home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Danny Amor's Online Library / Danny Amor's Online Library - Volume 1.iso / html / faqs / faq / sci-math-faq / part1 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1995-07-25  |  26.5 KB  |  659 lines

  1. Subject: sci.math: Frequently Asked Questions [1/3]
  2. Newsgroups: sci.math,sci.answers,news.answers
  3. From: alopez-o@maytag.uwaterloo.ca (Alex Lopez-Ortiz)
  4. Date: Wed, 5 Oct 1994 15:36:37 GMT
  5.  
  6. Archive-Name: sci-math-faq/part1
  7. Last-modified: June 27, 1994
  8. Version: 5.0
  9.  
  10.  
  11. This is the list of Frequently Asked Questions for sci.math (version 5.0).
  12. Any contributions/suggestions/corrections are most welcome. Please use
  13. * e-mail * on any comment concerning the FAQ list.
  14.  
  15.  
  16. Section 1 of 3, questions 1Q to 5Q.
  17.  
  18.  
  19.              Table of Contents
  20.              -----------------
  21.  
  22.  1Q.- Fermat's Last Theorem, status of ..
  23.  2Q.- Values of Record Numbers
  24.  3Q.- Formula for prime numbers...
  25.  4Q.- Digits of Pi, computation and references
  26.  5Q.- Odd Perfect Number
  27.  6Q.- Computer Algebra Systems, application of ..
  28.  7Q.- Computer Algebra Systems, references to ..
  29.  8Q.- Fields Medal, general info ..
  30.  9Q.- Four Colour Theorem, proof of ..
  31. 10Q.- 0^0=1. A comprehensive approach
  32. 11Q.- 0.999... = 1. Properties of the real numbers ..
  33. 12Q.- There are three doors, The Monty Hall problem, Master Mind and
  34.       other games ..
  35. 13Q.- Surface and Volume of the n-ball
  36. 14Q.- f(x)^f(x)=x, name of the function ..
  37. 15Q.- Projective plane of order 10 ..
  38. 16Q.- How to compute day of week of a given date
  39. 17Q.- Axiom of Choice and/or Continuum Hypothesis?
  40. 18Q.- Cutting a sphere into pieces of larger volume
  41. 19Q.- Pointers to Quaternions
  42. 20Q.- Erdos Number
  43. 21Q.- Why is there no Nobel in mathematics?
  44. 22Q.- General References and textbooks...
  45. 23Q.- Interest Rate...
  46. 24Q.- Euler's formula e^(i Pi) = - 1 ...
  47.  
  48.  
  49. 1Q:  What is the current status of Fermat's last theorem?
  50.  
  51.  
  52. and
  53.  
  54.     Did Fermat prove this theorem? 
  55.       
  56.    
  57.     Fermat's Last Theorem:
  58.  
  59.     There are no positive integers x,y,z, and n > 2 such that x^n + y^n = z^n.
  60.  
  61.     I heard that <insert name here> claimed to have proved it but later
  62.     on the proof was found to be wrong. ...
  63.  
  64. A:  The status of FLT has remained remarkably constant.  Every few
  65.     years, someone claims to have a proof ... but oh, wait, not quite.
  66.  
  67.     UPDATE... UPDATE... UPDATE
  68.  
  69.     Andrew Wiles, a researcher at Princeton, Cambridge claims to have 
  70.     found a proof. 
  71.  
  72.     SECOND UPDATE...
  73.  
  74.     A mistake has been found. Wiles is working on it. People remain
  75.     mildly optimistic about his chances of fixing the error.
  76.   
  77.     The proposed proof goes like this:
  78.  
  79.     The proof was presented in Cambridge, UK during a three day seminar 
  80.     to an audience including some of the leading experts in the field.
  81.  
  82.     The manuscript has been submitted to INVENTIONES MATHEMATICAE, and
  83.     is currently under review.  Preprints are not available until the
  84.     proof checks out.  Wiles is giving a full seminar on the proof this
  85.     spring.
  86.  
  87.     The proof is long and cumbersome, but here are some of the first
  88.     few details:
  89.  
  90.     *From Ken Ribet:
  91.  
  92.     Here is a brief summary of what Wiles said in his three lectures.
  93.  
  94.     The method of Wiles borrows results and techniques from lots and lots
  95.     of people.  To mention a few: Mazur, Hida, Flach, Kolyvagin, yours
  96.     truly, Wiles himself (older papers by Wiles), Rubin...  The way he does
  97.     it is roughly as follows.  Start with a mod p representation of the
  98.     Galois group of Q which is known to be modular.  You want to prove that
  99.     all its lifts with a certain property are modular.  This means that the
  100.     canonical map from Mazur's universal deformation ring to its "maximal
  101.     Hecke algebra" quotient is an isomorphism.  To prove a map like this is
  102.     an isomorphism, you can give some sufficient conditions based on
  103.     commutative algebra.  Most notably, you have to bound the order of a
  104.     cohomology group which looks like a Selmer group for Sym^2 of the
  105.     representation attached to a modular form.  The techniques for doing
  106.     this come from Flach; you also have to use Euler systems a la
  107.     Kolyvagin, except in some new geometric guise.
  108.  
