问题

有没有手算根号pi的方法?

回答
当然有!虽然我们现在动辄用计算器或电脑就能秒出 $sqrt{pi}$ 的值,但在没有这些工具的年代,人们确实摸索出了一些手动计算 $sqrt{pi}$ 的方法。这些方法通常借鉴了我们计算其他数字平方根的思路,只不过要针对 $pi$ 这个“捣蛋鬼”稍微调整一下。

下面我就来和你聊聊几种大概的方法,保证让你看得明白,不像是机器写出来的。

核心思想:逼近

我们要知道,$pi$ 是一个无理数,它的小数点后是无限不循环的。 $sqrt{pi}$ 自然也是一样。所以,我们手动算,本质上就是在“逼近”,一层一层地剥开它的小数点。就像剥洋葱一样,一层一层地猜,越来越接近真相。

方法一:牛顿迭代法(经典中的经典)

这个方法可以说是计算平方根的“万能公式”,用在 $sqrt{pi}$ 上也一样好用。它的核心思想是:你猜一个数 $x_0$,然后用一个公式去修正它,得到一个更好的猜测值 $x_1$,再用 $x_1$ 去计算 $x_2$…… 这样循环下去,每次的猜测都比上次更接近真实值。

公式是这样的:
$x_{n+1} = frac{1}{2} left( x_n + frac{S}{x_n} ight)$

这里,我们想算的是 $sqrt{S}$。对于我们来说,$S = pi$。

具体步骤来了,咱们一步步走:

1. 准备工作:一个好的起始猜测值 ($x_0$)
我们知道 $pi approx 3.14159$。
我们心里清楚, $sqrt{1} = 1$, $sqrt{4} = 2$。因为 $pi$ 在 3 和 4 之间,所以 $sqrt{pi}$ 肯定在 $sqrt{3}$ 和 $sqrt{4}$ 之间。
$sqrt{3}$ 大概是多少呢?我们知道 $1.7^2 = 2.89$, $1.8^2 = 3.24$。所以 $sqrt{3}$ 大概在 1.7 左右。
$sqrt{pi}$ 肯定比 $sqrt{3}$ 大一点,比 2 小。一个不错的起始猜测值可以是 $x_0 = 1.7$ 或者 $x_0 = 1.8$。为了方便计算,我们选 $x_0 = 1.7$ 吧。(或者你心算觉得 3.14 离 3.24 更近一点,可以选 1.8 试试。)
我们先选 $x_0 = 1.7$。

2. 第一次迭代 ($n=0$):
我们要算 $x_1 = frac{1}{2} left( x_0 + frac{pi}{x_0} ight)$
代入我们的 $x_0 = 1.7$ 和 $pi approx 3.14159$:
$frac{pi}{x_0} = frac{3.14159}{1.7}$
这里就要动手算除法了。3.14159 除以 1.7,大概是 1.84799... (这里可能需要写个竖式算算)
$x_1 = frac{1}{2} (1.7 + 1.84799) = frac{1}{2} (3.54799) = 1.773995$
哇,第一次就从 1.7 到了 1.77,看起来进步不小!

3. 第二次迭代 ($n=1$):
现在我们用 $x_1 = 1.773995$ 来算 $x_2$。
$x_2 = frac{1}{2} left( x_1 + frac{pi}{x_1} ight)$
计算 $frac{pi}{x_1} = frac{3.14159}{1.773995}$。这个除法会更复杂一些。大概算出来是 1.77127...
$x_2 = frac{1}{2} (1.773995 + 1.77127) = frac{1}{2} (3.545265) = 1.7726325$
你看,从 1.773995 到 1.7726325,这个变化变小了,说明我们越来越接近真实值了。

4. 继续迭代…
如果你想算得更准,就继续用 $x_2$ 去算 $x_3$,然后 $x_4$…… 每次计算 $frac{pi}{x_n}$ 和加法、除法,都会让你的猜测值越来越接近 $sqrt{pi}$ 的真实值。
要算到小数点后几位,就重复这个过程多少次。比如要算到小数点后三位,当你发现连续两次算出来的结果小数点后三位都一样时,就可以停了。

这个方法的优点是收敛很快,你不需要很多次迭代就能得到比较精确的结果。
缺点是每次迭代都需要进行除法和乘法运算,特别是除法,在手动计算时会比较耗时。

方法二:二分法(比较朴实,但有效)

