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公式

公式: 和算家の公式で計算する円周率π
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  1. Takebe Katahiro (1722)

    Takebe Katahiro (1722): 和算家の公式で計算する円周率π

    Series converging to pi^2/9; the k-th term has numerator (k!)^2 over a product of consecutive integers from 3. pi = 3 times the square root of the sum.

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結果

円周率πの近似値
3.141592653589794
summed over 100 terms
級数和の値 1.047197551196598
項数 100
指定した表示桁数 26
この計算は倍精度浮動小数点演算を使用しているため、表示桁数をいくつに設定しても精度は有効数字15〜16桁前後で頭打ちになります。建部賢弘や松永良弼が残した41桁・52桁という歴史的な計算結果を再現するには、任意精度演算が必要です。

この計算機でできること

この計算機は、日本の伝統数学「和算」の学者が考案した2つの歴史的な級数のいずれかを足し合わせることで、円周率πを近似します。\(\pi^2/9\) に収束する建部賢弘の級数(1722年)と、\(\pi/3\) に収束する松永良弼の級数(1739年)から選べます。歴史的な背景は日本のものですが、これらの級数自体は普遍的な数学であり、どこで計算してもπに収束します。

使い方

プルダウンから公式を選び、足し合わせる項数 N を入力します(項数が多いほど精度が上がります)。あわせて表示する桁数を指定してください。計算結果として、πの近似値に加え、級数和そのもの(松永は \(\pi/3\)、建部は \(\pi^2/9\))も表示されるので、途中の値を確認できます。

公式の解説

松永の公式では、各項を前の項に \((2k-1)^2\) を掛け、\(4k\times(4k+2)\) で割って求めます。

$$\frac{\pi}{3} = 1 + \frac{1^2}{4\cdot6} + \frac{1^2\cdot3^2}{4\cdot6\cdot8\cdot10} + \cdots$$

$$\frac{\pi}{3} = \sum_{k=0}^{N-1} \frac{((2k-1)!!)^2}{4\cdot6\cdots(4k+2)}$$

その総和 S から \(\pi = 3S\) が得られます。建部の公式では、各項に \(k^2\) を掛け、\((2k+1)(2k+2)\) で割っていき、その総和 S から \(\pi = 3\times\sqrt{S}\) が求まります。

$$\frac{\pi^2}{9} = \sum_{k=0}^{N-1} \frac{(k!)^2}{3\cdot4\cdots(2k+2)}$$

このように漸化式で各項を逐次計算することで、巨大な階乗の計算を避け、オーバーフローを防いでいます。

項が順に小さくなり一定の総和に近づく級数和の図
和算の級数では加える項が次第に小さくなるため、部分和は円周率に収束します。

計算例

松永の公式で N = 4 項の場合:

$$1 + \frac{1}{24} + \frac{9}{1920} + \frac{225}{322560} = 1.0470517113$$

となり、

$$\pi \approx 3 \times 1.0470517113 = 3.1411551340$$

です。100項まで足すと、倍精度演算の限界いっぱい、約 \(3.14159265358979\) に達します。

級数の部分和を積み上げ、水平な円周率の線に近づく様子
部分和(1項、2項、3項…)が円周率の値に近づいていきます。

よくある質問

表示桁数を増やしても精度が上がらないのはなぜ? この計算は倍精度浮動小数点演算で行っており、有効桁数はおよそ15〜16桁が限界です。建部や松永が達成した41桁・52桁という歴史的な偉業を再現するには、任意精度(BigDecimal)の演算が必要になります。

項数を1にするとどうなる? 級数は先頭の 1 だけを返すため、どちらの公式でも \(\pi \approx 3\) になります。

どちらの級数のほうが収束が速い? どちらも着実に収束します。実用上は数百項も足せば、倍精度の限界に到達します。

最終更新: