Pi (szám)

matematikai állandó
(Pí (szám) szócikkből átirányítva)
Ez a közzétett változat, ellenőrizve: 2024. november 7.

A (pi) egy matematikában és fizikában használt valós szám. A leggyakrabban használt, euklideszi geometriában a kör kerületének és átmérőjének hányadosaként definiálják, ami a körök hasonlósága miatt minden kör esetén azonos.

Arkhimédész szobra Berlinben. Arkhimédész bebizonyította, hogy a kör kerületének és átmérőjének aránya ugyanannyi, mint területének és sugara négyzetének az aránya. Ezt nem hívta π-nek, de megadott egy módszert e számérték tetszőleges közelítésére, és adott rá egy olyan becslést, ami π értékét 3 + 10/71 (kb. 3,1408) és 3 + 1/7 (kb. 3,1429) közé teszi. A fölső határként megadott 22/7-et még a középkorban is általánosan használták a π közelítő értékeként
Az egységnyi átmérőjű kör kerülete:

A matematikai analízisben a körre való hivatkozás elkerülése érdekében szokás először a koszinuszt egy végtelen hatványsor összegeként definiálni, majd a -t a koszinuszfüggvény legkisebb pozitív zérushelyének kétszereseként rögzíteni.

A görög betű a „περίμετρος” (perimetrosz, azaz kerület) szót rövidíti. Ezt a jelölést először William Jones használta 1707-ben, majd Leonhard Euler által 1737-ben lett igazán ismert. A -t ritkábban Ludolph-féle számnak is nevezik, a német matematikus Ludolph van Ceulen tiszteletére, aki a -nek minél több tizedesjegyét próbálta meghatározni.

A irracionális, azon belül transzcendens szám.

A szám értéke

szerkesztés

A mindennapi életben a   értékére 3,14 használatos, de a tudományban sokkal nagyobb pontossággal használják ezt a számot.

A   ötven tizedesjegyig:

3,1415926535 8979323846 2643383279 5028841971 6939937510 …

Mivel a   irracionális szám (bizonyítás), tizedestört-alakja végtelen és nem ismétlődik periodikusan. Néhány tizedesjegynyi pontosság többnyire elegendő a mérnöki és tudományos munkákhoz, de modern számítástechnikai módszerekkel már 100 billió (1014) jegyét is kiszámították,[1] mégsem fedeztek fel a számjegyek közt semmilyen mintázatot.

 
A   számértéke Bécsben a Karlsplatzon

A   értéke:  , ahol n egy egységnyi sugarú körbe írt szabályos konvex sokszög oldalainak száma,   a szabályos sokszöget alkotó n darab egyenlő szárú háromszög középponti szögének fele. A   értéke megegyezik az ábrán látható citromsárgával jelölt háromszög területével. Minél több oldalú a sokszög, a pí értéke annál pontosabb lesz.

 
A pí közelítése egyre több oldalú szabályos sokszögek segítségével

A matematikai analízisben

szerkesztés

A  -t a körre való hivatkozás nélkül is lehet definiálni. A matematikai analízisben a koszinusz definíciója tetszőleges x komplex számra (ebben a valós számok is benne foglaltatnak):

 

Ezután azt a lehető legkisebb pozitív valós számot jelölik  -vel, amire teljesül, hogy

 

Története

szerkesztés

Az ókori Egyiptomban a   a kör területének kiszámításakor jelent meg mint probléma. Már az i. e. 2000 körüli időkből származó egyiptomi Rhind-papiruszon található egy képlet a kör területének kiszámítására. Természetesen az egyiptomiak nem állandóként használták a pit, a számításaikban nem fordul elő olyan elem, ami azt valószínűsítené, hogy a kör területének és kerületének pi-szerű összefüggéseit felismerték. Egy megoldóképletet alkalmaztak, amelynek megoldása eredményezi a 3,14 számértéket.

„Példa egy kerek csűrre, amelynek (átmérője) 9, (magassága) 10. Vond le a 9-ből a kilenced részét, vagyis 1-et, a maradék 8. Szorozd meg 8-cal, ez lesz 64. Szorozd meg 10-zel a 64-et, ez lesz 640. Add hozzá a felét, ez lesz 960. Ez lesz az űrtartalma harban.”

