
3,1415926535897932384626433832795028841972….
Pi, π
Auteur: Karel Hageman
Datum: 21-09-06
Illustraties: Karel Hageman / Karel Buskes

π, het beroemdste en meest opmerkelijke van alle getallen, is de verhouding tussen omtrek en diameter van een cirkel, en de oppervlakte van een cirkel met straal 1.
π is het enige irrationele en transcendente getal dat, al is het maar in ruwe benadering, bekend is in elke samenleving waar cirkels worden gemeten.
Een tekst in het Oude Testament houdt in dat π gelijk aan 3 zou zijn. Omstreeks 2000 v.Chr. veronderstelden de Babyloniërs dat π hetzij 3, hetzij 3,125 was. De Egtptische klerk Ahmes schreef in de papyrus Rhind, 1500 v.Chr., dat de oppervlakte van een cirkel gelijk is aan 8/9 kwadraat maal de diameter, wat voor π een waarde van 3,16049…..
betekent.
Zulke ruwe benaderingen waren precies genoeg voor primitieve handswerklieden of technici. Maar voor de Grieken, de eerste beoefenaars van de zuivere wiskunde, had π een diepere betekenis. Ze werden gefascineerd door het probleem van de kwadratuur van de cirkel. Een van de drie beroemde problemen uit de oudheid. Gevraagd wordt ,met gebruik van uitsluitend potlood, passer en liniaal, een vierkant te construeren waarvan de oppervlakte gelijk is aan die van een gegeven cirkel..

Archimedes stelde, door de berekening van de oppervlakte van regelmatige veelhoeken met 96 zijden, vast dat π ligt tussen 3,14085…. en 3,142857… Archimedes wist via andere methoden nog nauwkeuriger waarden voor π te vinden.
De laatstgenoemde waarde is 3,14285571, bij generaties schoolkinderen bekend. Het is ook de beste benadering van π die je kunt schrijven als quotiënt van twee gehele getallen onder de 100. In het tweetallig stelsel is pi 11,0010010000111111011…. Dit kan worden afgerond tot de repeterende breuk 11,001001001…., die gelijk is aan 3,14285571.
Ptolemaeus, de Griekse sterrenkundige, gebruikte 377/120 = 3,1416…., maar de volgende belangrijke verbetering kwam uit China, waar Zu Chongzi en zijn zoon stelden dat π tussen 3,1415926 en 3,1415927 ligt en de benadering 355/113 gaven. Dit is de beste benadering onder de breuken tot 103993/33102 = 3,1415927.

Het resultaat van Zu werd pas verbeterd toen Al-Kasji in de 15e eeuw de waarde in 16 decimalen gaf. De Europese wiskundigen lagen in die tijd ver achter. Finobacci, bijvoorbeeld, vond een waarde die maar in drie decimalen correct was.
In de 16e eeuw evenwel wisten de Europese wiskundigen hun achterstand in te halen en vervolgens in een voorsprong om te zetten.
De meest succesvolle en de meest geobsedeerde was Ludolf van Ceulen, die een groot deel van zijn leven aan de berekening van π wijdde. Eerst vond hij een waarde die in 20 decimalen correct was, daarna 32, tenslotte 35. Zijn laatste prestatie is niet meer tijdens zijn leven gepubliceerd, maar werd op zijn grafsteen in een kerk te Leiden gebeiteld. Toen bij het herbouwen van die kerk de grafsteen werd vernietigd, was het grafschrift al opgenomen in een beschrijving van Leiden, zodat zijn levenswerk bewaard bleef. Een minder vergankelijk monument is de naam getal van Ludolf, waarmee men in Duitsland π aanduidt.
Rond dezelfde tijd ‘ontdekte’ Adriaen Metius bij toeval Zu’s heel precieze benadering 355/113, door uit te gaan van twee grenzen die door zijn vader waren berekend, 377/120 en 333/106, en gewoon maar het gemiddelde van de tellers en de noemers te nemen. Die methode levert zeker een getal dat tussen de oorspronkelijke breuken in ligt, maar meer is er in het algemeen niet van te zeggen.
De methoden van Ludolf waren in wezen dezelfde als die van Archimedes. Door de ontwikkeling van de goniometrie kwamen veel betere methodes beschikbaar.
Snellius berekende 34 decimalen via dezelfde meetkundige bewerkingen, die Ludolf er maar 14 hadden opgeleverd, terwijl Huygens π in 9 decimalen berekende door enkel de regelmatige zeshoek te beschouwen.