  109.     CLARIFICATION: This step in Wiles' manuscript, the Selmer group
  110.     bound, is currently considered to be incomplete by the reviewers.
  111.     Yet the reviewers (or at least those who have gone public) have
  112.     confidence that Wiles will fill it in.  (Note that such gaps are
  113.     quite common in long proofs.  In this particular case, just such
  114.     a bound was expected to be provable using Kolyvagin's techniques,
  115.     independently of anyone thinking of modularity.  In the worst of
  116.     cases, and the gap is for real, what remains has to be recast, but
  117.     it is still extremely important number theory breakthrough work.)
  118.  
  119.  
  120.     
  121.     If you take an elliptic curve over Q, you can look at the
  122.     representation of Gal on the 3-division points of the curve.  If you're
  123.     lucky, this will be known to be modular, because of results of Jerry
  124.     Tunnell (on base change).  Thus, if you're lucky, the problem I
  125.     described above can be solved (there are most definitely some
  126.     hypotheses to check), and then the curve is modular.  Basically, being
  127.     lucky means that the image of the representation of Galois on
  128.     3-division points is GL(2,Z/3Z).
  129.     
  130.     Suppose that you are unlucky, i.e., that your curve E has a rational
  131.     subgroup of order 3.  Basically by inspection, you can prove that if it
  132.     has a rational subgroup of order 5 as well, then it can't be
  133.     semistable.  (You look at the four non-cuspidal rational points of
  134.     X_0(15).)  So you can assume that E[5] is "nice." Then the idea is to
  135.     find an E' with the same 5-division structure, for which E'[3] is
  136.     modular.  (Then E' is modular, so E'[5] = E[5] is modular.)  You
  137.     consider the modular curve X which parameterizes elliptic curves whose
  138.     5-division points look like E[5].  This is a "twist" of X(5).  It's
  139.     therefore of genus 0, and it has a rational point (namely, E), so it's
  140.     a projective line.  Over that you look at the irreducible covering
  141.     which corresponds to some desired 3-division structure.  You use
  142.     Hilbert irreducibility and the Cebotarev density theorem (in some way
  143.     that hasn't yet sunk in) to produce a non-cuspidal rational point of X
  144.     over which the covering remains irreducible.  You take E' to be the
  145.     curve corresponding to this chosen rational point of X.
  146.     
  147.     
  148.     *From the previous version of the FAQ:
  149.     
  150.     (b) conjectures arising from the study of elliptic curves and
  151.     modular forms. -- The Taniyama-Weil-Shmimura conjecture.
  152.      
  153.     There is a very important and well known conjecture known as the
  154.     Taniyama-Weil-Shimura conjecture that concerns elliptic curves.
  155.     This conjecture has been shown by the work of Frey, Serre, Ribet,
  156.     et. al. to imply FLT uniformly, not just asymptotically as with the
  157.     ABC conj.
  158.     
  159.     The conjecture basically states that all elliptic curves can be
  160.     parameterized in terms of modular forms. 
  161.  
  162.     There is new work on the arithmetic of elliptic curves. Sha, the
  163.     Tate-Shafarevich group on elliptic curves of rank 0 or 1. By the way
  164.     an interesting aspect of this work is that there is a close 
  165.     connection between Sha, and some of the classical work on FLT. For
  166.     example, there is a classical proof that uses infinite descent to
  167.     prove FLT for n = 4. It can be shown that there is an elliptic curve
  168.     associated with FLT and that for n=4, Sha is trivial. It can also be
  169.     shown that in the cases where Sha is non-trivial, that 
  170.     infinite-descent arguments do not work; that in some sense 'Sha
  171.     blocks the descent'. Somewhat more technically, Sha is an
  172.     obstruction to the local-global principle [e.g. the Hasse-Minkowski
  173.     theorem].
  174.  
  175.     *From Karl Rubin:
  176.  
  177.     Theorem.  If E is a semistable elliptic curve defined over Q,
  178.       then E is modular.
  179.  
  180.     It has been known for some time, by work of Frey and Ribet, that
  181.     Fermat follows from this.  If u^q + v^q + w^q = 0, then Frey had
  182.     the idea of looking at the (semistable) elliptic curve
  183.     y^2 = x(x-a^q)(x+b^q).  If this elliptic curve comes from a modular
  184.     form, then the work of Ribet on Serre's conjecture shows that there
  185.     would have to exist a modular form of weight 2 on Gamma_0(2).  But
  186.     there are no such forms.
