圆周率飞花令——π的奥秘和规律

近日,#人类最长飞花令#

引起网友热议

在一档诗词节目中

《中国诗词大会》冠军雷海为

飞花令少女贺莉然等诗词达人

同场PK

上演史诗级飞花令

出题者逐一给出π(圆周率)小数点后的数字

答题者“飞”出含有此数字的诗词

五位选手旗鼓相当

一来一往

直到突破小数点后第204位

网友看后惊呼“神仙打架”

实在过瘾

其实

关于这π

前不久还出了一个大新闻

就是

人类打破了一项新的世界纪录

圆周率的小数位被前所未有地算到了31.4万亿位

那么,不断计算圆周率有什么实际意义呢?难道数十万亿小数位的圆周率还不够用吗?由陈仕达、陈雪编著的《说不尽的圆周率》(人民邮电出版社)便给出了上述问题的答案。人类计算圆周率的历史由来已久,计算机刚被发明不久之后就被拿来计算圆周率,这种做法就被一直沿用下去,用于检验超级计算机的性能,并且解开圆周率的答案就能知道宇宙的秘密。另外,计算圆周率还有一个十分单纯的目的,那就是不断打破世界纪录,拓展人类的未知领域。

事实上,圆周率π是一个奇迹般的数,它在数学公式、定理、法则……中几乎无处不在。那么,圆周率的奇趣数字中有奥秘吗?

1993年,苏格兰数学家彼得·本杰明·波尔文移居加拿大西蒙富拉泽大学。“圆周率自有它的魅力,让人忍不住要多看它几眼。它的数字排列完全不按章法,没有任何规律。”他还在1996年说,“从数学的观点看来,这正意味着它包含了所有的规律。”

事实果真如此吗?

虽然至今人们还没有解决圆周率的正态性方面的问题,但却从计算出的多位圆周率值中发现了一些有趣的甚至可能包含奥秘的现象。例如,从圆周率的小数点后第710100位起连续出现7个3,第3204765位又连续出现7个3;小数点后的前1000万位中,有87处同一数字连续出现6次。例如第763~768位就首次连续出现999999。第二次出现6个9是从第193304位起。说起第763~768位的6个9,还有一个有趣的专门名词——费曼点。1965年诺贝尔物理学奖的3位得主之一费曼曾在一次演讲中说过,他想把π值一直背到有连续的多个9为止,好做一个“帅气的结尾”。

关于费曼点,在美国数学家基斯的文章《全世界的数与字》中,有更“牛”的“(正)六边形数解读”:把圆周率的值依次排成正六边形数之后,发现第一组正六边形数的最末一行,就是这6个9。

费曼是一个独辟蹊径的思考者、超乎寻常的教师、尽善尽美的演员。美籍英裔数学家、物理学家戴森在康奈尔大学见到他时说他“半是天才,半是滑稽演员”,后来修改为“完全是天才,完全是滑稽演员”。费曼也被誉为20世纪诞生在美国的最伟大的物理学家。连这个研制原子弹的大忙人都“偷得浮生半日闲,不落红尘访仙山”,津津有味地去“不务正业”,圆周率中数字的魔力可见一斑!

此外,在首次连续出现的999999之后,就是第768位。这个768也可以炫耀一番:768=3×44=6×(1+1+2+4+8+16+32+64)。

从圆周率的第3346228位起,连续出现7个7;从第24658601位起,连续出现9个7;从第46663520位起,连续出现8个8。连续出现9个6(从第45681781位开始)和9个8的情况也有,但连续出现9个相同数字的概率很小。同一数字连续出现9次的概率仅为1/108。此外,从第995998位起,第一次出现23456789连升的序列;从第523551502位起,第一次出现123456789连升的序列;从第2747956位起,第一次出现876543210连降的序列;而从第26160634位起,第一次出现数字序列2109876543。连续出现12个相同数字的序列见下表,其中“该序列出现的位置”是指该数字序列从圆周率的小数点后的哪一位开始出现。

据计算,升序列0123456789存在的概率很小,仅为1/109。这就至少要查找10亿位圆周率值,实际上它首次出现在第17387594880位——170多亿位小数处。说起这个序列,还有一段曲折的往事呢!原来,在20世纪50年代,人们根据当时算出的不太多位数的圆周率值,认为“是否存在这个序列”的问题是不可知的。而荷兰数学界的领军人物布劳威尔认为,研究这个序列毫无意义,因为他相信这个序列不可能出现。降序列0987654321则出现在第42321758803位——400多亿位小数处。有人认为,如果要用目光进行扫描,是根本不可能发现的。

前6位圆周率值314159是一个素数;有人统计过,在圆周率的前1000万位数中,这个数至少出现过6次。在圆周率的前1.33554亿位数中,π的前7位值3141592仅出现过4次,圆周率的前8位数字31415926则仅出现过两次——第二次从第50366472位小数起开始出现。

人们还发现,从圆周率的小数点后第52683位起,出现了14142135——正好是2的前8位数字。

此外,自然对数的底e的前6位数字271828在圆周率的前1000万个数字中出现了8次,e的前8位数字出现在π的第1526800位小数起的位置,而e的前11位数字则出现在π的第45111908393位小数起的位置。美国数学家肖姆贝特甚至猜想,圆周率的数字中必有e的前n位数字;同时,e的数字中必有圆周率的前n位数字。

由于e和圆周率各自的第13位(9),17位(2),18位(3),21位(6),34位(2),…的数字都一样,所以有人猜测:e和圆周率的数字平均每10位就有一次相同。这一猜测至今没有被证实或被否定。美国应用数学家菲利普·戴维斯在论文《数学中究竟有没有巧合?》中说:“据我所知,对于这个猜测,既不能证明,也没有否定。”

用二进制分别表示e和圆周率时,有人发现了一个有趣的巧合:e的小数部分前17位(即10.[10110111111000010]1010里方括号中的黑体数字)与圆周率的小数部分的第5~21位(即11.0010[01000011111101101]0101里方括号中的黑体数字)正好是有趣的倒序关系。这么长的倒序巧合,或许并非这两个“数学幽灵”的巧合,但之后再也没有发现过它俩有这么长的倒序关系。

像前述圆周率中有素数、圆周率中有圆周率、圆周率中有e的趣味现象,也是人们津津乐道的话题。那么,这其中真有什么奥秘吗?

圆周率值的另一个有趣巧合是,从第16470位小数开始出现的5个数字恰好就是16470。

著名的法国思想家、文学家罗曼·罗兰曾说过一句富含哲理的话:“一切都是有序中的无序。”而控制论的创立者和奠基人、美国数学家维纳也三句话不离本行:“数学的伟大使命是在混沌中发现有序。”其实,如果把混沌简单理解为无序,那这两句话连起来就更完美:有序中存在无序,无序中蕴含有序。这对圆周率的数字也适合,人们也乐此不疲地不断发现其中的有序和无序……

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