La respuesta corta: calculamos los dígitos de pi mediante el uso de fórmulas que han demostrado aproximar los dígitos de pi. Estas fórmulas no se aproximan a pi en el sentido de que 22/7 se aproxima a pi. Más bien, estas fórmulas son fórmulas iterativas que dan aproximaciones cada vez más cercanas a pi con cada iteración. Entonces, si pudiera calcular las iteraciones infinitas con una de estas fórmulas, habría calculado pi perfectamente.
¿Cuál fue el primer método utilizado para aproximar pi?
El primer método conocido de aproximación de pi fue un método geométrico proporcionado por Arquímedes en el siglo III a. C. Arquímedes notó que a medida que aumenta el número de lados, los polígonos regulares se vuelven más y más como círculos: un círculo, como puede notar, en realidad es solo un polígono regular con lados infinitos. Entonces dibujó polígonos que inscribieron el círculo y polígonos que circunscribieron un círculo, y notó que el área del círculo debe estar en algún lugar entre el área del polígono circunscrito y el área del polígono inscrito. Mientras calculaba las áreas de polígonos con lados cada vez más grandes, encontró aproximaciones cada vez mejores para pi. Finalmente se detuvo después de calcular el área de dos 96 gons que circunscribieron e inscribieron un círculo, respectivamente. Concluyó de esto que pi cayó entre 223/71 (el área de la forma de inscripción) y 22/7 (el área de la forma de circunscripción). Otros matemáticos utilizaron este método para desarrollar aproximaciones ligeramente mejores.
¿Qué otras aproximaciones geométricas hay además de las de Arquímedes?
El problema de la aguja de Buffon es una forma particularmente interesante de aproximar pi porque se basa en la aleatoriedad. El problema es el siguiente: si un segmento de línea de longitud [matemática] l [/ matemática] se coloca aleatoriamente, con orientación aleatoria, en un plano marcado con líneas paralelas [matemática] w [/ matemática] unidades separadas entre sí, qué Cuál es la probabilidad de que el segmento de línea se cruce con una de las líneas paralelas? Resulta que la probabilidad es simplemente:
[matemáticas] P = \ frac {2l} {\ pi w} [/ matemáticas]
Tenga en cuenta [math] \ pi [/ math] en el denominador. Entonces, si puede calcular (o estimar) [matemática] P, l [/ matemática] y [matemática] w [/ matemática], puede calcular pi. ¡Entonces puede aproximar pi haciendo un experimento para estimar la probabilidad [matemática] P [/ matemática]! Si suelta un objeto con longitud [matemática] l [/ matemática] y ancho insignificante [matemática] n [/ matemática] veces en un piso con líneas paralelas [matemática] w [/ matemática] unidades separadas, e intersecta al menos una de estas líneas [matemáticas] x [/ matemáticas] veces, puede aproximar pi utilizando la siguiente fórmula, que puede derivarse fácilmente de la fórmula original:
[matemáticas] \ pi \ aprox \ frac {2nl} {wx} [/ matemáticas]
También puede calcular (lentamente) una aproximación de pi contando los puntos de la red dentro de un círculo. Si dibuja un círculo [math] r [/ math] unidades de ancho en una cuadrícula y cuenta el número de puntos de la red [math] n [/ math] dentro del círculo, el número de puntos de la red proporciona una subestimación del área del circulo. Por lo tanto, puede calcular una estimación para pi con la siguiente fórmula, fácilmente derivable de la fórmula para el área de un círculo:
[matemáticas] \ pi \ aprox \ frac {n} {r ^ {2}} [/ matemáticas]
Pero estos métodos no son prácticos para calcular realmente los dígitos de pi. En el mejor de los casos, sin una computadora, estos métodos darán 2 o 3 dígitos de pi. Para calcular los dígitos de pi fácilmente, debe buscar métodos algebraicos.
¿Qué fórmulas iterativas se pueden expresar algebraicamente que se aproximan a pi?
Los matemáticos también han desarrollado fórmulas algebraicas que han demostrado aproximarse a pi. Estas fórmulas son menos intuitivas que las dadas por aproximaciones geométricas, pero se pueden usar de manera mucho más eficiente para calcular dígitos de pi. Aquí están algunos de mis favoritos:
La fórmula de Gregory y Leibniz. Es probablemente la aproximación pi más simple de expresar.
[matemáticas] \ pi = 4 \ sum_ {k = 1} ^ {\ infty} \ frac {(- 1) ^ {k + 1}} {2k-1} [/ matemáticas]
La serie Madhava-Leibniz:
[matemáticas] \ pi = \ sqrt {12} \ sum ^ \ infty_ {k = 0} \ frac {(- 3) ^ {- k}} {2k + 1} [/ matemáticas]
La famosa fórmula de Ramanujan. Mentiría si te dijera que entiendes cómo o por qué funciona. Es particularmente impresionante porque se acerca rápidamente a pi; es decir, cada iteración sucesiva da ocho (!) dígitos más de pi. En contraste, las fórmulas anteriores dan menos de un dígito de pi por iteración. Aquí está, en todo es gloria.
[matemáticas] \ frac {1} {\ pi} = \ frac {2 \ sqrt {2}} {9801} \ sum ^ \ infty_ {k = 0} \ frac {(4k)! (1103 + 26390k)} { (k!) ^ 4 396 ^ {4k}} [/ matemáticas]
Debido a lo rápido que se acerca a pi, los poseedores del récord mundial actual para calcular la mayor cantidad de dígitos de pi usaron una variante de la fórmula de Ramanujan.
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Wikipedia y WolframAlpha tienen excelentes páginas sobre aproximaciones de pi. Te animo a explorarlos: existen innumerables métodos ingeniosos y fórmulas increíbles que se aproximan a pi. ¡Buena suerte!