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數學公式

數學公式: Machin 類四項圓周率計算器
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  1. Gregory series for arctangent

    Gregory series for arctangent: Machin 類四項圓周率計算器

    Each arctangent is the rapidly converging Taylor/Maclaurin series.

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結果

計算所得的 π 值
3.141592653589793
π(圓周率常數)
公式 高斯(1863)
要求的位數 46
實際有效精度 ~16 significant digits (double precision)

什麼是 Machin 類圓周率計算器?

這個工具會從六種經典的「Machin 類」四項反正切公式中選用一種來計算圓周率 π。每一條公式都把 π/4 表示為四個 arctan(1/x) 項的加權總和,而其中的 x 都相當大,因此底層的格雷戈里級數能夠快速收斂。六條公式算出的常數完全相同,都是 π,差別只在於收斂速度與各自的歷史背景。

使用方式

從下拉選單挑選一條公式(高斯 1863、Størmer 1896、Escott 1896、高野 1982、村田 1982 或柴田 1983),再選擇要顯示的有效位數。計算器會逐一計算每個反正切值,並將它們合併成 π。由於本版本採用雙精度浮點數運算,無論你選擇較大的顯示位數,實際有效精度大約落在 15 至 16 個有效位數。

公式說明

Machin 類公式的形式為 $$\frac{\pi}{4} = a_1\arctan\frac{1}{b_1} + a_2\arctan\frac{1}{b_2} + a_3\arctan\frac{1}{b_3} + a_4\arctan\frac{1}{b_4}$$ 每個反正切都可以用格雷戈里級數 $$\arctan x = x - \frac{x^3}{3} + \frac{x^5}{5} - \frac{x^7}{7} + \cdots$$ 來計算;當 \(x = 1/b\) 很小時,這個級數收斂得非常快。最後把加權總和乘以 4,就得到 π。

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單位圓顯示由小斜率比形成的反正切角度 theta
每一項度量一個正切為小分數 1/b 的角度,相加得到四分之一圈(pi/4)。

實際範例

以高斯公式(1863)為例:$$\frac{\pi}{4} = 12\arctan\frac{1}{38} + 20\arctan\frac{1}{57} + 7\arctan\frac{1}{239} + 24\arctan\frac{1}{268}$$ 計算各個反正切值可得 \(0.0263097861\)、\(0.0175420604\)、\(0.0041840760\) 與 \(0.0037313259\)。其加權總和為 \(0.785398163\),再乘以 4 即得 \(\pi = 3.14159265358979\)。

四個加權反正切項組合成表示 pi 除以四的單一數值
四項的馬青類公式將四個加權反正切相加,重構出 pi/4。

常見問題

為什麼所有公式算出來的答案都一樣?它們在代數上都是 π/4 的等價恆等式,只是收斂速度不同而已。

我能算到 50 位嗎?顯示選項最多可要求 50 位數,但標準雙精度運算的上限大約只到 15 至 16 個有效位數,超出的位數並不可靠。

什麼是 Machin 類公式?它是 John Machin 在 1706 年提出之公式 \(\frac{\pi}{4} = 4\arctan\frac{1}{5} - \arctan\frac{1}{239}\) 的推廣,利用引數較小的反正切項來達成快速收斂。

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