Verdere vooruitgang kwam spoedig, toen begrip en gebruik van reeksen, limieten en differentiaalrekening zich onder de wiskundigen verspreidden.
Geen van de berekeningen van Ludolf of diens voorgangers had ook maar enige regelmaat in de decimale ontwikkeling van π aangetoond.Door toepassing van een vernuftige truc kon John Machin in 1706 een formule opstellen, die hem in staat stelde π in 100 decimalen te berekenen. De pogingen van Ludolf van Ceulen werden hiermee verre overtroffen.
Euler, die als eerste de Griekse letter π in de moderne betekenis gebruikte, gaf een nog indrukwekkender demonstratie van de kracht van deze nieuwe methoden door π in slechts één uur in 20 decimalen te berekenen.
Johann Lambert zette een volgende belangrijke stap voorwaarts, toen hij bewees dat π irrationaal is. Ook berekende hij, met behulp van kettingbreuken, de beste rationele benaderingen van π, van 103993 / 33102 tot niet minder dan 1019514486099146 / 3245215440032945.
Op dat moment was π al lang niet meer de verhouding van de omtrek en de diameter, maar de opgave zoveel mogelijk decimalen uit te rekenen had zijn schittering nog niet geheel verloren. Er werden zelfs nog tientallen berekeningen gepubliceerd. Een van de vlugste was die in 200 decimalen door Johann Dase (1824-1861), voltooid in minder dan twee maanden. Dase was als kind een rekenwonder geweest. Op aanbeveling van Gauss had men hem in dienst genomen om logaritmetafels en hyperbolische functies te berekenen.
In 1853 publiceerde William Shanks zijn berekeningen van π in 707 decimalen. Hij gebruikte dezelfde formule als Machin en berekende en passant verschillende logaritmen in 137 decimalen.
Dit ontlokte een Victoriaans tijdgenoot het volgende commentaar: ‘Deze geweldige berekeningen….tonen meer aan dan tot welk een arbeid en accuratesse deze of gene rekenaar in staat is. Zij tonen dat in de gemeenschap kundigheid en moed zijn toegenomen….’

Augustus de Morgan dacht in Shanks werk iets anders waar te nemen. Het cijfer 7 kwam verdacht veel minder dan de andere cijfers voor, maar 44 keer tegen een verwachtingswaarde van 61 voor elk cijfer. De Morgan berekende dat de kans op een zo kleine frequentie maar 1 op 45 was.
De Morgan, of liever gezegd William Shanks, vergiste zich. In 1945 vond Ferguson met behulp van een tafelrekenmachine, dat Shanks een fout gemaakt had. Zijn berekening was incorrect vanaf de 528e decimaal. Gelukkig was Shanks toen al lang dood.
Computers zijn natuurlijk nog tot veel meer in staat dan menselijke rekenaars. Al in 1949 berekende de ENIAC het getal π in 2037 decimalen in 70 uur – zonder vergissingen. In 1967 berekende een CDC 6600 in Frankrijk 500.000 decimalen. In 1983 produceerden de Japanners Yoshiaki Tamura en Tasumasa Kanada 16.777.216 decimalen.
Waartoe dienden zulke berekeningen? Opmerkelijk genoeg vooral om het soort onregelmatigheden te onderzoeken dat De Morgan dacht te hebben gevonden. Algemeen wordt geloofd dat π normaal is en dat in zekere zin de decimale ontwikkeling van π geen enkel patroon vertoont, dat die ontwikkeling in feite toevallig is.
Bij oppervlakkig onderzoek ziet de ontwikkeling er zeker toevallig uit, ondanks een blok van zes opeenvolgende negens op de 762e tot en met 767e plaats. Martin Gardner heeft de verklaring gegeven voor een ander ‘patroon’, dat veel vroeger optreedt. Hier zijn de 6e tot en met de 30e decimaal, enigszins gespatieerd om het patroon te benadrukken:
…26 53589 793238 46 26 43 383279…
Een stukje verderop zijn het 359e, 360e en 361e cijfer (we tellen 3 als het eerste) 3 – 6 – 0, en op dezelfde manier staat 315 rondom het 315e cijfer.
Maar zulke patronen zijn te verwachten als π werkelijk toevallig is. Elk denkbaar patroon zou dan immers vroeg of laat optreden. De rij cijfers 123456789 zou ergens moeten voorkomen! Doet hij dat? Nee, tot dusverre niet, maar dat is geen verrassing, want een armzalige 16.000.000 cijfers zijn niets vergeleken met de oneindige rij cijfers die nog komen moet…
Tussen twee haakjes. De eerste zestien miljoen cijfers voldoen aan elk criterium van willekeurigheid waarop men ze tot dusverre heeft onderzocht.
Hoe is het intussen gegaan met de Griekse ambitie de cirkel te kwadrateren? Verschillende Griekse wiskundigen dachten dat ze erin geslaagd waren, maar hun resultaten waren op zijn best goede benaderingen. De wiskundigen kwamen er uiteraard spoedig door schade en schande achter, dat het probleem ofwel uitzonderlijk moeilijk ofwel onmogelijk op te lossen was, maar hun deskundige mening plaatste nauwelijks een domper op het enthousiasme van een legioen cirkelkwadrateerders. Ze waren wel in staat de vraagstelling, maar niet de moeilijkheden te begrijpen.

