Pi

Pi (Jawi: ‏ڤي‎‎) atau pai (Jawi: ‏ڤاي‎‎)^[a] ialah satu pemalar matematik digunakan dalam pengiraan ruang Euclid mewakili nilai kadar menisbahkan ukur lilit sesebuah bulatan kepada diameternya, pemalar ini sering digunakan dalam rumusan-rumusan matematik, fizik dan kejuruteraan. Pemalar ini ditandakan dengan huruf Yunani ${\displaystyle \pi }$ (Yunani: πι, rumi: pí^[3]) yang dianggarkan menghampiri 3.14159^[b] atau nilai pecahan 22/7.

Sistem nombor matematik
Asas
${\displaystyle \mathbb {N} \subset \mathbb {Z} \subset \mathbb {Q} \subset \mathbb {R} \subset \mathbb {C} }$ Nombor asli ${\displaystyle \mathbb {N} }$ Nombor negatif ${\displaystyle \mathbb {Z} ^{-}}$ Integer ${\displaystyle \mathbb {Z} }$ Nombor nisbah ${\displaystyle \mathbb {Q} }$ Nombor bukan nisbah ${\displaystyle \mathbb {Q} '}$ Nombor nyata ${\displaystyle \mathbb {R} }$ Nombor khayalan ${\displaystyle \mathbb {I} }$ Nombor kompleks ${\displaystyle \mathbb {C} }$ Nombor algebra ${\displaystyle {\overline {\mathbb {Q} }}}$ Nombor transenden ${\displaystyle \mathbb {T} }$
Perluasan kompleks
Nombor dwikompleks Nombor hiperkompleks Kuaternion ${\displaystyle \mathbb {H} }$ Kokuaternion Bikuaternion Oktonion ${\displaystyle \mathbb {O} }$ Sedenion ${\displaystyle \mathbb {S} }$ Tesarina Hipernombor Nombor supernyata Nombor hipernyata Nombor sureal
Lain-lain
Nombor kompleks belah ${\displaystyle \mathbb {R} ^{1,1}}$ Nombor bersiri Nombor melampaui terhingga Nombor ordinal Nombor kardinal ${\displaystyle \aleph _{n}}$ Nombor perdana ${\displaystyle \mathbb {P} }$ Nombor p-adik Nombor boleh bina Nombor boleh kira Jujukan integer Pemalar matematik ${\displaystyle x}$ Nombor besar Pi ${\displaystyle \pi }$ Nombor Euler ${\displaystyle e}$ Unit khayalan ${\displaystyle i}$ Ketakterhinggaan ${\displaystyle \infty }$

Nilai pi tidak dapat dinisbahkan kepada dua integer penuh apatah lagi dinyatakan tepat, perwakilan perpuluhannya tidak putus malah membentuk corak yang berulang secara kekal. Ia bersifat transenden; yakni, ia tidak boleh menyelesaikan persamaan yang melibatkan hanya jumlah terhingga, hasil pendaraban, kuasa dan integer. Transendensi ${\displaystyle \pi }$ membayangkan bahawa penyelesaikan cabaran purba untuk mengkuadratkan bulatan dengan kompas dan garis lurus adalah mustahil. Digit perpuluhan ${\displaystyle \pi }$ nampaknya diedarkan secara rawak, tetapi tiada bukti konjektur ini ditemui.

Selama beribu-ribu tahun, ahli matematik seluruh dunia telah cuba meluaskan pemahaman mereka tentang ${\displaystyle \pi }$, kadangkala dengan mengira nilainya kepada tahap ketepatan yang tinggi. Tamadun purba, termasuk orang Mesir dan Babylon, memerlukan anggaran ${\displaystyle \pi }$ yang agak tepat untuk pengiraan praktikal. Sekitar 250 SM, ahli matematik Yunani Archimedes mencipta algoritma menganggarkan ${\displaystyle \pi }$ dengan ketepatan sewenang-wenangnya. Pada abad ke-5 Masihi, ahli matematik Cina menganggarkan ${\displaystyle \pi }$ kepada tujuh angka, manakala ahli matematik India membuat anggaran lima angka, kedua-dua pihak menggunakan teknik geometri. Formula pengiraan pertama untuk ${\displaystyle \pi }$, berdasarkan siri ketakterhinggaan, ditemui sealaf kemudian.^{[4][halaman diperlukan][5]}

Penciptaan bidang kalkulus tidak lama kemudian membawa kepada pengiraan ratusan digit ${\displaystyle \pi }$, cukup untuk semua pengiraan saintifik praktikal. Namun begitu, pada abad ke-20 dan ke-21, ahli matematik dan saintis komputer telah mengejar pendekatan baharu yang, apabila digabungkan dengan peningkatan kuasa pengiraan, memanjangkan perwakilan perpuluhan ${\displaystyle \pi }$ kepada sebanyak trilion digit.^[6][7] Pengiraan ini didorong oleh pembangunan algoritma yang cekap untuk mengira siri berangka, serta usaha manusia untuk memecahkan rekod.^[8][9] Pengiraan meluas yang terlibat juga telah digunakan untuk menguji superkomputer serta menguji tekanan perkakasan komputer pengguna.

