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數學公式

數學公式: 用日本和算大師公式計算圓周率 π
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  1. Takebe Katahiro (1722)

    Takebe Katahiro (1722): 用日本和算大師公式計算圓周率 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

圓周率 π 的近似值
3.141592653589794
summed over 100 terms
級數和的值 1.047197551196598
項數 100
要求顯示的位數 26
本程式採用雙精度浮點運算,因此無論選擇顯示多少位數,準確度都會在 15 至 16 位有效數字左右達到上限。若要重現建部賢弘與松永良弼當年算到 41 位、52 位的歷史成果,則必須使用任意精度運算。

這個計算機能做什麼

本工具透過累加兩種歷史級數之一,來逼近數學常數圓周率 π。這兩種級數皆出自日本「和算」(日本傳統數學)學者之手:您可以選擇建部賢弘(1722)的級數,它收斂至 π² 除以 9;也可以選擇松永良弼(1739)的級數,它收斂至 π 除以 3。雖然這段歷史背景源自日本,但這些級數本身屬於純粹且放諸四海皆準的數學,無論在哪裡都同樣會收斂到 π。

使用方法

從下拉選單挑選一條公式,輸入要累加的項數 \(N\)(項數越多,結果越精確),再選擇想顯示的小數位數。計算機除了給出 π 的近似值,還會一併列出原始的級數和,方便您核對中間值(松永為 \(\pi/3\),建部為 \(\pi^2/9\))。

公式詳解

松永級數收斂至 \(\pi/3\):

$$\frac{\pi}{3} = 1 + \frac{1^2}{4\cdot6} + \frac{1^2\cdot3^2}{4\cdot6\cdot8\cdot10} + \cdots = \sum_{k=0}^{N-1} \frac{((2k-1)!!)^2}{4\cdot6\cdots(4k+2)}$$

就松永級數而言,每一項都是把前一項乘以 \((2k-1)\) 的平方,再除以 \(4k\) 乘 \((4k+2)\);累計總和 \(S\) 可得 \(\pi = 3S\)。就建部級數而言:

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

每一項則是乘以 \(k\) 的平方,再除以 \((2k+1)(2k+2)\);累計總和可得 \(\pi = 3\) 乘以 \(S\) 的平方根。採用這種逐步遞推的算法,可以避免計算龐大的階乘,也能防止數值溢位。

級數求和示意圖,各項依次減小並趨向一個固定總和
和算級數中每個新增的項都更小,因此部分和收斂於圓周率。

實例演算

以松永級數取 \(N = 4\) 項為例:

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

因此 π 約為

$$3 \times 1.0470517113 = 3.1411551340$$

若取 100 項,結果便能達到雙精度的完整準確度,約為 \(3.14159265358979\)。

級數的部分和層層累加,逼近一條水平的圓周率線
部分和(1 項、2 項、3 項……)逐漸逼近圓周率的值。

常見問題

為什麼增加顯示位數不會提高準確度?本工具採用雙精度浮點運算,有效數字大約只能維持在 15 至 16 位。建部與松永當年算到 41 位、52 位的歷史壯舉,必須仰賴任意精度(BigDecimal)運算才能重現。

如果只輸入 1 項會怎樣?此時級數只回傳開頭的 1,因此兩條公式都會得到 π 約等於 3。

哪一條級數收斂得比較快?兩者都穩定收斂;實務上只要取數百項,就足以逼近雙精度的極限。

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