这个方法更像是在“范围里猜”。我们知道 $sqrt{pi}$ 在哪个范围,然后不断缩小这个范围。

步骤:

1. 确定初始范围:
我们知道 $1^2 = 1$, $2^2 = 4$。因为 $1 < pi < 4$,所以 $1 < sqrt{pi} < 2$。我们的初始范围是 $[1, 2]$。

2. 取中值猜测:
范围的中值是 $frac{1+2}{2} = 1.5$。
我们来算 $1.5^2 = 2.25$。

3. 判断并缩小范围:
因为 $2.25 < pi$ (我们知道 $pi approx 3.14$),说明 $sqrt{pi}$ 比 1.5 要大。
所以,新的范围就是 $[1.5, 2]$。

4. 重复迭代:
范围的中值是 $frac{1.5+2}{2} = 1.75$。
算 $1.75^2 = 3.0625$。
因为 $3.0625 < pi$ (比 3.14 小),说明 $sqrt{pi}$ 比 1.75 要大。
新的范围是 $[1.75, 2]$。

5. 再重复迭代:
范围的中值是 $frac{1.75+2}{2} = 1.875$。
算 $1.875^2 = 3.515625$。
因为 $3.515625 > pi$ (比 3.14 大),说明 $sqrt{pi}$ 比 1.875 要小。
新的范围是 $[1.75, 1.875]$。

6. 继续缩小范围:
范围的中值是 $frac{1.75+1.875}{2} = 1.8125$。
算 $1.8125^2 = 3.28515625$。
因为 $3.28515625 > pi$,新的范围是 $[1.75, 1.8125]$。

7. 再来一次:
范围的中值是 $frac{1.75+1.8125}{2} = 1.78125$。
算 $1.78125^2 approx 3.17285...$
因为 $3.17285 > pi$,新的范围是 $[1.75, 1.78125]$。

你看,我们一直在缩小范围,而且每次都在这个范围的中间点进行判断。要算到小数点后几位,就重复这个过程多少次。每次你都会得到一个越来越窄的区间,而 $sqrt{pi}$ 就一定在这个区间里。当区间非常非常窄的时候,你就可以取这个区间里的任何一个数作为你的近似值了。

这个方法的优点是概念简单,容易理解,每次只需要做乘法和平均。
缺点是收敛速度比牛顿法慢一些,需要更多的步骤才能达到同样的精度。

方法三:借助已知值的估算与调整(更像“经验”技巧)

这种方法更偏向于一种“凭感觉”和经验的结合。如果你知道一些附近数字的平方根,或者对 $pi$ 的值非常熟悉,可以更快地入手。

思路:

1. 利用 $pi approx 3.14$
我们知道 $1.7^2 = 2.89$
$1.8^2 = 3.24$
$pi$ 在 3.14 左右。很明显,3.14 比 2.89 和 3.24 都更接近,但它到底离哪个更近呢?
$3.14 2.89 = 0.25$
$3.24 3.14 = 0.10$
所以,3.14 更接近 3.24。这意味着 $sqrt{pi}$ 应该比 1.8 稍微小一点,但不会比 1.7 大很多。我们可以猜它在 1.75 到 1.8 之间。

2. 进一步精炼猜测:
我们试着算 $1.75^2 = 3.0625$。
$1.78^2 = (1.8 0.02)^2 = 1.8^2 2 imes 1.8 imes 0.02 + 0.02^2 = 3.24 0.072 + 0.0004 = 3.1684$
$1.77^2 = (1.75 + 0.03)^2 approx 1.75^2 + 2 imes 1.75 imes 0.03 = 3.0625 + 0.105 = 3.1675$ (这里偷懒近似了一下)
我们知道 $pi approx 3.14159$。
$1.77^2 approx 3.1329$ (精确算一下是 3.1329)
$1.78^2 approx 3.1684$
$3.14159$ 明显比 3.1329 更接近。那么 $sqrt{pi}$ 应该比 1.77 大一点点。
我们再试 $1.772^2$。 $(1.77+0.002)^2 approx 1.77^2 + 2 imes 1.77 imes 0.002 approx 3.1329 + 0.00708 approx 3.13998$
离 3.14159 还是有点远。
再试 $1.773^2 approx 3.143529$。
现在我们知道,$sqrt{pi}$ 在 1.772 和 1.773 之间。
$3.14159$ 离 $1.773^2$ (3.143529) 的距离是 $3.143529 3.14159 = 0.001939$。
$3.14159$ 离 $1.772^2$ (3.13998) 的距离是 $3.14159 3.13998 = 0.00161$。
所以,$sqrt{pi}$ 应该更接近 1.772。