Oleh kerana takrifannya berkaitan dengan bulatan, ${\displaystyle \pi }$ ditemui dalam banyak rumusan dalam trigonometri dan geometri, terutamanya yang berkaitan dengan bulatan, elips dan sfera. Ia juga ditemui dalam rumusan daripada topik lain dalam sains, seperti kosmologi, fraktal, termodinamik, mekanik dan elektromagnetisme. Ia juga muncul dalam bidang yang mempunyai sedikit kaitan dengan geometri, seperti teori nombor dan statistik, dan dalam analisis matematik moden boleh ditakrifkan tanpa sebarang rujukan kepada geometri. Keseluruhan ${\displaystyle \pi }$ menjadikannya salah satu pemalar matematik yang paling terkenal di dalam dan di luar sains.

Beberapa buku yang dikhaskan untuk ${\displaystyle \pi }$ telah diterbitkan, dan pengiraan penetapan rekod bagi digit ${\displaystyle \pi }$ sering menghasilkan tajuk berita.

Asas

Nama

Simbol yang digunakan oleh ahli matematik untuk mewakili nisbah lilitan bulatan kepada diameternya ialah ${\displaystyle \pi }$, huruf kecil pi dalam abjad Yunani.^[10] Pemalar tersebut mula digunakan William Jones, seorang ahli matematik dari Wales, pada tahun 1706.^[11]

Takrifan

${\displaystyle C}$ - lilitan bulatan.${\displaystyle D}$ - diameter bulatan.

${\displaystyle \pi }$ secara lazimnya ditakrifkan sebagai nisbah lilitan bulatan ${\displaystyle C}$ kepada diameternya ${\displaystyle d}$.^[12]

${\displaystyle \pi ={\frac {C}{d}}}$

Nisbah ${\displaystyle C/d}$ adalah malar, tanpa mengira saiz bulatan. Sebagai contoh, jika bulatan mempunyai dua kali diameter bulatan lain, ia juga akan mempunyai dua kali lilitan, mengekalkan nisbah ${\displaystyle C/d}$. Definisi ${\displaystyle \pi }$ ini secara tersirat menggunakan geometri Euclid; walaupun tanggapan bulatan boleh dilanjutkan ke mana-mana geometri bukan Euclid, bulatan baharu ini tidak lagi memenuhi rumusan ${\displaystyle \pi =C/d}$.^[12]

Nilai sesuatu sudut boleh diukur dengan nisbah di antara bahagian lilitan bulatan yang dirangkuminya kepada jejari bulatan tersebut, yang disebut sebagai unit radian (simbol rad). Oleh itu sudut 180^o adalah bersamaan π rad.

Di bawah, lilitan bulatan ialah panjang lengkok perimeter bulatan, suatu kuantiti yang boleh ditakrifkan secara formal tanpa geometri, menggunakan konsep had.^[13] Sebagai contoh, anda boleh mengkomput secara langsung panjang lengkung di separuh atas bulatan unit, dalam koordinat Cartes dengan persamaan, dengan kamiran;^[14]

${\displaystyle \pi =\int _{-1}^{1}{\frac {1}{\sqrt {1-x^{2}}}}\,dx}$

Kamiran seperti ini telah dicadangkan sebagai definisi ${\displaystyle \pi }$ oleh Karl Weierstrass, yang mentakrifkannya secara langsung sebagai kamiran pada tahun 1841.^[c]

Kamiran tidak lagi biasa digunakan dalam definisi analitikal pertama kerana, seperti yang dijelaskan dalam Remmert 2012, kalkulus pembezaan biasanya mendahului kalkulus kamiran dalam kurikulum universiti, jadi adalah wajar untuk mempunyai definisi ${\displaystyle \pi }$ yang tidak bergantung pada yang terakhir. Satu definisi sedemikian, disebabkan oleh Richard Baltzer^[15] dan dipopularkan oleh Edmund Landau^[16][17], adalah seperti berikut: ${\displaystyle \pi }$ ialah dua kali nombor positif terkecil di mana fungsi kosinus sama dengan 0.^[12][14][18] ${\displaystyle \pi }$ juga merupakan nombor positif terkecil di mana fungsi sinus sama dengan sifar, dan perbezaan antara sifar berturut-turut bagi fungsi sinus. Kosinus dan sinus boleh ditakrifkan secara bebas daripada geometri sebagai siri kuasa,^[19] atau sebagai penyelesaian persamaan pembezaan.^[18]

Serta itu, ${\displaystyle \pi }$ boleh ditakrifkan menggunakan sifat eksponen kompleks, ${\displaystyle \mathrm {exp} \,z}$, pemboleh ubah kompleks ${\displaystyle z}$. Seperti kosinus, eksponen kompleks boleh ditakrifkan dalam salah satu daripada beberapa cara. Set nombor kompleks di mana ${\displaystyle \mathrm {exp} \,z}$ bersamaan dengan ${\displaystyle 1}$ kemudiannya merupakan janjang aritmetik (khayal) bagi bentuk:

