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$e$ a 50 mil millones de decimales

Perdón si es una pregunta muy ingenua, pero en mi lectura de muchos libros de texto y artículos, se menciona mucho la cantidad de decimales que conocemos de un determinado número hoy en día, como por ejemplo $\pi$ o $e$ . Un extracto de mi libro de texto:

En 1748, Leonard Euler utilizó la suma de las series infinitas de $e$ (mencionado en el libro en una sección sobre las series de Taylor) para encontrar el valor de $e$ a 23 dígitos. En 2003, Shigeru Kondo, utilizando de nuevo la serie, calculó $e$ a 50 mil millones de decimales

Mi pregunta es por qué ¿importa cuántos decimales conocemos? ¿No es una enorme pérdida de tiempo? ¿Qué podríamos hacer con tantos decimales? Y, si $e$ puede representarse como una suma de series infinitas de $1/n!$ ¿No podemos conectar eso a un ordenador que haga un bucle con la misma ecuación pero aumentando $n$ cada iteración, y encontrar tantos decimales de $e$ como queramos?

(Una vez más, me doy cuenta de que esto puede ser una pregunta ignorante / ingenua, pero siempre he tenido curiosidad por esto)

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Lorin Hochstein Puntos 11816

Hay un par de razones por las que la gente computa $\pi$ y $e$ a tantos dígitos.

Una es simplemente que es una forma de probar el hardware. Los valores son conocidos (o pueden ser conocidos), y quieres ver si tu hardware es rápido y preciso con estos cálculos.

Otra es que en realidad hay muchas preguntas sobre las expansiones decimales de $\pi$ y $e$ (y otros números) para los que simplemente no sabemos la respuesta todavía. Por ejemplo: ¿es $\pi$ normal en base 10 ? Es decir, ¿se producirá una determinada secuencia de dígitos en su expansión decimal con la frecuencia que se espera? Más concretamente, dada una secuencia concreta de $n$ dígitos, se $$\frac{\text{number of times that the specific sequence occurs in the first $ m $ digits of $ \i $}}{m}$$ acercarse a $1/10^n$ como $m\to\infty$ (hay $10^n$ diferentes secuencias de $n$ dígitos, por lo que es lo que se esperaría si la secuencia fuera completamente aleatoria)? Aunque la respuesta no puede conocerse simplemente calculando los dígitos de $\pi$ , conocer más y más dígitos nos ayuda a ver si parece al menos plausible o no, al menos al principio. También podemos realizar otras pruebas de aleatoriedad para ver si los dígitos de $\pi$ (o $e$ ) parecen pasarla o no.

En cuanto a su pregunta sobre $e$ Sí, en principio podemos hacerlo. Pero el proceso se vuelve más y más complejo a medida que $n$ se hace más grande. Normalmente, un ordenador sólo sabe representar números que no son mayores que una determinada cantidad (dependiendo del número de bytes que utilice para representar números), por lo que hay que "explicar" al ordenador cómo manejar números grandes como $n!$ para grandes $n$ . El espacio de almacenamiento necesario para realizar los cálculos también se hace cada vez más grande. Y esa idea sólo funciona si se parte de un punto conocido. Así que mientras que teóricamente podríamos calcular $e$ a tantos dígitos como queramos, en la práctica si queremos que los cálculos terminen en algún momento antes de que el Sol se quede sin hidrógeno no podemos ir tan lejos. Hay otros algoritmos conocidos para calcular decimales de $\pi$ o $e$ que sean más rápidos, o que no requieran conocer los dígitos anteriores para averiguar el siguiente.

Y eso nos lleva a otra cosa que la gente que está computando tantos dígitos de $\pi$ y $e$ puede estar haciendo: probando algoritmos para cálculos de números grandes, para la precisión del punto flotante, o para la computación paralela (no somos muy buenos en la computación paralela, y tratar de averiguar cómo hacerlo de manera efectiva es un asunto muy importante; ideando formas de hacer cálculos como "compute $\pi$ a la $n$ La "millonésima cifra" es una forma de probar ideas para hacer computación paralela).

Eso nos lleva a un tercer interés en los cálculos: llegar a ideas matemáticas que puedan llegar rápidamente a los dígitos deseados de la expansión decimal; no porque estemos particularmente interesados en los dígitos de $\pi$ necesariamente, sino porque a menudo sont interesado en determinados dígitos de otros números. $\pi$ y $e$ son sólo puntos de referencia muy convenientes para probar cosas.

