让我们使用 τ 吧,它比 π 更简单

一个日益壮大的运动认为,抛弃 π 会让数学更简单、更容易,甚至更优美

国会能达成一致的事情不多,但在2009年初,它通过了一项两党决议,将每年的3月14日定为“π日”。π 是学生在学习圆的几何时首先遇到的数学常数,约等于 3.14,因此在 3 月 14 日庆祝。这个数学节日多年来一直是极客和教师们的最爱——庆祝活动包括吃馅饼(糕点)的同时谈论 π(数字)——但异议开始来自一个意想不到的领域:一小部分声音越来越大的数学家,他们围绕着 π 是错误的这一激进主张团结起来。

他们不是说任何计算有误。π (π) 仍然等于永不重复的无限位数。相反,根据《τ宣言》,“π 是一个令人困惑且不自然的圆常数选择。” 根据代数叛教者的说法,更相关的是 2π,也就是 τ。

《宣言》的作者迈克尔·哈特尔在加州理工学院获得了理论物理学博士学位,他只是开始质疑正统观念的一系列知名人士之一。去年,牛津大学举办了一场名为“τ 与 π:纠正一个 250 年的错误”的为期一天的会议。2012 年,麻省理工学院修改了在 π 日通知申请人录取决定的做法,进一步明确将在 τ 时间——即下午 6:28——进行。互联网也以其对异想天开的事业的传统热情加入了这个话题。YouTube 上关于这个主题的视频比比皆是,有数百万的观看次数和充满活力的评论区——这在数学辩论中很少见。


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争论的关键在于,π 是一个比较圆的周长与其直径的比率,这不是数学家通常关心的量。事实上,几乎所有关于圆的数学方程都是用半径 r 来表示的。τ 正好是将周长与该量联系起来的数字。

但是 π 的使用远远超出了圆的几何范围。傅里叶变换、黎曼 zeta 函数、高斯分布、单位根、在极坐标上积分以及几乎所有涉及三角学的关键数学应用都使用了 π。在这些不同的数学领域中,常数 π 前面往往跟随着数字 2。τ 论者(是的,他们称自己为 τ 论者)已经汇编了冗长的方程列表——无论是常见的还是深奥的,在数学和物理学中——其中 2π 占据着中心地位。如果 2π 是永恒的主题,是跨越无数数学分支的几乎神奇地重复出现的数字,那么这不应该是我们命名和庆祝的基本常数吗?

如果仅此而已,τ 运动可能只会是一个好奇的事物,仅此而已。但是转向 τ 的原因也深深植根于教学法。犹他大学数学教授罗伯特·帕莱斯被认为是该运动的创始之父,他在 2001 年发表了一篇同名文章,引发了“π 是错误的”的喧嚣[pdf]。这篇文章应该成为所有高中高年级学生的必读书籍,它描绘了一个诱人的画面,说明在另一个我们使用 τ 的宇宙中,某些基本的三角概念会容易得多。例如,使用基于 π 的思维,如果您想指定一个圆周三分之一处的点,您会说它走了三分之二 π 弧度。同一个圆周四分之三处走了 1.5 π 弧度。一切都被令人困惑的 2 倍因子扭曲了。相比之下,圆的三分之一是三分之一 τ。圆的四分之三是四分之三 τ。帕莱斯说,由于 π,“用一个优美自然的简化来给学生留下深刻印象的机会变成了荒谬的记忆和教条练习。”

从本质上讲,π 指的是半圆,而 τ 指的是整个圆。数学家和诗人迈克·基思曾经写了一首 10,000 字的诗,献给 π 的前 10,000 位数字。他现在是 τ 的拥护者。根据去年PBS 文章的报道,他说用 π 来思考就像到达目的地并说你已经走了一半的两倍一样。

对于数学家来说,π 掩盖了数学的一些基本对称性,并用无关的 2 倍因子弄脏了原本应该优雅的东西。有一个公认的宏伟的想法,即数学是我们表达和看到宇宙某些基本真理的语言。用多余的 2 来扰乱这种语言,就像在莎士比亚的独白中夹杂着“like”、“um”和“whatever”一样糟糕。正如吟游诗人几乎写道的那样,“知识是使我们飞向天堂的半翼的两倍。”

我们美国人几乎有一种自豪的传统,即由于惯性而使用选择不当的单位:华氏度代替摄氏度,英里代替公里。即使是伟大的本杰明·富兰克林也无意中确立了将正电荷称为负电荷,反之亦然的惯例,这是他进行电力实验的结果。

事实上,τ 论者说,整个问题源于一个历史性的偶然。在早期文明中,直径比半径更容易测量。因此,当巴比伦人或埃及人想要他们的建筑的经验法则时,他们转向了周长与直径的比率。(这两个文明分别估计为 3.125 和 3.16。)甚至圣经也规定了圆的直径与其周长的比率:“他[希兰]造一个铜海,样式是圆的,高五肘,周围长三十肘,从这边到那边,有十肘”(列王纪上 7:23)。

希腊人使用正式的几何证明来估计周长与直径的比率。阿基米德(他就是杠杆和喊“尤里卡!”的那个人)找到了 3.1408 和 3.1429 的严格下限和上限。然而,他选择将周长与直径进行比较是任意的;他本可以同样使用半径。(有趣的是,阿基米德没有使用希腊字母 π。直到瑞士数学家莱昂哈德·欧拉在 1736 年普及了这个惯例,甚至他似乎也对是否将 π 定义为 3.14 或我们现在写为 τ 的 6.28 感到矛盾。)

虽然当所有教科书和学术论文都使用 π 时,切换到 τ 可能听起来令人生畏,但实际上并不需要这样。可以有一个过渡时期,在使用旧的数学常数的同时,也使用新的数学常数,以此来安抚那些不能或不愿改变的顽固派。

当通过电子邮件询问他最初的文章收到的反应时,帕莱斯感到谦卑。“我从未想象过讨论的规模,”他说。鉴于它已经远远超出了他的预期,他表示乐观地认为它可能会继续发展。

τ 日即将到来。当然,它发生在 6 月 28 日。当互联网为年度争议做好准备时,一些人感叹如果拥抱 τ 会带来的双关语损失。“但是馅饼很好吃”仍然是坚持 3.14 传统方式的更有力的论点之一。但是 τ 论者对此也有回应:在 τ 日,你可以吃双倍的馅饼!

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