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數學公式

數學公式: 拉馬努金圓周率級數計算器
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  1. Chudnovsky (1987)

    Chudnovsky (1987): 拉馬努金圓周率級數計算器

    Each term adds about 14 correct decimal digits of pi.

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結果

圓周率 π 的數值
3.141592653589793
圓周率常數 π 的近似值
已累加項數 4
指定顯示位數 46

採用 IEEE-754 雙精度浮點數運算,因此約 15 至 16 位有效數字可靠準確。除非改用任意精度運算,否則要求顯示更多位數並不會提升底層的實際精度。

這個計算器能做什麼

本工具透過逐項累加三組著名的快速收斂無窮級數之一,來計算數學常數圓周率 π:拉馬努金 1914 年的第一組級數、拉馬努金 1914 年的第二組級數,或是楚德諾夫斯基兄弟在 1987 年提出的級數。這些級數之所以驚人,是因為每多加一項就能一次貢獻好幾位正確的小數位,因此只需寥寥數項,就能把 π 算到雙精度浮點數的完整精度。這是純粹的數學,放諸四海皆準,不受任何地區規則影響。

使用方式

先從下拉選單挑選一組公式,設定要累加的最大項數,再選擇要顯示的小數位數。計算器會從 \(n = 0\)、1、2……依序累加各項,一旦 π 的當前數值不再變動便提前停止——通常在數項之內就會發生。由於運算引擎採用 IEEE-754 雙精度浮點數,無論顯示設定為何,大約 15 至 16 位有效數字都能保證準確。

公式解析

拉馬努金第一式計算的是 π 的倒數:以常數前置因子 \(\frac{\sqrt{8}}{9801}\) 乘上一個無窮級數,其第 \(n\) 項由階乘比 \(\frac{(4n)!}{(4^n n!)^4}\) 與線性因子 \((1103 + 26390n)\) 相乘,再除以 \(99^{4n}\) 組成。完整的公式為

$$\frac{1}{\pi} = \frac{\sqrt{8}}{9801} \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(4n)!}{(4^n n!)^4} \cdot \frac{1103 + 26390n}{99^{4n}}$$

當級數和 \(S\) 求出後,再以 \(\frac{1}{\text{前置因子} \times S}\) 還原出 π。楚德諾夫斯基級數運作原理類似,但收斂得更快,每一項約可貢獻 14 位數字:

$$\frac{1}{\pi} = 12 \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n (6n)!\,(13591409 + 545140134n)}{(3n)!\,(n!)^3\,(640320^3)^{n+1/2}}$$
展示拉馬努金級數各項不斷縮小並累加趨向目標值的示意圖
拉馬努金級數每一項約增加八位正確數字,迅速逼近 \(\frac{1}{\pi}\)。

實例演算

以拉馬努金第一式且僅取 \(n=0\) 項為例:前置因子為 \(\frac{\sqrt{8}}{9801} = 0.000288583\ldots\),而 \(n=0\) 項為 1 乘以 \(1103 = 1103\)。因此

$$\frac{1}{\pi} = 0.000288583 \times 1103 = 0.31831\ldots$$

得到 \(\pi = 3.14159273\),已準確到約六位小數。再加上 \(n=1\) 項後,π 便達到 \(3.14159265358979\),準確至約 16 位數字。

比較萊布尼茲、拉馬努金和丘德諾夫斯基級數收斂速度的水平長條圖
每項獲得的 π 正確位數:萊布尼茲慢,拉馬努金約 8 位,丘德諾夫斯基約 14 位。

常見問題

為什麼把顯示位數的下拉選單調高,精度卻沒有提升?雙精度浮點數只能承載約 15 至 16 位有效數字;要超越此範圍,必須改用任意精度運算。

我究竟需要累加幾項?若要達到完整的雙精度,拉馬努金第一式約需 2 項,楚德諾夫斯基級數僅需 1 至 2 項。

哪一組級數最快?楚德諾夫斯基級數收斂最快,也正是現代圓周率紀錄計算所採用的演算法。

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