${\displaystyle \{\cdots ,-2\pi i,0,2\pi i,4\pi i,\cdots \}=\{2\pi ki\,|\,k\in \mathbb {Z} \}}$

...dan terdapat nombor nyata positif unik ${\displaystyle \pi }$ dengan sifat ini.^[14][20]

Variasi pada idea yang sama, menggunakan konsep matematik yang canggih bagi topologi dan algebra, ialah teorem berikut:^[21] Terdapat isomorfisme berterusan unik (sehingga automorfisme) daripada kumpulan R/Z nombor nyata di bawah integer modulo penambahan (kumpulan bulatan), ke kumpulan pendaraban nombor kompleks nilai mutlak satu. Nombor ${\displaystyle \pi }$ kemudiannya ditakrifkan sebagai separuh daripada magnitud terbitan homomorfisme ini.^[22]

Ketaknisbahan dan Kenormalan

${\displaystyle \pi }$ ialah nombor bukan nisbah, bermakna ia tidak boleh ditulis sebagai nisbah dua integer. Pecahan seperti ⁠${\displaystyle 22/7}$ dan ${\displaystyle 355/113}$ lazimnya digunakan untuk menganggarkan ${\displaystyle \pi }$, tetapi tiada pecahan sepunya (nisbah nombor bulat) boleh menjadi nilai tepatnya.^[23] Oleh kerana ${\displaystyle \pi }$ adalah tidak bernisbah, ia mempunyai bilangan digit yang tidak terhingga dalam perwakilan perpuluhannya, dan tidak menetap dalam pola digit berulang yang tidak terhingga. Terdapat beberapa bukti bahawa ${\displaystyle \pi }$ adalah tidak bernisbah; mereka biasanya memerlukan kalkulus dan bergantung pada teknik reductio ad absurdum. Tahap di mana ${\displaystyle \pi }$ boleh dianggarkan dengan nombor nisbah tidak diketahui dengan tepat; anggaran telah menetapkan bahawa ukuran tidak nisbah adalah lebih besar atau sekurang-kurangnya sama dengan ukuran ${\displaystyle e}$ tetapi lebih kecil daripada ukuran nombor Liouville.^[24]

Digit-digit ${\displaystyle \pi }$ tidak mempunyai corak yang jelas dan telah lulus ujian untuk rawak statistik, termasuk ujian untuk kenormalan; sebilangan panjang tak terhingga dipanggil normal apabila semua jujukan digit yang mungkin (dari mana-mana panjang tertentu) muncul sama kerap. Dugaan bahawa ${\displaystyle \pi }$ adalah normal masih belum dibuktikan atau disangkal.^[25]

Sejak kemunculan komputer, sejumlah besar digit ${\displaystyle \pi }$ telah tersedia untuk melakukan analisis statistik. Yasumasa Kanada telah melakukan analisis statistik terperinci pada digit perpuluhan ${\displaystyle \pi }$, dan mendapati ia konsisten dengan kenormalan; sebagai contoh, frekuensi sepuluh digit 0 hingga 9 tertakluk kepada ujian keertian statistik, dan tiada bukti corak ditemui.^[26] Mana-mana jujukan digit rawak mengandungi urutan panjang sewenang-wenangnya yang kelihatan bukan rawak, mengikut teorem monyet tak terhingga.

Maka, kerana jujukan digit ${\displaystyle \pi }$ melepasi ujian statistik untuk rawak, ia mengandungi beberapa jujukan digit yang mungkin kelihatan bukan rawak, seperti urutan enam 9 berturut-turut yang bermula pada tempat perpuluhan ke-762 bagi perwakilan perpuluhan ${\displaystyle \pi }$.^[27] Ini juga dipanggil "titik Feynman", selepas Richard Feynman, walaupun tiada kaitan dengan Feynman diketahui.

Transendensi Pi

Selain bukan nisbah, ${\displaystyle \pi }$ juga merupakan nombor transenden, yang bermaksud bahawa ia bukan penyelesaian sebarang persamaan polinomial tidak tetap dengan pekali bernisbah, seperti ${\displaystyle (x^{5}/120)-(x^{3}/6)+x=0}$.^[28] Ini berikutan daripada teorem yang dikenali sebagai teorem Lindemann–Weierstrass, yang juga menetapkan transendensi nombor Euler.

Nota penerangan

1. nama-nama lain: pemalar Archimedes (Archimedes's constant)^[1][2] atau nombor Ludolph
2. 3.14159265 dengan 8 tempat perpuluhan
3. Kamiran khusus yang digunakan Weierstrass ialah ${\displaystyle \pi =\int _{-\infty }^{\infty }{\frac {1}{1+x^{2}}}\,dx}$