¿Cómo encontrar pi (3.14159265358...)?
Los antiguos generalmente usaban el método de corte de círculos para calcular pi. Arquímedes usó un cuadrado de 96 lados para medir pi con 3 decimales; Liu Hui usó un cuadrado de 3072 lados para medir pi con 5 decimales; Rudolph van Huron usó un cuadrado de 262 lados, calcule pi con 35 decimales. Este algoritmo basado en geometría es computacionalmente intensivo, lento y laborioso. Con el desarrollo de las matemáticas, los matemáticos han descubierto muchas fórmulas para calcular pi de forma intencionada o no al realizar investigaciones matemáticas. A continuación se seleccionan algunas fórmulas clásicas y de uso común a modo de introducción. Además de estas fórmulas clásicas, existen muchas otras fórmulas y fórmulas derivadas de estas fórmulas clásicas, que no se enumerarán una por una.
1. La fórmula de Machin
[Esta fórmula fue descubierta por el profesor de astronomía británico John Machin en 1706. Usó esta fórmula para calcular pi con 100 dígitos. Cada cálculo de la fórmula de Machin tiene una precisión de 1,4 decimales. Dado que ni el multiplicando ni el divisor en el cálculo son mayores que un número entero largo, se pueden programar fácilmente en una computadora.
Existen muchas fórmulas inversas similares a la fórmula de Machen. De todas estas fórmulas, la fórmula de Machen parece ser la más rápida. Sin embargo, si necesita calcular más bits, digamos decenas de millones de bits, la fórmula de Machin no es suficiente. El algoritmo que se describe a continuación puede calcular pi con una precisión de más de 100 millones de bits en una computadora personal en aproximadamente un día. Implementar estos algoritmos con programas es más complejo. Dado que el proceso de cálculo implica la multiplicación y división de dos números grandes, se utiliza el algoritmo FFT (Transformada Rápida de Fourier). FFT puede acortar el tiempo de multiplicación y división de dos números grandes de O (n2) a O (nlog (n)).
2. La fórmula de Ramanujan
En 1914, el matemático indio Srinivasa Ramanujan publicó una serie de fórmulas de ***14 pi. En 1985, Gosper utilizó esta fórmula para calcular pi con 17.500.000 dígitos.
En 1989, los hermanos David y Gregory Chudnovsky mejoraron la fórmula de Ramanujan y la llamaron fórmula de Chudnovsky. La precisión de este cálculo es de 15 decimales. En 1994, los hermanos Chudnovsky utilizaron esta fórmula para calcular 4.044.000.000 dígitos. Otra forma de la fórmula de Chudnovsky que es más conveniente para la programación de computadoras:
3. Algoritmo AGM (media aritmético-geométrica)
Fórmula de Gauss-Legend:
Esta fórmula logra el doble de precisión decimal en cada iteración.
Fórmula de Gauss-Regan:
Cada iteración de esta fórmula duplica la precisión del punto decimal. Por ejemplo, para calcular un millón de dígitos, son suficientes 20 iteraciones.
En septiembre de 1999, Takahashi y Kanada utilizaron este algoritmo para calcular 206.158.430.000 dígitos de π, estableciendo un nuevo récord mundial.
4. Fórmula de cuatro iteraciones de Bowen:
Esta fórmula fue publicada por Jonathan Bowen y Peter Bowen en 1985. Puede converger a π cuatro veces.
5. Algoritmo de Bailey-Bolvern-Plouffe
Esta fórmula se llama fórmula BBP, desarrollada por David Bailey, Peter Bolvin y Simon-Plouffe coeditada **** en 1995. . Rompe el algoritmo tradicional de pi, permitiendo el cálculo de cualquier número de n dígitos de pi sin tener que calcular los n-1 dígitos anteriores. En 1997, Fabrice Bellard descubrió una fórmula un 40% más rápida que BBP: