Слайд 2
Знаете ли вы, что эта обыкновенная, на первый
взгляд, полузабытая буква из школьного курса геометрии намного интереснее
при ближайшем рассмотрении и изучении, имеет свою историю, очень много значит для математиков — они без неё просто никуда, и даже имеет свой праздник?
Слайд 3
Неофициальный праздник «День числа Пи»
(англ. Pi Day)
отмечается 14 марта, которое в американском формате дат записывается
как 3.14, что соответствует приближённому значению числа π.
Слайд 4
Если принять диаметр окружности за единицу, то длина
окружности — это число π.
Слайд 6
Различные способы
вычисления числа π
Слайд 7
Библейское вычисление
числа π
Слайд 9
Одно из ранних приближений для числа π можно
извлечь из канонического текста Библии, датируемого примерно X-V веками
до нашей эры. В третьей книге Царств подробно рассказывается о том, как мастер Хирам сооружал по заказу правителя Иудейского Израильского царства Соломона храм.
Царь Соломон, держащий в руках изображение храма
Слайд 10
Это культовое сооружение украшал большой бассейн для омовения
священнослужителей под названием «медного моря»: «И сделал литое из
меди море, - от края его до края его десять локтей, - совсем круглое, вышиною в пять локтей, и снурок в тридцать локтей обнимал его кругом.» (Третья книга Царств. Гл. 7, стих 23.)
Слайд 11
Если диаметром этого сосуда было 10 локтей, тогда
длина окружности должна была быть 31,415926… локтей, а не
просто 30 локтей как написано в библии! Любой школьник может сказать вам, что длину окружности круга можно найти, умножив диаметр на пи. Эта явная математическая ошибка заставила нас, как христиан, сомневаться в точности Библии.
Слайд 12
Длина диаметра в 10 локтей является длиной от
наружного обода до наружного обода, так, как любой человек
и будет измерять круглый предмет. Окружность длиной в 30 локтей, однако, является внутренним кругом, после вычитания толщины меди (две ладони одна на каждую сторону), из которой был сделан сосуд. Это и будет необходимым числом для вычисления объема воды.
Слайд 13
Экспериментальное определение числа пи. Погрешность измерения.
Воспримем этот
текст как древний опыт по экспериментальному определению числа пи
и на основании данных оценим погрешность измерения.
Формула для измерения очевидна:
где L - длина окружности,
а D - её диаметр.
Слайд 14
Дано: L = 30 локтя, D = 10
локтей.
Из написания видно, что абсолютные погрешности каждой из величин
составляют не менее 0,5 локтя. Мы тем самым берём половину последней значащей цифры, если считать, что каждое из чисел имеет две значащие. Вариант, что погрешность измерения была больше, обсудим в конце вычислений. Рассчитаем измеренное число пи
Слайд 15
Итак, систематическая погрешность измерений равна
Оценим относительную погрешность измерения
числа пи как среднеквадратичное от относительных погрешностей данных величин:
Рассчитаем
абсолютную погрешность измерения с учётом этой формулы
следовательно ответ записывается в виде
Слайд 16
Значение числа пи, известное нам сейчас с огромной
точностью, вполне укладывается в ответ, полученный экспериментально несколько тысяч
лет назад. Выходит, что если рассуждать не поверхностно, а с точки зрения методов науки, противоречия между текстом Писания и действительностью нет.
Слайд 17
В Библии не содержится ни одной ошибки. Кстати,
Соломон сделал это открытие тысячу лет до нашей эры,
задолго до того как греки снова нашли число пи.
Слайд 18
Различные способы
вычисления числа π
Слайд 19
Начертим на плотном картоне окружность диаметра d
(15 см), вырежем получившийся круг и обмотаем вокруг него
тонкую нить. Измерив длину L (46,5 см) одного полного оборота нити, разделим L на длину диаметра окружности. Получившееся частное будет приближенным значением числа π, т.е. π = , π = 46,5 см / 15 см.
π = 3,1. Данный довольно грубый способ даёт в обычных условия приближённое значение числа
π с точностью до 1.
Простейшие вычисления
Слайд 20
Следуя данным рекомендациям, мы выполнили измерения и вычислили
число π. Получили результаты представленные в таблице:
Простейшие вычисления
Слайд 21
Измерение с помощью взвешивания
На листе картона начертим квадрат.