Kákosy László fordítása

A kör területének megoldóképlete eszerint:

 

ahol d a kör átmérője (a feladatban ezt még meg kell szorozni a magassággal, aztán pedig 1,5-del is, hogy a könyök hosszmérték és a har köbmérték közti váltás is megtörténjen, köbkönyökben 640 lett volna a végeredmény). Ebből a   értékére a

 

közelítés adódik, ami ebben az időben csodálatos pontosságnak számított, és a jól eltalált kilencedből ered. Mivel az egyiptomiak néhány kivétellel csak egységtörteket alkalmaztak (vagyis olyan törteket, amelyeknek számlálója 1), és az 1/8, illetve 1/10 már feltűnően rossz eredményt adna, ezt a matematikai eredményt egyszerű próbálkozással elérhették. 1/10-del 2,56, 1/8-dal 4,0 lett volna az eredmény.

Mezopotámia

szerkesztés

Ugyanekkor Mezopotámiában a   és a lényegesen durvább   közelítő értéket használták. Ez utóbbit a zsidók is átvették, a Bibliában is megjelenik (1Kir 7,23[2]). Az ókorban szinte minden országban, minden matematikával foglalkozó tudós más és más közelítést alkalmazott.

Görögország

szerkesztés
 
Arkhimédész módszere a   meghatározására

Az ókori görögök felismerték, hogy a kör területe egy olyan háromszög területével egyezik, amelynek alapja a kör kerülete, magassága a kör sugara. Ezzel a   nem csupán körterület, hanem a körkerület kiszámításával is kapcsolatba került. Arkhimédész a körbe és a kör köré írt sokszögekkel a
  közelítésig pontosította elődei eredményét (3,140845-3,142857). Az Arkhimédész becsléséből származó
  (3,142857) közelítésnél pontosabb eredményre jutott Klaudiosz Ptolemaiosz:   (3,141667).

Kínában a földmérők a   értékkel számoltak: Az i. e. 2. században készült összefoglaló munkában (Matematika kilenc könyvben) szerepel az a becslés, miszerint a kör területe a köré írt négyzetének  -e, ebből pedig   adódik.

Ugyanakkor a gömb térfogatát a   képlettel számolták, ami a   közelítésnek felel meg.

A Han-dinasztia alatt elrendelték a mértékegységek egységesítését. Ezt a munkát Liu Hszin csillagász (időszámításunk kezdete körül) hajtotta végre. Ekkor történt a matematika történetében először, hogy törvény szabta meg a   értékét. A II. és III. század fordulóján Csang Heng jutott arra a becslésre, hogy a kör kerületének és a köré írt négyzet kerületének aránya 5:8, ami a   közelítéshez vezet. A III. század végén Vang Fan a   közelítést használta, ugyanakkor Liu Huj a d=100 átmérőjű körrel számolva Arkhimédész módszerével, de nála pontosabban a   közelítést adta, melyet a 3072 oldalú szabályos sokszög oldalainak kiszámításával kapott.

Később Cu Csung-cse (430-501) csillagász adott pontosabb becslést, számításra a közelítő   törteket használta. ( ). A   már 6 tizedesjegyig pontos értéket ad.

Az 5–6. század fordulója körül alkotó Árjakhabata alkalmazta a helyes összefüggést a kör   területe,   kerülete és   átmérője között:

 

de a gömb térfogatának és a főkör területének kapcsolatára a hibás   képletet adja meg, ami a   közelítést adja. Ugyanakkor a feladatok kidolgozásánál ő maga is az akkor általánosan használt 3,1416 értékkel számol, ami a hinduk által kapott 9 tizedesjegyre pontos   becslés kerekítése. A numerikus közelítések mellett említést érdemelnek a  -vel kapcsolatos konvergens sorok, köztük a később Európában újra felfedezett Leibniz-sor  -hez konvergáló sora. Ennek közelítésre használt részösszege a   a Ptolemaiosz-féle fentebbi becsléssel egyezik.

