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數學公式

數學公式: 以算術-幾何平均(AGM)計算圓周率 π
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  1. Borwein quartic iteration

    Borwein quartic iteration: 以算術-幾何平均(AGM)計算圓周率 π

    Start y0=sqrt(2)-1, a0=6-4 sqrt(2). Quadruples correct digits per iteration; pi = 1/a_n.

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結果

計算所得的 π 值
3.141592653589794
純粹的無因次常數
使用的迭代次數 4
最後一步變化量(delta) 0E0
顯示的有效位數 15 (double-precision cap)

這個計算器能做什麼

本工具運用算術-幾何平均(AGM)迭代法來計算數學常數圓周率 π。相較於傳統級數展開,AGM 演算法的收斂速度快得驚人:二次高斯-勒讓德法每迭代一次,正確位數大約翻倍;Borwein 四次法則是每次變為四倍;而九次(nonic)版本更可一口氣放大九倍。這些都是已發表的標準數值演算法,在世界任何地方執行結果都完全一致——純粹的數學運算,沒有單位、也不受任何國家或地區的規範影響。

如何使用

先選擇一種「計算公式」(預設的二次高斯-勒讓德法已足以應付絕大多數需求),接著指定想要的「位數」,並可視需要設定「最大迭代次數」上限(設 100 已綽綽有餘——大約只要 6 次迭代就能達到 50 位數)。計算器會持續迭代,直到在工作精度下估計值不再變化為止,然後回報 π 的數值、實際使用的迭代次數,以及最後一步的變化幅度。

公式詳解

高斯-勒讓德(Salamin-Brent,1976 年)演算法的初始值設定為 \(a_0 = 1\)、\(b_0 = 1/\sqrt{2}\)、\(t_0 = 1/4\)、\(p_0 = 1\)。每次迭代會先計算新的算術平均 \(a\),再求幾何平均 \(b = \sqrt{a\cdot b}\),接著以 \(t\) 減去 \(p\cdot(a - a_{\text{new}})^2\) 來更新 \(t\),最後將 \(p\) 加倍。當前估計值為 $$\pi = \frac{(a + b)^2}{4t}.$$由於算術平均與幾何平均會以二次收斂的速度趨近共同的 AGM 值,誤差每一步都會被平方縮小。

三條誤差遞減曲線,比較二階、四階和九階收斂速度
高階 AGM 方法在每次迭代中都會成倍增加正確位數。
兩個數列 a 和 b 透過 AGM 迭代收斂到一個共同值
算術平均與幾何平均迅速收斂到一個共同極限,即算術–幾何平均(AGM)。

實際範例

以上述初始值搭配二次法計算:第 1 次迭代得到約 \(3.140579\)(3 位正確);第 2 次迭代得到 \(3.14159264\)(8 位正確);第 3 次迭代則得到 \(3.141592653589793\)——已達到 IEEE 雙精度浮點數所能提供的完整精度。第 4 次迭代不再產生任何變化,因此迴圈在 3 次迭代後即停止。

常見問題

為什麼數值最多只到約 15 位數?本次重建版本採用 IEEE 雙精度浮點數,大約只能保留 15 至 16 位有效數字。下拉選單中更高的位數選項,代表底層 AGM 演算法在搭配任意精度運算時所能達到的目標精度。

三種方法會得到不同的答案嗎?不會——它們最終都會收斂到相同的 π 值,差別只在於抵達該值的速度(所需迭代次數)不同。

「最後一步變化」是什麼意思?它是最後兩次估計值之間差距的絕對大小,可用來快速判斷迭代收斂得有多緊密。

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