На этой неделе мы получили от одного из подписчиков Facebook вопрос, сколько знаков после запятой математической константы пи (π) учёные и инженеры НАСА используют в вычислениях.
Использует ли JPL значение 3,14 для пи? Или вы используете больше десятичных знаков, вроде такого:
3,1415926535897932384626433832795028841971693993751058209749445
923078164062862089986280348253421170679821480865132823066470938
446095505822317253594081284811174502841027019385211055596446229
489549303819644288109756659334461284756482337867831652712019091
456485669234603486104543266482133936072602491412737245870066063
15588174881520920962829254091715364367892590360
Мы направили этот вопрос руководителю и главному инженеру миссии Dawn Марку Рейману (Marc Rayman). Вот что он сказал.
«Спасибо за ваш вопрос! Его задают не первый раз. На самом деле, такой вопрос задал много лет назад один шестиклассник, любитель науки и космонавтики, которому позже посчастливилось получить степень по физике и работу по исследованию космоса. Его имя Марк Рейман.
Для начала, отвечу прямо. В лаборатории реактивного движения (JPL) для наивысшей точности расчётов в межпланетной навигации мы используем значение 3,141592653589793, то есть 15 знаков после запятой. Давайте разберёмся, почему не больше десятичных знаков. Думаю, что вообще не существует каких-либо физически реалистичных вычислений, для которых учёным нужно было включать большее количество знаков после запятой, чем здесь. Рассмотрим такие примеры.
1. Самый дальний от Земли космический аппарат Voyager 1 находится на расстоянии около 20 млрд км. Вообразим окружность с радиусом такого размера, то есть 40 млрд км в диаметре, для которой мы хотим вычислить длину по формуле 2πR. Получается чуть больше 125 млрд км. Нам не нужно заостряться на том, какая точная длина окружности (можете умножить сами, если хотите), нас интересует погрешность измерения за счёт округления до 15-ти знаков. Так вот, выходит, что длина с округлением константы до 15-ти знаков вычисляется с погрешностью менее 4 сантиметров. Подумайте об этом. У нас длина в 125 млрд км, а погрешность меньше вашего мизинца.
2. Можем изучить проблему на примере Земли. Диаметр на экваторе 12 756 км. Окружность экватора 40 075 км. Такое расстояние придётся преодолеть, если захотите пойти в кругосветное путешествие (не считая гор, долин и препятствий вроде зданий, стоянок, океанских волн и т.д.). Насколько ошибётся ваш одометр при использовании округлённого значения пи? Он ошибётся примерно на размер молекулы. Конечно, есть разные виды молекул, которые отличаются по размеру, но вы поняли мысль. Размер погрешности примерно в 10 000 меньше толщины волоса.
3. Давайте возьмём максимально большой объект: видимую Вселенную. Её радиус примерно 46 млрд световых лет. А теперь такой вопрос: сколько десятичных знаков пи нужно использовать, чтобы вычислить окружность Вселенной с погрешностью не больше диаметра атома водорода (самого маленького атома)? Ответ: вам понадобится 39 или 40 знаков после запятой. Если вы подумаете, насколько огромна Вселенная — по-настоящему больше, чем мы можем даже понять — и какой крохотный атом водорода, то поймёте, что для реально точных вычислений не требуется много десятичных знаков пи».
Статьи Марка Реймана можно почитать в журнале Dawn Journal, где он ежемесячно рассказывает о миссии исследовательского аппарата Dawn, который сейчас исследует карликовую планету Церера.
Примечание. Всемирный день Пи отмечали 14 марта (3.14), но его вполне можно отметить второй раз 22 июля, потому что 22/7 даже ближе к реальному значению пи, чем 3,14.
Примечание 2. Иррациональное число пи является примером источника случайных чисел. Случайность десятичных знаков подтверждена всеми статистическими и криптографическими тестами. К прошлому дню Пи Стивен Вольфрам запустил сайт Find Your Pi Day, который показывает, в каком именно месте числа пи встречается ваш день рождения (или другое число).