Iszlám országok

szerkesztés

A perzsák 16 tizedesjegyig számították ki az értékét. Az arab matematikusok Arkhimédész módszerének alkalmazásával előbb 180 oldalú, majd 720 oldalú sokszöggel számoltak, de később kiderült, hogy számolási hibát ejtettek. Végül az 1424-ben befejezett munkájában (Értekezés a körről) Dzsamsid Gijászaddín al-Kási adott immáron helyes becslést a 228, azaz 268 435 456 oldalú sokszög kerületének kiszámításával. Eredményét babiloni hatvanados helyiértékes törtben 10 helyiérték pontossággal, azaz decimálisan 17 jegyig közölte (ez utóbbi versbe szedve a lenti ábrán látható):

 ,

ami a   közelítést adja.

A középkori Európából a legkorábbi konkrét írásos emlék Novgorodból származik. Kirik diakónus 1134-es jegyzeteiben több számítás között szerepel az égitestek (Föld, Nap, Hold) térfogatának kiszámítása Eratoszthenész mérései alapján. E számításokhoz az ismeretlen forrásból származó   közelítést használták.

Nyugaton a sokoldalú humanista, Nicolaus Cusanus 144559 között több művében foglalkozott a körkerület kiegyenesítésével, de csak egy eredménye volt jobb Arkhimédészénél. Módszere kissé eltért Arkhimédészétől: Arkhimédész fix kerületű körbe és köré írt 3, 6, 12, 24, …, 3·2n oldalú sokszögekkel számol, Cusanus 4, 8, 16… oldalú fix kerületű sokszögekbe és köréjük írt körökkel. Az   sugarú körben   középponti szöghöz tartozó körív   hosszára a következő képletet adta:

 

Cusanus eredményeit a 16. század végén François Viète, Willebrord Snellius, Christiaan Huygens, a 1718. században többen, köztük Isaac Newton javították.

1597-ben Adriaan van Roomen ismételte meg az arab Al-Kási eredményét. Ezzel egyidőben Ludolph van Ceulen (1550–1617) német származású holland matematikus 1596-ban megjelent könyvében 60·233=515 396 075 520 oldalú befoglaló és körülíró sokszöget használt a   értékének számításához. Ezzel a módszerrel húsz tizedesjegyig határozta meg a   értékét, majd 1615-ben 32 jegyű közelítést publikált. Munkássága nyomán nevezik a  -t „Ludolph-féle számnak”.

A matematikai szakirodalom 18–19. századi eredményei között igen sok foglalkozik ezzel az akkortájt divatos problémával. Ezek nagy része naiv műkedvelők hibáktól hemzsegő munkája. A Magyar Tudományos Akadémia a 19. század közepén úgy rendelkezett, hogy kör négyszegesítését, a szög háromfelé metszését, az örök mozgony feltalálását előadó értekezések vizsgálatlanul visszautasíttatnak”.[3] 1761-ben Johann Heinrich Lambert svájci matematikus bizonyította be, hogy a   irracionális szám. Jelölésére a kis görög pi betűt 1739-ben Leonhard Euler vezette be William Jones nyomán.

1873-ban William Shanks angol matematikus 30 évi munkával 707 tizedesjegyig számította ki,[4] de 1944-ben a szintén angol Fergusson kimutatta, hogy Shanks az 528. tizedestől kezdve tévedett.

-t tartalmazó képletek

szerkesztés

A   sok olyan geometriai képletben szerepel, amelyek körökkel és gömbökkel kapcsolatosak.

Geometriai alakzat Képlet
A kör kerülete r sugárból, d átmérőből  
A kör területe r sugárból  
Az ellipszis területe, a és b féltengelyekből  
A gömb térfogata r sugárból, d átmérőből  
A gömb felülete r sugárból  
A henger térfogata h magasságból és r alapsugárból  
A henger felülete h magasságból és r alapsugárból  
A kúp térfogata h magasságból és r alapsugárból  
A kúp felülete h magasságból és r alapsugárból  

Végtelen összeggel és szorzattal való közelítés

szerkesztés
 
 
  avagy
 
 
 
 
 
 
 
  (a közelítés 9 jegyre pontos)
 
 
  • Egy szimmetrikus formula (1997):
 
  • Bailey–Borwein–Plouffe-formula (1997):
 

Matematikai tulajdonságai

szerkesztés

Transzcendenciáját Lindemann bizonyította be. De attól még nem Liouville-szám, hogy transzcendens, ugyanis, mint Kurt Mahler 1953-ban igazolta,

 

minden olyan   racionális számra, amelyben  .