Nicolaas van Cusa (1401-1464) was kardinaal en een befaamd geleerde. Volgens hem was 3,1423 de exacte waarde. Hij heeft deze vergissing echter later ten dele goed gemaakt, door een werkelijk goede goniometrische benadering te geven, die later door Snellius is gebruikt.
Josephus Scaliger was ook een geleerde van betekenis. Een briljant taalkundige met wiskundige ambities, die probeerde de kwadratuur van de cirkel te vinden. Zijn pogingen werden weerlegd door Viete.
Nog eigenaardiger is het geval van de Engelse filosoof Thomas Hobbes (1588-1679), die van Mersenne, in Parijs, iets had gehoord over de nieuwste ontwikkelingen in de wiskunde. Zijn pogingen de cirkel te kwadrateren werden weerlegd door John Wallis. Hobbes was zo dwaas Wallis hierover aan te vallen. Gedurende vijfentwintig jaar voerden zij een verbitterde polemiek, die Wallis in het geheel geen kwaad deed, maar Hobbes’ anderszins uitstekende reputatie schaadde.
Eén poging de cirkel te kwadrateren kwam bijna in de wetboeken terecht. In 1897 werd wetsontwerp nummer 246 behandeld in het Huis van Afgevaardigden van de staat Indiana. Het was gebaseerd op de pogingen de cirkel te kwadrateren van een zekere Edwin J.Goodwin, een arts maar geen wiskundige, die zijn voorstel stoutmoedig ‘Een wetsontwerp ter introductie van een nieuwe wiskundige waarheid’ had genoemd. Hoewel het zeer onbegrijpelijk en zeer absurd was, ontmoette het in eerste lezing geen bezwaren. Voor een tweede lezing kon plaatsvinden, werd het echter gestuit door tussenkomst van C.A.Waldo, een toevallig aanwezige hoogleraar wiskunde. De behandeling in tweede lezing heeft tot op heden niet plaatsgevonden!
Veel cirkelkwadrateerders lijden aan een zo ziekelijk zelfvertrouwen, dat het ras wel nimmer zal uitsterven. Voor wiskundigen echter werd het probleem van de kwadratuur van de cirkel tenslotte opgelost in 1882 door Lindemann, die bewwes dat π transcendent is, dat wil zeggen: niet de wortel is van een algebraïsche vergelijking met rationele coëfficiënten en eindig veel termen. Dit was meer dan tachtig jaar, nadat Legendre in het licht van het falen van alle pogingen de cirkel te kwadrateren, precies die mogelijkheid opperde. Daar elk met passer en liniaal te construeren getal aan zo’n vergelijking voldoet, kan een dergelijke constructie niet tot de kwadratuur van de cirkel leiden. Zoals passend is, maakte Lindemanns bewijs gebruik van de fraaie betrekking van Euler.
π had iets van zijn raadselachtigheid verloren, maar was weinig minder fascinerend geworden. Het is niet meer verrassend te ontdekken dat π bijvoorbeeld voorkomt in een vraagstuk uit de kansrekening.

Graaf Georges Buffon (1707-1788), de bioloog, die ook Newtons geschriften over differentiaalrekening in het Frans vertaalde, toonde aan dat, wanneer men een naald van enige hoogte willekeurig op een parallel gearceerd oppervlak laat vallen, terwijl de lengte van de naald gelijk is aan de onderlinge afstand van de arceringslijnen, de kans dat de naald op zo’n lijn terecht komt, gelijk is aan 2/ π.
Waarom komt π in het antwoord voor? In dit geval omdat het probleem over hoeken gaat, die verband houden met goniometrische verhoudingen, die verband houden met π . Verschillende onderzoekers hebben proefnemingen uitgevoerd om de juistheid van deze conclusie na te gaan. De Morgan schrijft, dat een van zijn leerlingen 600 maal een naald liet vallen en zo π = 3,317 verkreeg.
Tientallen reeksen hebben een som waar π in voorkomt. Dat men dit verschijnsel goed kan verklaren, maakt het nauwelijks minder fraai.
De meest recente methode voor het berekenen van π, die door Tamura en Kanada is gebruikt voor hun berekening van 16 miljoen decimalen, berust op Gauss’ onderzoek naar het rekenkundig en meetkundig gemiddelde van twee getallen. De berekening gaat niet uit van een reeks of oneindig produkt, maar vormt een iteratief proces. Dit heeft de verbazende eigenschap dat het aantal correcte decimalen ongeveer verdubbelt in elke repetitieslag, zodat de uitvoering van slechts 19 slagen meer dan een miljoen correcte decimalen van π oplevert.