¿Por qué Euler calculó los números? Porque quería mostrar algunos de los usos de las series de Taylor; hasta ese momento, los métodos para aproximar el valor de $\pi$ eran mucho más onerosas. Ludolph van Ceulen utilizó famosamente los métodos de Arquímedes (inscribir y circunscribir polígonos en círculos) para encontrar el valor de $\pi$ a 16 decimales (y tras muchos más años de esfuerzo, a 25 lugares); esto fue a finales del siglo XVI, antes de que se supiera que $\pi$ era trascendental (o incluso antes de que la noción de ser trascendental fuera muy clara), por lo que tratar de computar $\pi$ precisamente tenía un punto. Estaba tan orgulloso del logro (dado todo el duro trabajo que había supuesto) que tenía el valor de $\pi$ que computó en su lápida. Euler demostró que las series de Taylor podían utilizarse para obtener los mismos resultados con mucho menos esfuerzo y con más precisión.

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Andrew Puntos 140

Me gustaría dar dos citas del libro El reto de los 100 dígitos de SIAM: Un estudio sobre el cálculo numérico de alta precisión que podría ayudar a explicar la motivación. Aquí está el de su capítulo sobre el cálculo de constantes a 10.000 dígitos:

Aunque este ejercicio pueda parecer frívolo, lo cierto es que hemos aprendido un de nuestros algoritmos para que funcionen eficazmente en precisión ultra alta. La recompensa es una comprensión más profunda de la teoría y a menudo un mejor algoritmo para los casos de baja precisión.

y aquí hay algo del prólogo escrito por David Bailey, uno de los pioneros de matemáticas experimentales :

Algunos se preguntarán por qué alguien se preocuparía por una precisión tan prodigiosa, cuando en el mundo físico "real", casi ninguna cantidad se conoce con una precisión más allá de unos 12 dígitos decimales. Por ejemplo, un valor de π correcto con 20 dígitos decimales bastaría para calcular la circunferencia de un círculo alrededor del sol en la órbita de la tierra con una precisión de de un átomo. Entonces, ¿por qué debería alguien preocuparse por encontrar respuestas con una precisión de 10.000 dígitos?

De hecho, el trabajo reciente en matemáticas experimentales ha proporcionado un importante en el que se necesitan resultados numéricos de muy alta precisión precisión numérica, en algunos casos con miles de dígitos decimales. En En particular, la precisión de esta escala se requiere a menudo cuando se aplican algoritmos de para descubrir nuevas identidades matemáticas. Un algoritmo de es un algoritmo que, dado $n$ números reales ( $x_i,\quad 1\leq i\leq n$ ), en forma de punto flotante de alta precisión de alta precisión, produce $n$ enteros, no todos cero, tales que $a_1x_1+a_2x_2+\cdots+a_n x_n=0$ .

El ejemplo más conocido de este tipo es el descubrimiento en 1995 de una nueva fórmula para π:

$$\pi=\sum_{k=0}^{\infty}\frac1{16^k}\left(\frac{4}{8k+1}-\frac{2}{8k+4}-\frac1{8k+5}-\frac1{8k+6}\right)$$

Esta fórmula fue hallada por un programa informático que implementa el entero PSLQ utilizando (en este caso) una precisión numérica de aproximadamente 200 dígitos. aproximadamente 200 dígitos. Este cálculo también requirió, como entrada vector real, más de 25 constantes matemáticas, cada una de ellas calculada con una precisión de 200 dígitos. de 200 dígitos. La importancia matemática de esta fórmula en particular es que permite calcular directamente los dígitos binarios o hexadecimales de π comenzando en cualquier posición arbitraria, usando un algoritmo que es muy simple, casi no requiere memoria, y no requiere aritmética de precisión múltiple.

8voto

Matt Dawdy Puntos 5479

La respuesta a tu última pregunta es no, para un determinado valor de "no". El problema de tu idea es que como $n$ se hace más grande es más difícil de calcular $n!$ por lo que se hace más difícil saber cuáles son los dígitos de $\frac{1}{n!}$ son. En otras palabras, si realmente intentara llevar a cabo su plan, descubriría rápidamente que es inviable desde el punto de vista computacional.

Así que hay que recurrir a un algoritmo más inteligente. Por tanto, ser capaz de calcular constantes con gran precisión es una medida de lo inteligentes que son nuestros algoritmos. Si tu algoritmo es más inteligente que el mío, la forma más concreta de demostrarlo es utilizarlo para calcular más dígitos en un tiempo razonable que yo. Así que, aunque probablemente sea cierto que nadie va a utilizar estos dígitos para nada (excepto, posiblemente, para verificar ciertas conjeturas), el hecho de que los conozcamos es una medida de nuestro conocimiento, tanto sobre los algoritmos como sobre $e$ . (También es una medida de lo bueno que es nuestro hardware, pero estoy tratando de enfatizar las matemáticas aquí).

Además, aquí hay un anuncio de Kondo sobre una versión más reciente de este cálculo (para $\pi$ ) y aquí están, entre otras cosas, sus razones para hacerlo .

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