 
A   versben

Ismeretesek olyan mnemotechnikai „versek”, amiknek szavai annyi betűt tartalmaznak, mint a   soron következő számjegye.

A következő négy vers harminc tizedesjegyig adja meg a   értékét:

Nem a régi s durva közelítés,

Mi szótól szóig így kijön
Betűiket számlálva.
Ludolph eredménye már,
Ha itt végezzük húsz jegyen.
De rendre kijő még tíz pontosan,

Azt is bízvást ígérhetem.
– Szász Pál, matematikus (1952)
Bír-e, érez-e ember nyugalmat,

Ha lelkét nehéz bús emlék zaklatja.
Szüntelen felhőbe burkolózó idő az,
Ami változni ámha akarna se tudhat,

Mert azt nem írhatja már le halandó kívánsága.
– Hajós György prof. közölte (1952)
Íme a szám: a görög periféria pi betűje.

Euler meg Viète végtelen összeggel közelít értékéhez.
Lám, őt már Egyiptom, Kína, Európa is akarta, hogy

„ama kör kerülete úgy ki lehetne számlálva”.
– Szikora Ágnes (2009)
Egy s négy a három gyermekei,

De vannak bőven még mások;
Sorunkat folytatva
Ezentúl halljátok:
Egy, öt meg kilences,
Majd kettes jő sorban,
Csak nem ezt jelentik így,

Ha versben szólottam.
– Moldoványi András (2019)

Az utolsó vers érdekessége, hogy a második versszakban (5-8. sor) szereplő számokat meg sem kell jegyezni, hiszen azok már bele vannak kódolva a vers elejébe a szavak hosszúsága által.

Az alábbi vers 48 tizedesjegyig követi a pi értékét.

Itt e szám, a sorok halmazába’,

és elrejt, tudom, oly tényt,
melyeket tudvalevő Ludolph rögzített.
Ezt, az itt elsorolt húsz számot,
és bizony azon túl sok tizedest,
azt is bízvást ismerteti.
Euler [5] pi jelölést alkalmaz, mert
e számsorok ezentúl a körnél gyakoriak!

Jól használva, kerületet fog alkotni száma...
– Pothurszky Géza (2015. február)

Egy másik rövid vers:

Még a vége a sötét végtelené,

De mennyi tudós néz feléd!
Fürkészi kíváncsin parányi nagyságod,
Bár Te még elrejted, mint kisfiú,
Ki retteg, mert eső jön kéretlen.
Hej, Pi! Titkaid felfednéd?
Hoppá, 0 jő!
Befejező mondatot most Ő

verseljen magának...
– Veres Ágost

Még egy hosszú vers:

Haj, a háta a borús Petőfinek!

Mi bűnnel okolt kín, amely keservét
Indokolja? Körtéje kerteknek tán,
Mi túl csábosan leng faágon?
Az bizony.
Kert vén fái bámulnak, lám,
Öt kerítés védőfalán
Által.
Vállalkozó, ha átmászik védfalán,
Oroz ő, szerencse lovagja, a
»Várból« körtvéket, míg szomszéda
Szunyókál. Aki felriad akkor;
A haddelhadd felér veréssel, ám
Szenvedője vigadalma csekély.
Azon igyekszik, hogy sors által
Semennyit is nem támogatván,

Siessen messzire.
– Bene Koppány

Pi-vers 150 tizedesjegyig

szerkesztés

A valaha közölt pi-versek közül az alábbi a leghosszabb, amelyik valójában a piről, és annak keletkezéséről szól, és 150 tizedesjegyig készítette alkotója, Pothurszky Géza. A nullák helyén három pont ... szerepel.

