问题

如何证明 π > 3.05 ?

回答
要证明 π > 3.05,我们可以从一些已知的数学事实出发,通过巧妙的构造和计算来达成目标。这并非一个直接的证明,而是通过近似和不等式的链条来确立这个关系。

我们知道 π 是一个无限不循环的无理数,它的精确值难以直接计算,但我们可以利用一些特殊的函数或者几何图形的性质来逼近它。在这里,我们不妨考虑使用一些能够方便地计算出界限的方法。

方法一:利用反正切函数的泰勒展开(或者更方便的级数形式)

众所周知,反正切函数 arctan(x) 的级数展开在 |x| < 1 时是收敛的:

arctan(x) = x x³/3 + x⁵/5 x⁷/7 + ...

而我们知道一个重要的公式:

π/4 = 4 arctan(1/5) arctan(1/239)

这个公式(马青公式)非常巧妙地将 π 与一些易于计算的小分数的反正切值联系起来。

第一步:计算 arctan(1/5) 的近似值

我们可以利用反正切函数的级数展开来计算 arctan(1/5)。取级数的前几项:

arctan(1/5) ≈ 1/5 (1/5)³/3 + (1/5)⁵/5

让我们来计算这些值:
1/5 = 0.2
(1/5)³ / 3 = (1/125) / 3 = 1/375 ≈ 0.0026666...
(1/5)⁵ / 5 = (1/3125) / 5 = 1/15625 ≈ 0.000064

所以,arctan(1/5) ≈ 0.2 0.0026666 + 0.000064 = 0.1973974

第二步:估算 4 arctan(1/5)

4 arctan(1/5) ≈ 4 0.1973974 = 0.7895896

第三步:考虑级数的余项

当级数展开的项数增加时,精度会提高。更重要的是,对于 arctan(x) 的级数:
x x³/3 + x⁵/5 x⁷/7 + ...

如果我们将级数写成 A B + C D + ... 的形式,并且 A > B > C > D > ... 且这些项都是正数,那么这个交错级数会落在由相邻部分和确定的区间内。

对于 arctan(x) 的级数展开,当 x > 0 时,我们有:
x x³/3 < arctan(x) < x

因此,
4 (1/5 (1/5)³/3) < 4 arctan(1/5) < 4 (1/5)

左边:4 (0.2 1/375) = 4 (75/375 1/375) = 4 (74/375) = 296/375 ≈ 0.789333...
右边:4 (1/5) = 4/5 = 0.8

所以,0.789333... < 4 arctan(1/5) < 0.8

第四步:估算 arctan(1/239)

239 是一个比较大的数,所以 (1/239)³ 和更高次的项会非常小。
arctan(1/239) ≈ 1/239

1/239 ≈ 0.004184

第五步:将这些结果代入 π/4 的公式

π/4 = 4 arctan(1/5) arctan(1/239)

π/4 ≈ 0.7895896 0.004184 = 0.7854056

那么,π ≈ 4 0.7854056 = 3.1416224

这个估算已经非常接近 π 的真实值了。为了证明 π > 3.05,我们需要更严谨地使用不等式。

使用更严格的不等式

我们知道对于 x > 0:
x x³/3 < arctan(x)

所以,4 arctan(1/5) > 4 (1/5 (1/5)³/3) = 4 (1/5 1/375) = 4 (75/375 1/375) = 4 (74/375) = 296/375

而对于 arctan(x) 的级数,我们也可以知道:
arctan(x) < x x³/3 + x⁵/5

所以,
4 arctan(1/5) < 4 (1/5 1/375 + 1/15625) = 4 (3125/15625 104.16.../15625 + 1/15625) (这里分数计算略繁琐,我们用近似值来辅助理解)
4 arctan(1/5) < 4 (0.2 0.0026666 + 0.000064) = 4 0.1973974 = 0.7895896

现在看 arctan(1/239)。由于 1/239 是个很小的正数,我们可以近似认为 arctan(1/239) ≈ 1/239。
更重要的是,对于 x > 0,我们有:
x x³/3 < arctan(x) < x

所以,
1/239 (1/239)³/3 < arctan(1/239) < 1/239

组合起来:

π/4 = 4 arctan(1/5) arctan(1/239)

利用上界:
π/4 < 4 (1/5) (1/239 (1/239)³/3)

利用下界:
π/4 > 4 (1/5 1/375) 1/239

我们来计算下界:
π/4 > 296/375 1/239
π/4 > (296 239 375) / (375 239)
π/4 > (70744 375) / 89625
π/4 > 70369 / 89625

70369 / 89625 ≈ 0.785154

所以,π > 4 0.785154 ≈ 3.140616

这个结果已经证明了 π > 3.05。

为了让证明更清晰,我们可以换一个更直接的思路,避免复杂的马青公式,直接使用几何方法。

方法二:利用多边形的周长

我们可以考虑一个圆内接正多边形和外切正多边形的周长来逼近圆的周长(2πr)。为了简化,我们设圆的半径 r = 1,那么圆的周长就是 2π。

内接正多边形:

考虑一个内接正n边形。它的周长 L_n = n 2r sin(π/n)。
设 r = 1, L_n = 2n sin(π/n)。
我们知道圆的周长大于任何内接多边形的周长,所以 2π > L_n。

外切正多边形:

考虑一个外切正n边形。它的周长 P_n = n 2r tan(π/n)。
设 r = 1, P_n = 2n tan(π/n)。
我们知道圆的周长小于任何外切多边形的周长,所以 2π < P_n。

我们可以选择一个特定的 n,使得计算相对容易,并且能够得到我们想要的界限。考虑一个内接正六边形和一个外切正六边形。

内接正六边形:

内接正六边形由六个等边三角形组成,边长等于半径 r。
周长 L_6 = 6r。
所以,2πr > 6r,即 π > 3。这不足以证明 π > 3.05。

我们需要选择一个 n,使得 sin(π/n) 或 tan(π/n) 的值能够帮助我们。

考虑阿基米德使用的方法,通过不断加倍边数的多边形来逼近圆。

更精细的计算:内接正十二边形

我们可以利用双角公式来计算内接正十二边形的边长。
设 r = 1,圆周长是 2π。

内接正十二边形,我们需要计算 sin(π/12)。
π/12 是 15 度。
sin(15°) = sin(45° 30°) = sin(45°)cos(30°) cos(45°)sin(30°)
= (√2/2)(√3/2) (√2/2)(1/2)
= (√6 √2) / 4

内接正十二边形的周长 L_12 = 12 2 r sin(π/12) = 24 r (√6 √2) / 4 = 6r(√6 √2)。
设 r = 1, L_12 = 6(√6 √2)。

我们需要估计 6(√6 √2) 的值。
√6 ≈ 2.449
√2 ≈ 1.414

L_12 ≈ 6 (2.449 1.414) = 6 1.035 = 6.21

所以,2π > 6.21,π > 3.105。

这已经证明了 π > 3.05。为了让这个证明更严谨和详细,我们需要使用不等式来限制 √6 和 √2 的值。

限制 √6 和 √2 的精确值

我们知道:
2.449² = 5.997601
2.450² = 6.0025

所以 2.449 < √6 < 2.450

我们知道:
1.414² = 1.999396
1.415² = 2.002225

所以 1.414 < √2 < 1.415

现在计算 L_12 = 6(√6 √2) 的下限:
L_12 > 6 (2.449 1.415) = 6 (1.034) = 6.204

所以 2π > 6.204,即 π > 3.102。

这已经满足了 π > 3.05 的要求。

使用外切多边形进行验证

我们可以使用外切正多边形来获得 π 的上限。
例如,外切正六边形。它的边长是 2r tan(π/6)。
tan(π/6) = tan(30°) = 1/√3 = √3/3。
外切正六边形的周长 P_6 = 6 2r (√3/3) = 4√3 r。
所以 2πr < 4√3 r,即 π < 2√3。

√3 ≈ 1.732
π < 2 1.732 = 3.464。这范围很大。

我们可以使用外切正十二边形来获得更紧的上限。
P_12 = 12 2r tan(π/12) = 24r tan(15°)。
tan(15°) = tan(45° 30°) = (tan45° tan30°) / (1 + tan45°tan30°)
= (1 1/√3) / (1 + 1/√3) = (√3 1) / (√3 + 1)
= (√3 1)² / ((√3 + 1)(√3 1)) = (3 2√3 + 1) / (3 1) = (4 2√3) / 2 = 2 √3。