Впишем в него круг. Вырежем квадрат. Вырежем из квадрата
круг.
Слайд 22
Измерение с помощью взвешивания
Определим массу картонного
квадрата с помощью школьных весов. Взвесим круг. Зная массы
квадрата mкв (10 г) и вписанного в него круга mкр (7,8 г), воспользуемся формулами m=rV, V=Sh, где r и h-соответственно плотность и толщина картона, S-площадь фигуры. Рассмотрим равенства: mкв = r S кв h = r 4 R2 h,
mкр = r Sкр h = r π R2 h.
Отсюда mкр : mкв = π : 4, π = 4 mкр : mкв.
Слайд 23
Суммирование площадей прямоугольников,
вписанных в полукруг.
Пусть А (а,0), В (b,0). Опишем на АВ полуокружность
как на диаметре. Разделим отрезок АВ на n равных частей точками х1,х2,…,хn-1 и восстановим из них перпендикуляры до пересечения с полуокружностью. Длина каждого такого перпендикуляра - это значение функции f(x) =
Площадь S полукруга можно вычислить по формуле
В нашем случае b = 1, a = -1. Тогда π ≈ 2S.
Слайд 24
Значения π будут тем точнее, чем больше
точек деления будет на отрезке АВ. Облегчить однообразную вычислительную
работу поможет компьютер и программа , составленная на Бейсике. Программа была набрана и запущена при различных значениях параметра n. Полученные значения числа записаны в таблице:
Слайд 25
Программа
10 REM *** ВЫЧИСЛЕНИЕ p***
20 REM ***
МЕТОД ПРЯМОУГОЛЬНИКОВ ***
30 INPUT N
40 DX 1/N
50
FOR I=0 TO N-1
60 F=SQR(1-X^2)
70 X=X+DX
80 A=A+F
90 NEXT I
100 P=4*DX*A
110 PRINT «ЗНАЧЕНИЕ p РАВНО»; P
120 STOP
Слайд 26
Полученные значения числа записаны в таблице
Суммирование площадей прямоугольников,
вписанных в полукруг.
Слайд 27
Метод Монте-Карло
Это фактически метод статистических испытаний.
Свое экзотическое название он получил от города Монте-Карло в
княжестве Монако, знаменитого своими игорными домами. Дело в том, что метод требует применения случайных чисел, а одним из простейших приборов, генерирующих случайные числа, может служить рулетка. Впрочем, можно получить и при помощи … дождя.
Слайд 28
Метод Монте-Карло
Для опыта приготовим кусок картона, нарисуем на
нём квадрат и впишем в квадрат круг. Если такой
чертёж некоторое время подержать под дождём, то на его поверхности останутся следы капель.
Слайд 29
Метод Монте-Карло
Подсчитаем число следов внутри квадрата и внутри
круга. Очевидно, что их отношение будет приближенно равно отношению
площадей этих фигур, так как попадание капель в различные места чертежа равновероятно. Пусть Nкр - число капель в круге, Nкв – число капель в квадрате, тогда π=4Nкр/Nкв
Слайд 30
Sквадрата =2*2=4.
Бросаем N точек
Метод Монте-Карло
Слайд 31
Применение метода Монте-Карло стало возможным только благодаря компьютерам
Программа
2
10 REM *** ВЫЧИСЛЕНИЕ ПИ ***
20 REM *** МЕТОД
МОНТЕ-КАРЛО ***
30 INPUT N
40 M=0
50 FOR I=1 TO N
60 T=INT (RND(1)*10000)
70 X=INT(T/100)
80 Y=T-X*100
90 IF X^2+Y^2<10000 THEN M=M+1
100 NEXT I
110 P=4*M/N
120 PRINT " ЗНАЧЕНИЕ ПИ РАВНО" ; P
130 STOP
Слайд 32
Полученные значения числа записаны в таблице
Слайд 33
Вычисление с помощью ряда Тейлора
Слайд 34
Ещё одной датой, связанной с числом π, является
22 июля, которое называется «Днём приближённого числа Пи» (англ.
Pi Approximation Day), так как в европейском формате дат этот день записывается как 22/7, а значение этой дроби π.