常數的近似(一):圓周率
本文簡介如何以反正切函數計算圓周率的近似值。
1 圓周率的近似
1.1 簡易近似公式
設 α=arctan21與β=arctan31。
由 0<α+β<π/2 與
tan(α+β)=1−tanαtanβtanα+tanβ=1−1/61/2+1/3=1
可知 α+β=π/4。因此
π=4(arctan21+arctan31)=n≥0∑2n+14(−1)n(22n+11+32n+11)。
若設
an=2n+14(22n+11+32n+11),
並設
Sn=k=0∑n(−1)kak,
則對任意非負整數 n 均有 S2n+1<π<S2n。
1.2 計算近似值
我們可以用上述公式求出圓周率的近似值。首先我們枚舉 ((−1)nan)n≥0 中的一些項,有
a0−a1a2−a3a4−a5======14(211+311)=3−4(231+331)=54(251+351)=7−4(271+371)=94(291+391)=11−4(2111+3111)=310,162−35,194455,489888−2315,2267481620195,997691904−179195。
接著依序加總可得
S0S1S2S3S4S5======a0=S0−a1=S1+a2=S2−a3=S3+a4=S4−a5=310,162505,19446115,4898881538665,158723712498668825,698384332821940173935。
此時由
20006283<S5<π<S4<4001257
可知 3.1415<π<3.1425,故圓周率 π(四捨五入至小數點後第三位)的近似值為 3.142。