本文发表于 大众科学 的前博客网络,反映了作者的观点,不一定反映 大众科学 的观点
物理学家或工程师在数值计算中使用 π (pi) 时,可能需要访问这个特殊数字的 5 位或 15 位小数近似值,但我们大多数人(包括数学家)不需要知道比它大约是 3.14 更多的(小数位数)。然而,存在一种莫名其妙的书呆子亚文化,它远离真正的数学,却痴迷于记忆 π 的大量小数。
近年来,3 月 14 日已成为圆周率日的代名词,今年关注的是圆周率大约为 3.141592654 这一事实。因此,有人认为,2015 年 3 月 14 日大约 9:26:54(上午还是下午?以及哪个时区?)是值得关注的时刻。这一切都很有趣,任何有助于吸引人们对数学关注的事情都一定是好的,对吧?由于正确的四位小数近似值是 3.1416,如果明年这个时候(2016 年 3 月 14 日)我们看到类似的炒作,请不要感到惊讶。
圆周率的小数有其自身的魅力和神秘之处,这让世界上一些最优秀的头脑感到好奇,但可以肯定地说,大多数数学家对圆周率小数记忆的普及程度感到高兴,就像创意作家对拼写比赛感到高兴一样。
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一个很棒的酒吧打赌
让我们问一个相关的发人深省的问题,这个问题可以成为一个很棒的酒吧打赌。收集几个不同的罐子,例如本文顶部所示的罐子,并问:在所示的三个(理想化的)圆柱体中,哪个圆柱体的高度大于其周长?
尽管由于照片是从上方拍摄而产生了透视缩短,但很明显,左边的罐子不是竞争者。中间的那个看起来好像有可能入选,我们的经验是,许多人会同意这样的说法,即最右边的极端罐子的高度大约是其周长的一倍半,因此完全符合条件。
一种可靠但缺乏启发性的确定答案的方法是求助于实际测量,但让我们探索一些更具启发性的方法。碰巧的是,一张 A4 纸的宽度(8.5 英寸)与最高罐子的高度非常吻合,如左上方图像所示。
现在想象一下将纸张旋转 90 度,并尝试将其宽度环绕红色罐子,如第三张图像所示。它实际上并没有环绕一周以上,而是不够长,留下了一个明显的间隙(右图)。
我们这些认为最高的罐子是赢家的人必须得出结论,我们的视觉感知是不可信赖的:我们不太擅长衡量周长。数学推理也可以在这里发挥作用,当人们意识到最高的罐子里装有三个网球时(下图)。
忽略球在罐子里时周围(和上方)可忽略不计的额外空间,由此可知,罐子的高度是其宽度的 3 倍。再次引入我们的朋友圆周率:任何罐子的周长都是其宽度的圆周率倍。因此,一切都归结为知道哪个更大,3 还是圆周率!
即使不知道圆周率小数展开式的任何一位数字,我们也可以得出结论,红色罐子(以及其他罐子)的周长超过了其高度。换句话说,所有圆柱体的周长都大于其高度。
具有讽刺意味的是,许多数学家在这个酒吧打赌中的表现与普通大众一样差,即使被告知第三个罐子里装的是什么。也许问题不在于低估了圆周率在这里作为圆(或圆柱体)周长与宽度之比的最基本形式。也许是对馅饼(美食馅饼)的过度欣赏。我不得不怀疑,我自己糟糕的周长测量能力是否源于多年来照镜子并否认自己因爱吃甜食而体重增加。
仍然对圆周率的小数部分感到好奇?仔细看看上面第三张图像中的纸张间隙。它从左到右的弯曲程度是圆周率减 3(即 0.14159...)乘以圆柱体的宽度。通过这种方式,您可以真正看到圆周率的小数部分。
一个相关的酒吧打赌涉及找到一个笔直的玻璃杯,它非常高,以至于其高度超过其周长。这并不像“看起来”那么容易。
更新于 2015 年 3 月 17 日:点击此链接阅读关于 Martin Gardner 向我挑战的类似酒吧打赌。
在您遇到的下一个圆周率小数记忆爱好者身上尝试任一版本!
所有图片均由 Colm Mulcahy 拍摄。