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翻译: lisa (遇见数学翻译小组核心成员)
圆周率 Pi为圆周长与其直径的比值,通常近似为 3.14159 。在美剧《疑犯追踪》第 2 季 11 集就提到了这个最著名的数学常数,该集里主角芬奇先生是一名代课老师,他在黑板上写了 3.1415926535 。然后他问学生们:“这意味着什么?”
我在脑海中立马冒出了这个问题的答案,心想:“如果我有一个直径为 1 的自行车轮胎,那么这个自行车轮胎旋转一周行驶的距离就是。” 然而,在电视剧中,没有学生如此回答 。
见如此场景,芬奇先生自己给出了答案,他说:“ 是圆的周长与直径之比,3.141592635 仅仅只是这个比值的前几位,它本身是一个无限不循环小数,小数点后有无限个数位,并且永不重复;你的出生日期,储物柜的密码,你的社会保险号码等等都在这个数字串的某一处 。如果你把这些数转换成字母,这些字母可以组成任何一个存在的单词,这些字母可以是婴儿发出的第一个音节,可以是你心上人的名字,可以是你这一生中的所有故事的描写,可以是我们说过的或者做过的每一件事情 。世界上所有无限的可能性都存在于这个简单的圆里 。现在你将如何处理这些信息;它有什么好处?这取决于你…”
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这样极具戏剧的一幕,虽并不准确(马上就会谈到),也让我称赞不已 。因为现实中有很多人都努力要成为(或者有)像芬奇所饰演优秀且有趣的教师 。这样的教师不仅能引导学生们讨论课本以外的知识,而且还能让其全神贯注在课堂之中 。
不过话说过来,芬奇先生所说并非100%正确的,因为数学家还没有证明 为正规数 。换句话说,数学家们尚未知 是否包含从 0 到 9 的所有有限的数字排列 。
数学上,粗略来说,正规数指,数字显示出随机分布,且每个数字出现机会均等的实数 。
没有人知道如果数学家继续研究下去会发现什么 。比如,当我们观察 的前 10 亿位时,我们看到数字 7 出现了将近 1 亿次 。这使得 成为一个很好的随机数生成器 。但是,在某些点之后,可能不包含 7,可能是一个只有两个或三个数字的不循环重复的数字,例如会出现 010203112233000111222333 这样诡异的序列 。
这里要提到一个著名的示例,在 的前 761 位之后,有一个著名的数学巧合,即连续出现 6 个 9,这被称之为费曼点(“Feynman point”).
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但人们相信 的小数位会以一种随机的顺序永远持续下去,这就变得有趣了,它无限不循环,但同时它又是一个确定的数值 。这并不矛盾,因为 是圆的周长和直径的比值,所以它是一个有确定值的数学常数 。当然,通常的计算中,我们只需要 的近似值就够了 。
在 1768 年,瑞士数学家约翰·海因里希·朗伯证明了 的值是无理数,所以它不能写成分数的那样形式 。在那之前 22/7 就经常被用来当作 的近似值,虽然它实际上并不等于。我们都知道无理数不能写成两个整数的比值(即分数,像 a/b 的形式),因为无理数是无限的,且不循环的小数 。
再后来 1882 年,德国数学家费迪南德·冯·林德曼证明了 是一个超越数,即不是任意整系数代数多项式的根 。
数学家金田康正(Yasumasa Kanada)发现圆周率的前万亿个数字在统计学上是随机的 。如果你查看下表,你会发现每个数字发生的事件是独立的,发生的概率约是十分之一 。
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许多年之后的 2019 年,谷歌女工程师 Emma Haruko Iwao 利用云计算资源,花了 121 天计算出 的 34.1 万亿位 。你可以在你脑海中想象这样的画面:如果要用普通字体打印 小数点后的 10 亿位,它的长度将从美国纽约延伸到堪萨斯州!
然而,34.1 万亿位这么巨大的数字仍然不足以在数学上证明 是正规数成立 。超级计算机仍在尝试挑战计算更精确的。你查看下面的图表就会看到自公元前 250 年以来,历史时间轴图上探索圆周率的已知位数 。
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再回到文章提到这部美剧中芬奇先生,我们明白他所说的也非错误 。你可以很轻松地在 中找到自己的生日 。如果你登陆这个网址 mypiday.com 输入你的生日,上面就会显示它在 中的位置 。
如果 是一个正规数,那可以说我们的整个命运都是用 编码,将来发生的一切画面(图片是二进制文件)都将在 里揭示,甚至这篇文章也在 里某个位置默默存在 。从这一点来说芬奇先生其实是正确的 。接下来我们用一种有趣并且充满艺术性的方式来展示 的随机性 。