主题
Search

圆周率的连分数


pi continued fraction binary plot

圆周率的简单连分数表示为 [3; 7, 15, 1, 292, 1, 1, 1, 2, 1, 3, 1, 14, 2, 1, 1, 2, 2, 2, 2, ...] (OEIS A001203)。上方显示了以二进制位序列表示的连分数的前 256 项的图。

前几个收敛项是 3, 22/7, 333/106, 355/113, 103993/33102, 104348/33215, ... (OEIS A002485A002486),它们分别精确到 0, 2, 4, 6, 9, 9, 9, 10, 11, 11, 12, 13, ... (OEIS A114526) 位十进制数字。

非常大的项 292 意味着收敛项

 [3;7,15,1]=[3,7,16]=(355)/(113)=3.14159292...
(1)

是一个非常好的近似值,精确到小数点后六位,最早由天文学家祖冲之在公元五世纪发现 (Gardner 1966, pp. 91-102)。一个关于pi的第三个收敛项的优美表达式由下式给出

 pi approx 2[1;1,1,3,32]=(355)/(113) approx 3.14159292...
(2)

(Stoschek)。

piEngel 展开式为 1, 1, 1, 8, 8, 17, 19, 300, 1991, 2492, ... (OEIS A006784)。

下表总结了一些关于圆周率连分数的记录计算。

项数日期参考文献
170013031977W. Gosper (Gosper 1977, Ball and Coxeter 1987)
200000001999 年 6 月H. Havermann (Plouffe)
180×10^62002 年 3 月H. Havermann (Bickford)
458×10^62010 年 10 月N. Bickford (Bickford 2010, Wolfram Blog Team 2011)
19405357722010 年 12 月E. W. Weisstein
29107895672011 年 9 月 16 日E. W. Weisstein
48513084962011 年 9 月 17 日E. W. Weisstein
58215694252011 年 9 月 18 日E. W. Weisstein
106729055012013 年 7 月 18 日E. W. Weisstein
150000000002013 年 7 月 27 日E. W. Weisstein

在连分数中,首次出现 n=1, 2, ... 的位置分别是 3, 8, 0, 29, 39, 31, 1, 43, 129, 99, ... (OEIS A225802)。在首个 1.5×10^(10) 项中未出现的最小整数是 49004, 50471, 53486, 56315, ... (E. Weisstein, 2013 年 7 月 27 日)。连分数中递增项的序列是 3, 7, 15, 292, 436, 20776, 78629, 179136, 528210, 12996958, 878783625, 5408240597, 5916686112, 9448623833, ... (OEIS A033089),它们出现在位置 1, 2, 3, 5, 308, 432, 28422, 156382, 267314, 453294, 11504931 ... (OEIS A033090)。

PiKhinchinLevy

pi 的连分数表示为 [a_0;a_1,a_2,...],并设收敛项的分母表示为 q_1, q_2, ..., q_n。那么上面的图显示了 a_1^(1/1), (a_1a_2)^(1/2), (a_1a_2...a_n)^(1/n) 的连续值,它们似乎收敛到 Khinchin 常数(左图)和 q_n^(1/n),它们似乎收敛到 Lévy 常数(右图),尽管这些极限都没有得到严格的证明。

下表给出了 d 位数项在 pi连分数中首次出现的情况,其中将 3 视为第 0 项(例如,Choong 等人 1971,Beeler 等人 1972)。

dOEIS项/位置
1A0482923, 7, 1, 1, 1, 1, 2, 1, 3, 1, 2, 1, 1, 2, ...
A0482930, 1, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 13, 14, ...
2A04829415, 14, 84, 15, 13, 99, 12, 16, 45, 22, ...
A0489552, 12, 21, 25, 27, 33, 54, 77, 80, 82, ...
3A048956292, 161, 120, 127, 436, 106, 141, ...
A0489574, 79, 196, 222, 307, 601, 669, 725, ...
4A0489581722, 2159, 8277, 1431, 1282, 2050, ...
A0489593273, 3777, 3811, 4019, 4700, 6209, ...
5A04896020776, 19055, 19308, 78629, 17538, ...
A048961431, 15543, 23398, 28421, 51839, ...
6179136, 528210, 104293, 196030, ...
156381, 267313, 294467, 513205, ...
78093211, 1811791, 3578547, 4506503, ...
1118727, 2782369, 2899883, 3014261, ...
812996958 ,19626118, 12051Q034, 13435395, ...
453293, 27741604, 46924606, 50964645, ...
9878783625, 317579569, ...
11504930, 74130513, ...

pi简单连分数没有显示出任何明显的模式,但在优美的非简单连分数中,清晰的模式确实出现了

 4/pi=1+(1^2)/(2+(3^2)/(2+(5^2)/(2+(7^2)/(2+...))))
(3)

(Brouncker),给出收敛项 1, 3/2, 15/13, 105/76, 315/263, ... (OEIS A025547A007509) 以及

 pi/2=1-1/(3-(2·3)/(1-(1·2)/(3-(4·5)/(1-(3·4)/(3-(6·7)/(1-(5·6)/(3-...)))))))
(4)

(Stern 1833),给出收敛项 1, 2/3, 4/3, 16/15, 64/45, 128/105, ... (OEIS A001901A046126)。


另请参阅

欧拉-马歇罗尼常数连分数, 圆周率, 圆周率近似值, 圆周率数字, 圆周率公式

使用 Wolfram|Alpha 探索

参考文献

Ball, W. W. R. and Coxeter, H. S. M. Mathematical Recreations and Essays, 13th ed. New York: Dover, p. 55 and 274, 1987.Beeler, M. et al. Item 140 in Beeler, M.; Gosper, R. W.; and Schroeppel, R. HAKMEM. Cambridge, MA: MIT Artificial Intelligence Laboratory, Memo AIM-239, p. 69, Feb. 1972. http://www.inwap.com/pdp10/hbaker/hakmem/pi.html#item140.Bickford, N. "Pi." http://nbickford.wordpress.com/2010/10/22/pi/. Oct. 22, 2010.Choong, Daykin, and Rathbone. Math. Comput. 25, 387, 1971.Gardner, M. "The Transcendental Number Pi." Ch. 8 in Martin Gardner's New Mathematical Diversions from Scientific American. New York: Simon and Schuster, pp. 91-102, 1966.Gosper, R. W. Table of Simple Continued Fraction for pi and the Derived Decimal Approximation. Stanford, CA: Artificial Intelligence Laboratory, Stanford University, Oct. 1975. Reviewed in Math. Comput. 31, 1044, 1977.Havermann, H. "Simple Continued Fraction Expansion of Pi." http://odo.ca/~haha/cfpi.html.Lochs, G. "Die ersten 968 Kettenbruchnenner von pi." Monatsh. für Math. 67, 311-316, 1963.Sloane, N. J. A. Sequences A001203/M2646,A002485/M3097, A002486/M4456, A114526, and A225802 in "The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences."Stoschek, E. "Modul 33: Algames with Numbers." http://marvin.sn.schule.de/~inftreff/modul33/task33.htm.Wolfram Blog Team. "From Pi to Puzzles." http://blog.wolfram.com/2011/09/15/from-pi-to-puzzles/. Sep. 15, 2011.

请引用为

Weisstein, Eric W. "圆周率的连分数。" 来自 MathWorld--Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/PiContinuedFraction.html

主题分类