  187.     
  188.     To prove the Theorem, start with an elliptic curve E, a prime p and let
  189.     
  190.          rho_p : Gal(Q^bar/Q) -> GL_2(Z/pZ)
  191.     
  192.     be the representation giving the action of Galois on the p-torsion
  193.     E[p].  We wish to show that a _certain_ lift of this representation
  194.     to GL_2(Z_p) (namely, the p-adic representation on the Tate module
  195.     T_p(E)) is attached to a modular form.  We will do this by using
  196.     Mazur's theory of deformations, to show that _every_ lifting which
  197.     'looks modular' in a certain precise sense is attached to a modular form.
  198.     
  199.     Fix certain 'lifting data', such as the allowed ramification,
  200.     specified local behavior at p, etc. for the lift. This defines a
  201.     lifting problem, and Mazur proves that there is a universal
  202.     lift, i.e. a local ring R and a representation into GL_2(R) such
  203.     that every lift of the appropriate type factors through this one.
  204.     
  205.     Now suppose that rho_p is modular, i.e. there is _some_ lift
  206.     of rho_p which is attached to a modular form.  Then there is
  207.     also a hecke ring T, which is the maximal quotient of R with the
  208.     property that all _modular_ lifts factor through T.  It is a
  209.     conjecture of Mazur that R = T, and it would follow from this
  210.     that _every_ lift of rho_p which 'looks modular' (in particular the
  211.     one we are interested in) is attached to a modular form.
  212.     
  213.     Thus we need to know 2 things:
  214.  
  215.       (a)  rho_p is modular
  216.       (b)  R = T.
  217.     
  218.     It was proved by Tunnell that rho_3 is modular for every elliptic
  219.     curve.  This is because PGL_2(Z/3Z) = S_4.  So (a) will be satisfied
  220.     if we take p=3.  This is crucial.
  221.     
  222.     Wiles uses (a) to prove (b) under some restrictions on rho_p.  Using
  223.     (a) and some commutative algebra (using the fact that T is Gorenstein,
  224.     'basically due to Mazur')  Wiles reduces the statement T = R to
  225.     checking an inequality between the sizes of 2 groups.  One of these
  226.     is related to the Selmer group of the symmetric square of the given
  227.     modular lifting of rho_p, and the other is related (by work of Hida)
  228.     to an L-value.  The required inequality, which everyone presumes is
  229.     an instance of the Bloch-Kato conjecture, is what Wiles needs to verify.
  230.     
  231.     He does this using a Kolyvagin-type Euler system argument.  This is
  232.     the most technically difficult part of the proof, and is responsible
  233.     for most of the length of the manuscript.  He uses modular
  234.     units to construct what he calls a 'geometric Euler system' of
  235.     cohomology classes.  The inspiration for his construction comes
  236.     from work of Flach, who came up with what is essentially the
  237.     'bottom level' of this Euler system.  But Wiles needed to go much
  238.     farther than Flach did.  In the end, _under_certain_hypotheses_ on rho_p
  239.     he gets a workable Euler system and proves the desired inequality.
  240.     Among other things, it is necessary that rho_p is irreducible.
  241.     
  242.     Suppose now that E is semistable.
  243.     
  244.     Case 1.  rho_3 is irreducible.
  245.     Take p=3.  By Tunnell's theorem (a) above is true.  Under these
  246.     hypotheses the argument above works for rho_3, so we conclude
  247.     that E is modular.
  248.     
  249.     Case 2.  rho_3 is reducible.
  250.     Take p=5.  In this case rho_5 must be irreducible, or else E
  251.     would correspond to a rational point on X_0(15).  But X_0(15)
  252.     has only 4 noncuspidal rational points, and these correspond to
  253.     non-semistable curves.  _If_ we knew that rho_5 were modular,
  254.     then the computation above would apply and E would be modular.
  255.     
  256.     We will find a new semistable elliptic curve E' such that
  257.     rho_{E,5} = rho_{E',5} and rho_{E',3} is irreducible.  Then
  258.     by Case I, E' is modular.  Therefore rho_{E,5} = rho_{E',5}
  259.     does have a modular lifting and we will be done.
  260.     
  261.     We need to construct such an E'.  Let X denote the modular
  262.     curve whose points correspond to pairs (A, C) where A is an
  263.     elliptic curve and C is a subgroup of A isomorphic to the group
  264.     scheme E[5].  (All such curves will have mod-5 representation
  265.     equal to rho_E.)  This X is genus 0, and has one rational point
  266.     corresponding to E, so it has infinitely many.  Now Wiles uses a
  267.     Hilbert Irreducibility argument to show that not all rational
  268.     points can be images of rational points on modular curves
  269.     covering X, corresponding to degenerate level 3 structure
  270.     (i.e. im(rho_3) not GL_2(Z/3)).  In other words, an E' of the
  271.     type we need exists.  (To make sure E' is semistable, choose
  272.     it 5-adically close to E.  Then it is semistable at 5, and at
  273.     other primes because rho_{E',5} = rho_{E,5}.)
