Симпсоны и их математические секреты

В главе 2 мы видели, как математики, начиная с древних греков, использовали многогранники для определения все более точного значения числа π и получили в итоге результат с точностью до тридцать четвертого десятичного знака. В 1630 году австрийский астроном Кристоф Гринбергер рассчитал число π с помощью многогранников до тридцать восьмого десятичного знака. С научной точки зрения нет совершенно никакого смысла в определении следующих цифр, поскольку данного значения вполне достаточно для выполнения самых сложных астрономических расчетов с максимально высокой точностью. И это не преувеличение. Если бы астрономы установили точный диаметр известной нам части Вселенной, то значения числа π до тридцать восьмого десятичного знака вполне бы хватило для расчета окружности Вселенной с точностью до размера атома водорода.

Тем не менее борьба за установление все большего количества цифр числа π продолжилась. Эта задача стала напоминать восхождение на Эверест. Число π выступало на математическом ландшафте в роли далекой горной вершины, и математики стремились взобраться на нее. Однако стратегия математиков изменилась. Вместо использования медленного подхода с применением многогранников они открыли ряд формул для определения значения числа π более быстрым способом. Например, в XVIII столетии Леонард Эйлер вывел следующую элегантную формулу:

Интересно то, что число π можно вывести из такой простой последовательности чисел. Это равенство известно как бесконечный ряд, поскольку оно состоит из бесконечного количества членов, и чем больше членов включено в расчеты, тем точнее будет результат. Ниже представлены результаты вычисления числа π с использованием одного, двух, трех, четырех и пяти членов ряда Эйлера:

Метод аппроксимации позволяет все плотнее приблизиться к истинному значению числа π; при этом по мере включения дополнительного члена уравнения результат становится точнее. Вычисление числа π с помощью пяти членов уравнения дает значение 3,140, что обеспечивает точность до двух десятичных знаков. В случае использования ста членов уравнения число π можно рассчитать с точностью до шести десятичных знаков: 3,141592.

Бесконечный ряд Эйлера – достаточно эффективный метод расчета значения числа π, но следующие поколения математиков изобрели и другие бесконечные ряды, позволяющие ускорить вычисления. Джон Мэчин, который в начале XVIII столетия был профессором астрономии в Колледже Грешема в Лондоне, разработал один из самых быстро сходящихся, хотя и не такой элегантный бесконечный ряд[47]. Мэчин превзошел все предыдущие достижения, рассчитав значение числа π с точностью до ста десятичных знаков.

Другие математики использовали бесконечный ряд Мэчина еще активнее. К их числу относится и английский математик-любитель Уильям Шенкс, который посвятил большую часть своей жизни вычислению π. В 1874 году он заявил, что рассчитал 707 цифр числа π.

В знак уважения к столь героическому достижению музей науки в Париже, известный под названием «Дворец открытий», украсил свой зал числа π надписью со всеми 707 цифрами π. К сожалению, в 40-х годах ХХ века в выкладках Шенкса была выявлена ошибка при расчете 527 десятичного знака, из-за чего все последующие цифры оказались неправильными. Дворец открытий вызвал маляров, а репутация Шенкса была безнадежно испорчена. Тем не менее 526 десятичных знаков все же оставались рекордным значением для числа π на то время.

После Второй мировой войны механические и электронные калькуляторы заменили бумагу и карандаш, которые использовал Шенкс и предыдущие поколения математиков. Силу технологий иллюстрирует тот факт, что Шенксу понадобилась целая жизнь, чтобы вычислить 707 цифр числа π, 181 из которых оказались неправильными, тогда как в 1958 году Парижский центр обработки данных без всяких ошибок выполнил те же расчеты на IBM 704 за сорок секунд. Теперь очередные цифры числа π начали появляться все более быстрыми темпами, но энтузиазм математиков несколько сдерживало понимание того, что даже компьютеры не способны справиться с этой бесконечной задачей.

Именно этот факт был положен в основу одной из сцен эпизода оригинального сериала «Звездный путь» под названием «Волк в овчарне» (Wolf in the Fold, сезон 2, эпизод 14; 1967 год). Для того чтобы изгнать дьявольскую энергетическую силу, которая захватила звездолет USS Enterprise, Спок дает следующую команду: «Компьютер, это директива класса А. Вычислите значение π до последнего знака». Компьютер настолько расстроен этим запросом, что снова и снова кричит: «Нет!» Тем не менее он обязан подчиниться этой директиве и в итоге не может выполнить требуемые вычисления, что каким-то образом изгоняет дьявольскую силу из электрических цепей.