1707, e popularizada por Leonhard Euler en 1737. A constante tamén é ocasionalmente referida coma a "constante circular", a "constante de Arquímedes" (para non ser confundida co número de Arquimedes) ou "número de Ludolph" (na honra dun matemático alemán cuxos esforzos para calcular os máis dos seus díxitos fixérono coñecido).

Definicións

• En xeometría plana, π pódese definir como a relación da circunferencia co seu diámetro.
• Tamén se define π analiticamente usando funcións trigonométricas, como exemplos:
  • como o menor positivo x para o cal sen(x) = 0,
  • como o duplo do menor positivo x para o cal cos(x) = 0.

A probabilidade e o número π

Gráficas da distribución normal para distintos valores da media e desviación típica. A de cor vermella é a da distribución normal estándar (media 0 e desviación típica 1)

Unha lixeira reflexión pode facernos pensar que nada hai máis afastado do número π que o concepto de probabilidade, cando a realidade é ben distinta. O matemático e lóxico inglés Augustus De Morgan foi interrogado en certa ocasión por un vendedor de seguros sobre a probabilidade de que un grupo de persoas seguise con vida despois dun certo tempo. Na solución ao problema aparecía o número π, cousa que sorprendeu ao vendedor quen pensou que De Morgan se trabucara. A solución era a correcta e ten que ver coa distribución normal, unha variable aleatoria continua cuxa función de densidade é:

$f(x)={\frac {1}{\sigma {\sqrt {2\pi }}}}e^{-{\frac {(x-\mu )^{2}}{2\sigma ^{2}}}}$

onde μ é a media e σ a desviación típica da distribución.

A distribución normal aparece ligada a multitude de situacións reais, entre elas á esperanza de vida do problema do vendedor de seguros. A gráfica desta distribución coñécese como campá de Gauss pola súa forma característica de campá e polo matemático alemán Gauss, quen en 1809 publicou un monográfico no que introducía algúns conceptos estatísticos, entre eles o de distribución normal; porén algúns autores atribúenlle o descubrimento en 1733 ao matemático francés De Moivre, estudando os coeficientes do binomio (a + b)ⁿ. É por este nome que Alexander Pope dicía que cada vez que alguén morre, as campás (de Gauss) soan por π.

Outros exemplos do campo das probabilidades onde aparece π son:

• A probabilidade de que dous enteiros positivos escollidos ó chou sexan primos entre si é $6/\pi ^{2}$
• Elixido ó chou un triángulo cuxo lado maior mide a unidade, a probabilidade de que sexa obtusángulo é $(\pi -2)/4$
• O problema da agulla de Buffon: chamado así por ser proposto, e resolto, polo conde de Buffon, científico francés do século XVIII. Lanzada unha agulla, sen que se clave, sobre unha superficie na que se trazaron liñas paralelas equidistantes, trátase de calcular a probabilidade de que a agulla corte a unha liña. Se $l$ é a lonxitude da agulla, e $d$ a distancia entre as liñas, dita probabilidade é:

1. ${\frac {2l}{\pi d}}$ cando $l<d$
2. ${\frac {2}{\pi }}$ cando $l=d$
3. ${\frac {2l}{\pi d}}-{\frac {2}{\pi d}}\left\{{\sqrt {l^{2}-d^{2}}}+d\sin ^{-1}\left({\frac {d}{l}}\right)\right\}+1$ cando $l>d$

• O problema da agulla de Buffon-Laplace: foi proposto por Laplace en 1812. É unha variante do problema de Buffon considerando a superficie cuadriculada onde os lados da cuadrícula $a$ e $b$ non teñen por que medir o mesmo, e a lonxitude da agulla $l$ é menor que ambos lados.

1. Se $a\neq b$, a probabilidade de que a agulla corte a algún lado da cuadrícula é:${\frac {2l\left(a+b\right)-l^{2}}{\pi ab}}$
2. Se $a=b$, téñense as seguintes probabilidades:

• Probabilidade de que a agulla non corte a ningunha liña: $1-{\frac {l\left(4a-l\right)}{\pi a^{2}}}$
• Probabilidade de que a agulla corte a unha liña: ${\frac {2l\left(2a-l\right)}{\pi a^{2}}}$
• Probabilidade de que a agulla corte ás dúas liñas: ${\frac {l^{2}}{\pi a^{2}}}$

A suma das tres probabilidades anteriores é obviamente 1 xa que abarcan todas as posibilidades e corresponden a sucesos incompatíbeis.

