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Pi-Formeln

Archimedes

Bereits vor Archimedes wußte man, dass das Verhältnis zwischen Kreisumfang und Durchmesser eine Konstante ist. Aber erst Archimedes zeigte einen Weg auf, wie man Näherungswerte von Pi beliebig genau berechnen konnte. Dazu malt man in und um einen Kreis reguläre Vielecke mit 6, 12, 24, 48, ... Seiten (“regulär” bedeutet, dass alle Seiten gleich lang und alle Innenwinkel gleich groß sind). Der Umfang der Vielecke, die im Kreis liegen, wird dabei immer größer. Der Umfang der Vielecke, die um den Kreis gezeichnet werden, wird immer kleiner. So konnte Archimedes den Wert von Pi eingrenzen. Er fand heraus, dass Pi größer als 3,1408 und kleiner als 3,14285 sein musste. Die unten angegebenen Formeln für den Umfang (u2n,innen) des einbeschriebenen und des umbeschriebenen (u2n,aussen) 2n-Ecks erhält man durch Anwendung des Satzes von Pythagoras und der Strahlensätze in den mit Buchstaben markierten Dreiecken. Dabei steht sn für die Seitenlänge des einbeschriebenen n-Ecks,  s2n für die Seitenlänge des einbeschriebenen 2n-Ecks und t2n für die Seitenlänge des umbeschriebenen 2n-Ecks.
Zur einfacheren Berechnung wählt man einen Kreis mit Radius 1cm. Dann ist der Umfang gleich zwei mal Pi:

Als Startwert nimmt man n=6. Wegen der Symmetrie des regulären 6-Ecks ist s6 gleich dem Radius des Umkreises, d.h. s6=1. 

Eckenzahl nSeitenlänge snPi-Näherung innenPi-Näherung aussenMittelwert
613-
120,51763809023,10582854123,21539030923,160609425
240,26105238443,13262861333,15965994213,146144278
480,13080625853,13935020303,14608621513,142718209
960,06543816563,14103195093,14271459963,141873275
1920,03272346333,14145247233,14187305003,141662761
3840,01636227923,14155760793,14166274713,141610177
7680,00818120813,14158389213,14161017663,141597034
15360,00409061263,14159046323,14159703433,141593749
30720,00204530743,14159210603,14159374883,141592927
61440,00102265383,14159251663,14159292733,141592722

Eine ausführliche Erläuterung findet man unter www.mevis-research.de/~albers/Veranstaltungen/AusgewAnw/Material/piApprox.pdf.

Eine Excel-Datei mit dem Näherungsverfahren gibt es hier.

Lambert

1766 bewies der elsässische Mathematiker Johann Heinrich Lambert (1728-177) erstmals, dass Pi eine irrationale Zahl ist. Die Irrationalität einer Zahl bedeutet, dass sie nicht als Bruch zweier ganzer Zahlen darstellbar ist. Zum Beispiel stellt der im 5. Jahrhundert vor Christus von Tsu Chhung-Chih in China gefundene Bruch 355/113=3,141592.. eine sehr gute Näherung dar, indem er Pi auf 6 Nachkommastellen genau angibt, aber er ist eben nicht gleich Pi, und auch kein anderer, aus noch so langem ganzzahligen Zähler und Nenner bestehender Bruch, kann den exakten Wert Pi ergeben.

Ramanjuan

Vorbemerkung:  Die Fakultätsfunktion ordnet einer natürlichen Zahl das Produkt aller natürlichen Zahlen kleiner oder gleich dieser Zahl zu. Sie wird durch ein dem Argument nachgestelltes Ausrufezeichen („!“) abgekürzt.

Die von dem indischen Mathematiker Srinivasa Ramanjuan (1877-1920) im Jahr 1914 gefundene Reihe beeindruckt durch ihre enorme Konvergenzgeschwindigkeit. Jedes Glied dieser Reihe liefert 8 genaue Stellen von Pi.

Wallis

John Wallis (1616-1703) fand, dass das rechts abgebildete unendliche Produkt auch Pi beträgt.

Pi-Tage an der Realschule Seelbach

Pi-Tag 2008: 20 Schüler tragen die ersten 100 Nachkommastellen auswendig vor (Artikel der Lahrer Zeitung).

Pi-Literatur

  • Delahaye, Jean-Paul: Pi - Die Story; Birkhäuser 1999; ISBN: 978-3-7643-6056-6
  • Arndt, Jörg; Haenel, Christoph: Pi - Algorithmen, Computer, Arithmetik; 3. überarb. Aufl.; Birkhäuser 2008; ISBN: 978-3-540-48246-8
  • Blatner, David: Pi, Magie einer Zahl; Rowohlt 2000; ISBN: 978-3498006099