这种方法的精髓在于:
非常熟悉 $pi$ 的值。
心算或笔算一些关键数字的平方值。
通过比较平方差来判断哪个猜测值更接近。
不断地“插值”和“调整”,就像在一条数轴上跳格子一样。

这个方法的优点是:如果计算能力强且对数字敏感,可以非常快速地找到一个不错的近似值。
缺点是:依赖于个人的计算能力和经验,不够系统化,也容易在关键的平方计算上出错。

总结一下

手动算 $sqrt{pi}$ 确实是一项“体力活”,而且精度越高,工作量越大。牛顿迭代法是效率最高的,但计算量也最大;二分法比较稳健,但需要耐心;而经验估算则看个人造诣了。

在过去没有计算器的时候,人们可能还会结合使用对数表等工具来辅助计算,但那又是另一种方式了。我们现在能轻松得到 $sqrt{pi} approx 1.77245385...$,这背后是多少人的智慧和汗水啊!下次你用计算器的时候,不妨想一想这些古老而精妙的计算方法。

网友意见

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有, 并且收敛精度可以非常高(速度也不错)

见我的文章:


4.利用正态分布求

正态分布(Normal distribution),也称“常态分布”,又名高斯分布(Gaussian distribution),最早由棣莫弗(Abraham de Moivre)在求二项分布的渐近公式中得到。C.F.高斯在研究测量误差时从另一个角度导出了它。P.S.拉普拉斯和高斯研究了它的性质。是一个在数学、物理及工程等领域都非常重要的概率分布,在统计学的许多方面有着重大的影响力。

非常遗憾啊, 非常遗憾. 刚刚的拉马努金在最开始的时候收敛极好, 但是最后也只能收敛到 位精度.

我们再考虑一下有没有其他的式子其结果含有 的表达式.

有的啊, 有的啊. 我们有概率统计经典公式.

证明也很好证明. 我们有正态分布概率密度函数

所以有

那我们就利用一下这个积分去求 .

但是 的原函数是非初等函数, 不太好用微积分基本公式, 所以我们得将积分转换成加和的形式.

同时, 用有限的物理结构去表示无限的加和范围是不可能的, 我们只能进行有限次加和.

但是加和的时候, 也要考虑一下误差. 我们观察一下函数曲线.

如果我们始终用蓝色的函数值, 会使得求出的数值积分大于实际积分.

如果我们始终用绿色的函数值, 会使得求出的数值积分小于实际积分.

所以我们两个值都用一下, 然后把两个值相加除以 取平均值.

均值大法好!

将长度为 的区间分为 份, 计算每个小区间左边的函数值, 再计算每个小区间右边的函数值, 再把两端的函数值相加除以 , 作为实际的区间的函数值.

使用加和代替积分, 并且得到的值再进行一个平方, 就是计算出的 值

那么这个又可以收敛到多少呢?

因为收敛得实在是太快了, 我们用一下字符串比较.

计算 阶, 收敛到了 位精度. 还是不错啊, 还是不错. 那么计算 阶可以收敛到多少位呢?

哇, 很棒哦, 计算 阶就可以收敛到 位精度.

位精度! 已经超越了拉马努金的公式的收敛极限了! 还可以再极限收敛吗?

还可以的啊, 我们计算 阶.

位精度. 这有点强啊, 有点强.

那么 位精度可以收敛到多少位呢?

哇! ! ! 位精度! ! !


非常恐怖兄弟们.

得益于正态分布的特性, 在很小的一个范围内就可以极快的收敛.

计算 的加和就能有 位精度, 这是我们目前得到的最最好的成绩.


可以看到, 这个方法计算 的效果是极好的, 计算 阶就可以收敛到 位精度.

并且计算 也不错, 因为它的值本来就等于

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