(3,1415926535 8979323846 2643383279 5028841971 6939937510
5820974944 5923078164 0628620899 8628034825 3421170679
8214808651 3282306647 0938446095 5058223172 5359408128)

Íme a szám, a híres, nevezetes pi,

melyet tudom már régen kutatnak.
Elismerve Ludolph számsorát
már az itt jegyzett húsz számon.
És tudjuk, vele sok kör kerülete
már az átmérők szorzatai.
Görög ... pi betűként: végtelen szám,
a kerületek hosszát e jellel számlálod!
Már bármilyen kerületet tud "lemérni" ezzel,
s ... jegye pontosan jó ... eredményt számlál majd.
Egyiptomi régi írás, Rhind-papirusza is
már ... emleget bizonyos, a körről való
... sekély, de meggyőző tudást.
Pi ... értékről tudósokon keresztül
rögzítve, Biblia is ismertet ...
Már Kína tudósaik, Cu Csung-cse,
Heng is, s a társaik ... tudták értékét számítani.
Indiában is e szám értékeit ... kutatták,
kilenc jegye (a sok pi számítás jó,
sőt) ... nagyon pontos, kész jegyeik.
... Európában rég' Novgorod járt élen.
Shanks, ... Matsunaga, Sharp,
tudós ... elmék érdemeik az új jel
a hiteles pi érték adó száma.

Korunknak "gépe" ... számítja a pi értékeit.
– Pothurszky Géza, Sárospatak, 2015. május 12.

Egy angol változat 14 tizedesjegyig (figyeljük meg, hogy az első szó 3, a második 1, a harmadik 4, a negyedik 1... betűt tartalmaz):

How I want a drink, alcoholic of course,

after the heavy chapters involving quantum mechanics!

[6]
– Sir James Hopwood Jeans

Pi a kultúrában

szerkesztés
  1. [1] (Google Cloud, 2022. június 8.)
  2. És csinála egy öntött tengert, mely egyik szélétől fogva a másik széléig tíz sing volt, köröskörül kerek, és öt sing magas, és a kerületit harmincz sing zsinór érte vala körül.
  3. Arany János levele Simó Ferencnek Archiválva 2007. november 5-i dátummal a Wayback Machine-ben, 1869. május 19.
  4. http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/Biographies/Shanks.html Archiválva 2019. március 25-i dátummal a Wayback Machine-ben William Shanks életrajza
  5. A „–” jel a 0 számjegyet jelöli.
  6. https://www.jstor.org/stable/2300971

Hivatkozások

szerkesztés

Számjegytáblázatok

szerkesztés

Történeti, természettudományi és matematikai vonatkozások

szerkesztés

Pi-versek és pi-dalok

szerkesztés
  • Arisztotelész: Metafizika. Budapest: Hatágú Síp Alapítvány. 1992. ISBN 963-7615-11-3  
  • Courant – Robbins: Mi a matematika? (hely nélkül): Gondolat. 1966.  
  • Heinrich Dörrie: A diadalmas matematika. Budapest: Gondolat. 1965.  
  • Hajós György: Bevezetés a geometriába. Budapest: Tankönyvkiadó. 1960.  
  • Adolf Pavlovics Juskevics: A középkori matematika története. Budapest: Gondolat. 1982. ISBN 963-281-088-0  
  • Konsztantin Alekszeevics Ribnyikov: A matematika története. Budapest: Tankönyvkiadó. 1968.  
  • Sain Márton: Matematikatörténeti ABC. Budapest: Nemzeti Tankönyvkiadó; Budapest: Typotex. 1993. ISBN 963-7546-41-3  
  • Paul Strathern: Arkhimédész. [Budapest]: Elektra Alkotóház. 2000. ISBN 963-9205-46-X  
  • Szőkefalvi-Nagy Gyula: A geometriai szerkesztések elmélete. 2., bőv. és átdolg. kiad. Budapest: Akadémiai. 1968.  
  • Bartel Leendert van der Waerden: Egy tudomány ébredése. Budapest: Gondolat. 1977. ISBN 963-280-326-4  
  • Laczkovich Miklós – T. Sós Vera: Analízis II. Budapest: Nemzeti Tankönyvkiadó. ISBN 978-963-19-6084-6  
  • Petr Beckmann: A pi története; ford. Gerner József; Typotex, Bp., 2022