威廉·向克斯的憾事與圓周率中的統計
圓周率π是圓周長與直徑的比值。公元前三世紀,古希臘著名學者阿基米德計算出π≈3.14。公元263年前後,我國魏晉時期的數學家劉徽,利用割圓術計算了圓內接正3072邊形的面積,求得π≈3927/1250=3.1416。又過了約兩百年,我國南北朝時期傑出的數學家祖沖之確定了π的真值在3.1415926與3.1415927之間。祖沖之之後的第一個重大突破,是阿拉伯數學家阿爾·卡西,他計算了圓內接和外切正3×228=805306368邊形的周長后得出:π≈3.1415926535897932
公元1610年,德國人魯道夫(1540~1610)把π算到了小數點后35位。
往後,記錄一個接一個地被刷新:1706年,π的計算越過了百位大關,1842年達到了200位,1854年突破了400位,1872年,英國學者威廉·向克斯(1812~1882)花費了整整二十個年頭把π的值算到了小數點后707位。向克斯死後,人們紀念他,就在他的墓碑上刻下了他一生心血的結晶:π的707位小數。此後半個多世紀,人們對威廉·向克斯的計算結果深信不疑,以至於在1937年巴黎博覽會發現館的天井裡,依然顯赫地刻着向克斯的π值。
又過了若干年,數學家法格遜對向克斯的計算結果產生懷疑,他認為在π的數值式中,各數碼出現的概率都應當等於1/10。於是,他統計了威廉·向克斯π的頭608位小數中,各數碼出現的情況:
法格遜覺得:向克斯計算的π,數碼出現的次數不是基本相同,可能是計算有錯。於是,他用當時最先進的計算工具,從1944年5月到1945年5月,整整算了一年,終於發現:向克斯π的707位小數中,只有前527位是正確的,由於當初向克斯沒有發現,使他白白浪費了許多年的光陰,這真是終生的憾事。法格遜的成就,基於他的一個猜想,即在π值的數值式中各數碼出現的概率相等。儘管這個猜想曾導致法格遜發現並糾正了向克斯的錯誤,然而猜想畢竟不等於事實!法格遜想驗證它,卻無能為力,人們想驗證它,又苦於已知π的位數太少。
但是情況很快有了轉機,隨着電子計算機的出現和應用,計算π的值有了飛速進展。1961年,美國學者丹尼爾和倫奇把π算到了小數點后100265位,20年後,日本人又把記錄推過了200000位大關。於是,人們的心中又重新燃起了驗證法格遜猜想的希望之火。1973年,法國學者讓·蓋尤與芳旦娜小姐合作,對π的前一百萬位小數中各數碼出現的頻率,進行了有趣的統計,得出以下結果。
從上表看出,儘管各數字出現也有某種起伏,但基本上平分秋色。看來,法格遜的想法應當是正確的!