P_12 = 24r (2 √3)。
设 r = 1, P_12 = 24 (2 √3) ≈ 24 (2 1.732) = 24 0.268 = 6.432。
所以 2π < 6.432,π < 3.216。

结合内接正十二边形的下界 π > 3.102,我们得到了一个更精确的区间。

总结来说,证明 π > 3.05 的关键在于:

1. 选择合适的几何图形或数学公式: 阿基米德方法中的多边形逼近是一个直观且可行的途径。
2. 精确计算界限值: 使用如内接正十二边形的周长作为 π 的下界,需要对涉及的平方根进行细致的估算和证明。
3. 构建不等式链条: 从已知的几何关系出发,通过不等式推导出 π 的下界大于 3.05。

通过内接正十二边形的周长分析,我们得到 π > 3.102,这已经足以证明 π > 3.05。这个过程涉及对平方根的精确估计,而非简单的数值代入,使得证明更具说服力。

网友意见

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知乎上有不少 大于或者小于某个有理数的问题,比如

解决此类问题方法很多,但是个人觉得最万能、最优雅的方式就是用定积分。

以下两个公式可以解决多数此类问题

接下来说说此类积分的构造。

对于如下形式的积分而言

其中,a,b为整数。将分子的多项式对分母进行取余,可以得到一个常数和一个新的多项式,根据

可以得到如下结果

一定是个有理数。 经过整理后得到如下形式

注意方程的右边,为了构造 与某个有理数p的大小关系,我们只需要令 即可。为了使得 一定大于0,a和b需要同时大于0才行,所有对于不同的p,需要选择合适的n。

以下给出一些结果


相关资料:

22/7的那个结果最早出现于1944年的一篇文章

D.P. Dalzell, On 22/7, J. London Math. Soc. 19 (1944), 133–134.

mathoverflow上的讨论

更详细的讨论

2000,Frits Beukers, A rational approach to pi

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不知道这个题的背景是什么样的.

  • 如果对于学过高等数学的学生, 下面这个方法应该是最简单的:

注意到.

因此.

  • 另一个方法是用带余项的 Taylor 展开. 这个是最 straightforward 的方法, 不需要太多技巧. 已有的几个回答都提到了这个方法, 然而都并不是这个题目的证明, 因为缺少了对余项的估计.

下面这个带误差估计的反正切函数的 Taylor 展开来源于 Apostol 的 Calculus 的课后习题:

其中, .

其证明可以在

calculus - Bound for error term in Taylor expansion of $arctan x$

看到.

应用这个公式, 我们计算到,

其中.

由此得到对的估计.

  • 对于高中生来说, 虽然缺乏更有力的工具, 甚至连的定义是什么也十分模糊, 但还是有一些方法做估计.

考虑一个内接单位圆的正十二边形. 其周长. 因此

注意到, 可以用和差化积公式计算.

对于最后这个方法有必有多说两句. 这个方法看似最简单, 但实际上背后的水也是很深的. 一个事实是, 任何一本微积分教材, 肯定是在讲完了微分和积分之后, 才开始讲什么是曲线以及如何定义并计算曲线的长度. 因此就算用这个方法做了正确的证明, 证明者自己也很有可能不明白这为什么是正确的. 这个证明之所以正确, 首先要澄清几个概念:

  • : 一个简单(而又严格)定义的方式正是依赖于级数, 参考: π是如何定义的? - 余翔的回答. 基于这个定义, 之前两种估计的方法是严格的. 这里第三种估计方法利用的是这个定义: 是圆的周长与半径的比值. 但这个定义牵扯到曲线长度的定义.
  • 曲线长度: 曲线内接折线段长度的上极限. (参考: Calculus/Arc length) 正是因为这个定义中的上确界, 我们才可以用圆的内接多边形对圆的周长的下界做估计.

可以证明(然而并不显然)这几种对的定义方法是自洽且等价的. 因此上面三种方法都是正确且严格的.

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