Fórmulas que conteñen π

Xeometría

• Ángulos: 180 graos son equivalentes a π radiáns

Forma xeométrica	Fórmula
Circunferencia do circo de raio r e diámetro d	$C=\pi d=2\pi r\,\!$
Área do circo de raio r	$A=\pi r^{2}\,\!$
Área da elipse con semi-eixos a e mais b	$A=\pi ab\,\!$
Volume da esfera de raio r	$V={\frac {4}{3}}\pi r^{3}\,\!$
Superficie da esfera de raio r	$A=4\pi r^{2}\,\!$
Volume do cilindro de altura h e raio r	$V=\pi r^{2}h\,\!$
Superficie do cilindro de altura h e raio r	$A=2(\pi r^{2})+(2\pi r)h=2\pi r(r+h)\,\!$
Volume do cono de altura h e raio r	$V={\frac {1}{3}}\pi r^{2}h\,\!$
Superficie do cono de altura h e raio r	$A=\pi r{\sqrt {r^{2}+h^{2}}}+\pi r^{2}=\pi r(r+{\sqrt {r^{2}+h^{2}}})\,\!$

Ademais, o ángulo 180° en graos equivale a π radiáns (unha volta enteira, 360 graos, son equivalentes a 2π radiáns).

Análise

Moitas fórmulas de análise matemática conteñen π, incluíndo series infinitas, integrais, e as chamadas funcións especiais.

• François Viète, 1593 (Proba de Viète):

${\frac {2}{\pi }}={\frac {\sqrt {2}}{2}}{\frac {\sqrt {2+{\sqrt {2}}}}{2}}{\frac {\sqrt {2+{\sqrt {2+{\sqrt {2}}}}}}{2}}\ldots$

• fórmula de Leibniz:

${\frac {1}{1}}-{\frac {1}{3}}+{\frac {1}{5}}-{\frac {1}{7}}+{\frac {1}{9}}-\cdots ={\frac {\pi }{4}}$

Esta serie infinita, citada a miúdo, escríbese como se indica arriba, pero exprésase máis tecnicamente como:

$\sum _{n=0}^{\infty }(-1)^{n}\left({\frac {1}{2n+1}}\right)={\frac {\pi }{4}}$

• produto de Wallis (ver este artigo para a proba):

${\frac {2}{1}}\cdot {\frac {2}{3}}\cdot {\frac {4}{3}}\cdot {\frac {4}{5}}\cdot {\frac {6}{5}}\cdot {\frac {6}{7}}\cdot {\frac {8}{7}}\cdot {\frac {8}{9}}\cdots ={\frac {\pi }{2}}$

• Unha fórmula de cálculo integral :

$\int _{-\infty }^{\infty }e^{-x^{2}}\,dx={\sqrt {\pi }}$

• problema de Basel, resolta por Euler (ver tamén función zeta de Riemann ):

$\zeta (2)={\frac {1}{1^{2}}}+{\frac {1}{2^{2}}}+{\frac {1}{3^{2}}}+{\frac {1}{4^{2}}}+\cdots ={\frac {\pi ^{2}}{6}}$

$\zeta (4)={\frac {1}{1^{4}}}+{\frac {1}{2^{4}}}+{\frac {1}{3^{4}}}+{\frac {1}{4^{4}}}+\cdots ={\frac {\pi ^{4}}{90}}$

e xeralmente, $\zeta (2n)$ é un múltiplo de $\pi ^{2n}$ para o enteiro positivo n

• función Gamma avaliada en 1/2:

$\Gamma \left({1 \over 2}\right)={\sqrt {\pi }}$

• aproximación de Stirling:

$n!\sim {\sqrt {2\pi n}}\left({\frac {n}{e}}\right)^{n}$

• identidade de Euler (chamada por Richard Feynman "a fórmula máis salientada en matemáticas"):

$e^{i\pi }+1=0\;$

• Area dun cuarto do circo unidade:

$\int _{0}^{1}{\sqrt {1-x^{2}}}\,dx={\pi \over 4}$

Historia

Antigüidade

As aproximacións máis coñecidas a π datan de antes da nosa era e tiñan unha precisión de dúas cifras decimais; esta precisión mellorouse, sobre todo nas matemáticas chinesas en particular a mediados do primeiro milenio, ata unha precisión de sete cifras decimais. A partir de entón, non se produciron máis avances ata finais da Idade Media.

As primeiras aproximacións escritas de π atópanse en Babilonia e Exipto, ambas dentro do un por cento do valor verdadeiro. En Babilonia, unha tableta de arxila datada entre 1900 e 1600 a.C. ten un enunciado xeométrico que, implicitamente, trata a π como 25/8 = 3.125. En Exipto, o papiro de Rhind, datado ao redor de 1650 AC pero copiado dun documento datado en 1850 AC, ten unha fórmula para a área dun círculo que trata a π como (16/9)² ≈ 3.16. Aínda que algúns piramidólogos como Flinders Petrie han teorizado que a Gran Pirámide de Gizeh foi construída con proporcións relacionadas con π, esta teoría non é amplamente aceptada polos estudosos. Nos textos Shulba Sutras das matemáticas indias, que datan dunha tradición oral do primeiro ou segundo milenio a.C., danse aproximacións que foron interpretadas de diversas maneiras como aproximadamente 3.08831, 3.08833, 3.004, 3, ou 3.125.

Era de aproximación de polígonos

π pódese estimar calculando os perímetros de polígonos circunscritos e inscritos.

Arquímedes desenvolveu o enfoque poligonal para aproximar π.

O primeiro algoritmo rexistrado para calcular rigorosamente o valor de π foi un enfoque xeométrico mediante polígonos, ideado ao redor do 250 a.C. polo matemático grego Arquímedes. Este algoritmo poligonal dominou durante máis de 1.000 anos, e como resultado π coñécese ás veces como a constante de Arquímedes. Arquímedes calculou os límites superior e inferior de π debuxando un hexágono regular dentro e fóra dun círculo, e duplicando sucesivamente o número de lados ata chegar a un polígono regular de 96 lados. Ao calcular os perímetros destes polígonos, demostrou que 223/71 < π < 22/7 (é dicir 3.1408 < π < 3.1429). O límite superior de Arquímedes de 22/7 puido levar a unha crenza popular estendida de que π é igual a 22/7 . Ao redor do 150 d. C., o científico grego-romano Tolomeo, no seu Almaxesto, deu un valor para π de 3,1416, que puido ter obtido de Arquímedes ou de Apolonio de Perge. Os matemáticos que usaban algoritmos poligonais alcanzaron os 39 díxitos de π en 1630, un récord que só se bateu en 1699 cando se usaron series infinitas para acadar os 71 díxitos.

Na China antiga, os valores de π eran 3,1547 (ao redor do ano 1 d. C.), √10 (aproximadamente 3.1623 no 100 d.C.), e 142/45 ( aproximadamente 3,1556 no século III). Ao redor do 265 d. C., o matemático do reino Wei Li Hui creou un algoritmo iterativo baseado en polígonos e utilizouno cun polígono de 3.072 lados para obter un valor. de π de 3.1416. Liu máis tarde inventou un método máis rápido para calcular π e obtivo un valor de 3,14 cun polígono de 96 lados, aproveitando que as diferenzas na área dos sucesivos polígonos forman unha serie xeométrica cun factor de 4. O matemático chinés Zu Chongzhi, ao redor do ano 480 d. C., calculou que 3.1415926 < π < 3.1415927 e suxeriu as aproximacións π ≈ 355/113 = 3.14159292035... e π ≈ 22/7 = 3.142857142857..., que chamou Milü (''proporción proxima") e Yuelü ("proporción aproximada"), respectivamente, utilizando o algoritmo de Li Hui aplicado a un polígono de 12.288 lados. Cun valor correcto para os seus sete primeiros díxitos decimais, este valor seguiu sendo a aproximación máis exacta de π dispoñible durante os seguintes 800 anos.

O astrónomo indio Âryabhata utilizou un valor de 3,1416 na súa Āryabhaṭīya (499 d. C.).. Fibonacci en c. 1220 calculou 3,1418 mediante un método poligonal, independente de Arquímedes. O autor italiano Dante ao parecer empregou o valor 3+√2/10 ≈ 3.14142.

O astrónomo persa Jamshīd al-Kāshī produciu 9 díxitos sexaxesimais, aproximadamente o equivalente a 16 díxitos decimais, en 1424 utilizando un polígono con 3×2²⁸ lados, que foi o récord mundial durante uns 180 anos. O matemático francés François Viète logrou en 1579 9 díxitos cun polígono de 3×2¹⁷ lados. O matemático flamengo Adriaan van Roomen chegou os 15 decimais en 1593. En 1596, o matemático holandés Ludolph van Ceulen alcanzou os 20 díxitos, un rexistro que máis tarde aumentou a 35 díxitos (como resultado, π foi chamado "número ludolphiano" en Alemaña ata principios do século XX). O científico holandés Willebrord Snel alcanzou os 34 díxitos en 1621, e o astrónomo austríaco Christoph Grienberger chegou a 38 díxitos en 1630 usando 10⁴⁰ lados. Christiaan Huygens foi capaz de chegar a 10 cifras decimais en 1654 usando un método equivalente e lixeiramente diferente á extrapolación de Richardson.

