Vissza a főoldalra    Vissza a Tudományos érdekességek oldalra

Vissza a Pí főoldalra

A π meghatározása a Leibniz-sorozat segítségével
(2007.05.14.)
 

      Az alábbiakban egy érdekes felfedezést fogunk tenni, amelyet Leibniz már 1674-ben átélt a mértani sorozatok tanulmányozása közben.

      A q = −x2 hányadosú mértani sorozat:

      a1 = 1;
      a2 = a1 · (−x2) = −x2;
      a3 = a2 · (−x2) = −x2 · (−x2) = x4;
      a4 = a3 · (−x2) = x4 · (−x2) = −x6;
      ·
      ·
      an = an-1 · (−x2);
      ·
      ·

      Vagyis: [1, −x2, x4, −x6, x8, −x10...].

      Az első n elem összege a mértani sorozatok összegképlete alapján:

A mértani sorozat összege

      A végtelen mértani sorozat összege, ha | q | < 1:

A végtelen mértani sorozat összege

      Behelyettesítve −x2-et (| x | < 1):

A végtelen mértani sorozat összege

      Tehát az összegre felírható (| x | < 1):

A összeg összefüggése

      Mindkét oldalt integrálva:

Az integrált összefüggés

Vissza az oldal elejére

      A tangens függvény inverzének grafikonja látható a következő ábrán.

A tangens függvény inverze

      A grafikonból kiolvasható az arctg x függvény értéke az x = 1 helyen:

arctg (1) = π/4.

      Az integrálás után kapott egyenletbe x = 1-et helyettesítve adódik az úgynevezett Leibniz-féle sorozat:

A Leibniz-féle sorozat

      A π-t kifejezve:

A pí képlete

Vissza az oldal elejére

      Ez egy viszonylag egyszerű képlet, így a számítások akár zsebszámológéppel is elvégezhetők. A következő táblázat a számítási eredményeket mutatja az első 40 részösszegig.

  A műveletek száma     A számítási eredmény  
1 4,0000000000
2 2,6666666666
3 3,4666666666
4 2,8952380952
5 3,3396825396
6 2,9760461760
7 3,2837384837
8 3,0170718170
9 3,2523659347
10 3,0418396189
11 3,2323158094
12 3,0584027659
13 3,2184027659
14 3,0702546177
15 3,2081856522
16 3,0791533941
17 3,2003655154
18 3,0860798011
19 3,1941879092
20 3,0916238066
21 3,1891847822
22 3,0961615264
23 3,1850504153
24 3,0999440323
25 3,1815766854
26 3,1031453128
27 3,1786170109
28 3,1058897382
29 3,1760651768
30 3,1082685666
31 3,1738423371
32 3,1103502736
33 3,1718887352
34 3,1121872426
35 3,1701582571
36 3,1138202290
37 3,1686147495
38 3,1152814162
39 3,1672294681
40 3,1165965567

      A táblázatban a π-vel egyező számjegyek kék színnel vannak kiemelve. Jól látszik, hogy két oldalról közelítünk, hiszen a negatív tagok mindig a π alá, a pozitív tagok mindig a π fölé módosítják az összeget.
      A következő táblázat néhány további számítási eredményt mutat be, amelyekhez már jelentős számítási teljesítmény szükséges.

  A műveletek száma     A számítási eredmény     A szükséges idő  
100   3,15149340107099058 ~ 0,005 s
1.000   3,14259165433954305 ~ 0,05 s
10.000   3,14169264359054322 ~ 0,5 s
100.000   3,14160265348979399 ~ 5 s
1.000.000   3,14159365358879319 ~ 50 s
10.000.000   3,14159275358978310 ~ 500 s
100.000.000   3,14159266358979398 ~ 5000 s

      Megfigyelhető, hogy az összegbe bevont tagok számának (és ezzel a számítási időnek) a megtízszerezése körülbelül egy tizedesjegynyi pontosságjavulást okoz. Így kiszámíthatjuk, hogy mennyi ideig tart egy bizonyos pontosságú számítás. Például tíz tizedesjegynyi pontossághoz az alábbi számítógép- és program-konfigurációval kb. 1400 órás (58 napos) számításra volna szükség.
      (A tesztelés egy Turbo Pascal 6.0 nyelven, DOS alá írt programmal lett végezve 350MHz-es órajelű Pentium II processzort tartalmazó gépen Windows ME operációs rendszer alatt. A DOS alá írt (16 bites) programok természetesen nem használják ki a fenti konfigurációban (32 bites) rejlő teljesítményt.) Itt a programlista és a futtatható program is letölthető.

 

  Tudomány és Technika (test@t-es-t.hu)

Vissza a Pí főoldalra   Vissza az oldal elejére

Vissza a főoldalra    Vissza a Tudományos érdekességek oldalra