Series infinitas

Comparación da converxencia do produto de Wallis (asteriscos roxos) e varias series infinitas para π. Sn é a aproximación despois de tomar n termos. Cada subgráfico amplía a precisión da imaxe nun factor de 10.

O cálculo de π foi revolucionado polo desenvolvemento das técnicas de series infinitas nos séculos XVI e XVII. Unha serie infinita é a suma dos termos dunha sucesión infinita. As series infinitas permitían aos matemáticos calcular π con moita maior precisión que Arquímedes e outros que utilizaban técnicas xeométricas. Aínda que as series infinitas foron explotadas para π sobre todo por matemáticos europeos como James Gregory e Gottfried Wilhelm Leibniz, o enfoque tamén apareceu na Escola de Kerala nalgún momento dos séculos XIV ou XV. Ao redor de 1500 d. C., unha descrición escrita dunha serie infinita que podería usarse para calcular π foi presentada en verso sánscrito no tratado astronómico Tantrasamgraha escrito polo matemático e astronomo Nilakantha Somayaji. As series preséntanse sen probas, pero as probas preséntanse nun traballo posterior, Yuktibhāṣā, de arredor de 1530 d.C. Descríbense varias series infinitas, incluíndo series para seno (que Nilakantha atribúe a Madhava de Sangamagrama), coseno e arcotanxente que agora se denominan ás veces series de Madhava. Ás veces a serie para arcotanxente chámase series de Gregory ou series Gregory–Leibniz. Madhava utilizou series infinitas para estimar π a 11 díxitos ao redor de 1400, pero ese valor foi mellorado ao redor de 1430 polo matemático persa Jamshīd al-Kāshī, utilizando un algoritmo poligonal.

En 1593, François Viète publicou o que agora se coñece como fórmula de Viète, un produto infinito (en lugar dunha suma infinita, que se utiliza máis tipicamente nos cálculos de π):

$${\frac {2}{\pi }}={\frac {\sqrt {2}}{2}}\cdot {\frac {\sqrt {2+{\sqrt {2}}}}{2}}\cdot {\frac {\sqrt {2+{\sqrt {2+{\sqrt {2}}}}}}{2}}\cdots$$

En 1655, John Wallis publicou tamén un produto infinito, o que agora se coñece como produto de Wallis:

$${\frac {\pi }{2}}={\Big (}{\frac {2}{1}}\cdot {\frac {2}{3}}{\Big )}\cdot {\Big (}{\frac {4}{3}}\cdot {\frac {4}{5}}{\Big )}\cdot {\Big (}{\frac {6}{5}}\cdot {\frac {6}{7}}{\Big )}\cdot {\Big (}{\frac {8}{7}}\cdot {\frac {8}{9}}{\Big )}\cdots$$

Isaac Newton utilizou series infinitas para calcular π ata 15 díxitos, escribindo máis tarde "avergóñame dicirlle ata cantas cifras teñen estes cálculos".

Na década de 1660, o científico inglés Isaac Newton e o matemático alemán Gottfried Wilhelm Leibniz descubriron o cálculo, que conduciu ao desenvolvemento de moitas series infinitas para achegarse a π. O propio Newton utilizou unha serie arcoseno para calcular unha aproximación de 15 díxitos de π en 1665 ou 1666, escribindo "Avergóñame dicirche ata cantas cifras levei estes cálculos, non tendo outro asunto nese momento."

En 1671, James Gregory , e independentemente Leibniz en 1673, descubriron a expansión da serie de Taylor para a función de arco:

$$\arctan z=z-{\frac {z^{3}}{3}}+{\frac {z^{5}}{5}}-{\frac {z^{7}}{7}}+\cdots$$

Esta serie, ás veces chamada serie de Gregory-Leibniz, é igual a π/4 cando se calcula con z = 1. Pero para z = 1 converxe de forma pouco práctica (é dicir, aproxímase á resposta moi gradualmente), necesitando unhas dez veces máis termos para calcular cada díxito adicional.

En 1699, o matemático inglés Abraham Sharp utilizou a serie de Gregory-Leibniz para ${\textstyle z={\frac {1}{\sqrt {3}}}}$ para calcular 71 díxitos de π, batendo o récord anterior de 39 díxitos, que se estableceu cun algoritmo poligonal.

En 1706, John Machin utilizou a serie de Gregory-Leibniz para producir un algoritmo que converxía moito máis rápido:

$${\frac {\pi }{4}}=4\arctan {\frac {1}{5}}-\arctan {\frac {1}{239}}.$$

Machin alcanzou os 100 díxitos de π con esta fórmula. Outros matemáticos crearon variantes, agora coñecidas como fórmulas de Machin, que se utilizaron para establecer varios récords sucesivos de cálculo de díxitos de π.

Isaac Newton acelerou a converxencia da serie Gregory-Leibniz en 1684 (nun traballo inédito; outros descubriron de forma independente o mesmo resultado):

$\arctan x={\frac {x}{1+x^{2}}}+{\frac {2}{3}}{\frac {x^{3}}{(1+x^{2})^{2}}}+{\frac {2\cdot 4}{3\cdot 5}}{\frac {x^{5}}{(1+x^{2})^{3}}}+\cdots$

Leonhard Euler popularizou esta serie no seu libro de texto de cálculo diferencial de 1755, e máis tarde utilizouna con fórmulas similares ás de Machin, incluíndo ${\textstyle {\tfrac {\pi }{4}}=5\arctan {\tfrac {1}{7}}+2\arctan {\tfrac {3}{77}},}$ co que calculou 20 díxitos de π nunha hora.

As fórmulas maquinais seguiron sendo o método máis coñecido para calcular π ata ben entrada a era dos computadores, e utilizáronse para establecer récords durante 250 anos, culminando cunha aproximación de 620 díxitos en 1946 por Daniel Ferguson - a mellor aproximación lograda sen a axuda dun dispositivo de cálculo.

En 1844, Zacharias Dase estableceu un récord, que empregou unha fórmula similar a Machin para calcular 200 decimais de π coa súa cabeza a instancias do matemático alemán Carl Friedrich Gauss.

Véxase tamén

Bibliografía

• Navarro, Joaquín (2010). RBA, ed. Los secretos del número π (en castelán). Barcelona. ISBN 978-84-473-6629-3. 
• Abramson, Jay (2014). Precalculus. OpenStax. 
• Andrews, George E.; Askey, Richard; Roy, Ranjan (1999). Special Functions. Cambridge: University Press. ISBN 978-0-521-78988-2. 
• Arndt, Jörg; Haenel, Christoph (2006). Pi Unleashed. Springer-Verlag. ISBN 978-3-540-66572-4. Consultado o 5 June 2013.  English translation by Catriona and David Lischka.
• Berggren, Lennart; Borwein, Jonathan; Borwein, Peter (1997). Pi: a Source Book. Springer-Verlag. ISBN 978-0-387-20571-7. 
• Boyer, Carl B.; Merzbach, Uta C. (1991). A History of Mathematics (2 ed.). Wiley. ISBN 978-0-471-54397-8. 
• Bronshteĭn, Ilia; Semendiaev, K.A. (1971). A Guide Book to Mathematics. Verlag Harri Deutsch. ISBN 978-3-87144-095-3. 
• Dym, H.; McKean, H. P. (1972). Fourier series and integrals. Academic Press. 
• Eymard, Pierre; Lafon, Jean Pierre (2004). The Number Pi. American Mathematical Society. ISBN 978-0-8218-3246-2. , English translation by Stephen Wilson.
• Martini, Horst; Montejano, Luis; Oliveros, Déborah (2019). Bodies of Constant Width: An Introduction to Convex Geometry with Applications. Birkhäuser. ISBN 978-3-030-03866-3. MR 3930585. doi:10.1007/978-3-030-03868-7. 
• Posamentier, Alfred S.; Lehmann, Ingmar (2004). Pi: A Biography of the World's Most Mysterious Number. Prometheus Books. ISBN 978-1-59102-200-8. 
• Remmert, Reinhold (2012). "Ch. 5 What is π?". En Heinz-Dieter Ebbinghaus; Hans Hermes; Friedrich Hirzebruch; Max Koecher; Klaus Mainzer; Jürgen Neukirch; Alexander Prestel; Reinhold Remmert. Numbers. Springer. ISBN 978-1-4612-1005-4. 

Outros artigos

• Daniel Tammet

Ligazóns externas

• Páxina sobre π (The Pi-Search Page) (en inglés)