  274.  
  275.    
  276.     Referencesm:
  277.  
  278.  
  279.     American Mathematical Monthly
  280.     January 1994.
  281.  
  282.     Notices of the AMS, Februrary 1994.    
  283.  
  284.     
  285. 2Q:  What are the values of:
  286.  
  287.  
  288. largest known Mersenne prime?
  289.  
  290. A:  2^859433-1 is prime. It was discovered in 1994.
  291.  
  292.     
  293. largest known prime?
  294.  
  295. A:  The largest known prime is the Mersenne prime described above.
  296.     The largest known non-Mersenne prime, is 391581*2^216193-1. 
  297.     See Brown, Noll, Parady, Smith, Smith, and Zarantonello, Letter to
  298.     the editor, American Mathematical Monthly, vol. 97, 1990, p. 214.
  299.     Throughout history, the largest known prime has almost always been
  300.     a Mersenne prime; the period between Brown et al's discovery in 
  301.     Aug 1989 and Slowinski & Gage's in March 1992 is one of the few 
  302.     exceptions.
  303.  
  304.     
  305. largest known twin primes?
  306.     
  307. A:   The largest known twin primes are 1691232 * 1001 * 10^4020 +- 1,
  308.      which is a number with 4030 digits, found by H. Dubner.
  309.  
  310.     The second largest known twin primes are 4650828 * 1001 * 10^3429 +- 1.
  311.     They were found by H. Dubner
  312.  
  313.     References:
  314.  
  315.     B. K. Parady and J. F. Smith and S. E. Zarantonello,
  316.     Smith, Noll and Brown.
  317.     Largest known twin primes, Mathematics of Computation,
  318.     vol.55, 1990, pp. 381-382. 
  319.  
  320.  
  321. largest Fermat number with known factorization?
  322.  
  323. A:  F_11 = (2^(2^11)) + 1 which was  factored by Brent & Morain in
  324.     1988. F9 = (2^(2^9)) + 1 = 2^512 + 1 was factored by 
  325.     A.K. Lenstra, H.W. Lenstra Jr., M.S. Manasse & J.M. Pollard
  326.     in 1990. The factorization for F10 is NOT known.
  327.  
  328.  
  329. Are there good algorithms to factor a given integer?
  330.  
  331. A:  There are several that have subexponential estimated 
  332.     running time, to mention just a few:
  333.  
  334.         Continued fraction algorithm,
  335.         Class group method,
  336.         Quadratic sieve algorithm,
  337.         Elliptic curve algorithm,
  338.         Number field sieve,
  339.         Dixon's random squares algorithm,
  340.         Valle's two-thirds algorithm,
  341.         Seysen's class group algorithm,
  342.  
  343.     A.K. Lenstra, H.W. Lenstra Jr., "Algorithms in Number Theory",
  344.     in: J. van Leeuwen (ed.), Handbook of Theoretical Computer 
  345.     Science, Volume A: Algorithms and Complexity, Elsevier, pp. 
  346.     673-715, 1990.
  347.  
  348.  
  349. List of record numbers?
  350.  
  351. A:  Chris Caldwell maintains a list called The Largest Known Primes.
  352.     Finger primes@math.utm.edu for a few record primes and ways to get the
  353.     e-mail you the lists, but prefers you use the other methods.
  354.     different forms of this list.  Currently the list is available
  355.     by anonymous ftp to math.utm.edu (directory /pub/math/primes) and by
  356.     gopher to unix1.utm.edu (directory 1/user/Public_FTP/pub/math/primes).
  357.     If nothing else works, you may send e-mail to Chris for a copy
  358.     of the lists. (caldwell@utm.edu or caldwell@utmartn.bitnet).
  359.  
  360.  
  361. What is the current status on Mersenne primes?
  362.  
  363. A:  Mersenne primes are primes of the form 2^p-1. For 2^p-1 to be prime 
  364.     we must have that p is prime. The following Mersenne primes are
  365.     known.
  366.  
  367.     nr            p                                 year  by
  368.     -----------------------------------------------------------------
  369.      1-5   2,3,5,7,13                    in or before the middle ages
  370.      6-7       17,19                     1588  Cataldi
  371.      8          31                       1750  Euler
  372.      9          61                       1883  Pervouchine
  373.     10          89                       1911  Powers
  374.     11          107                      1914  Powers
  375.     12          127                      1876  Lucas
  376.     13-14       521,607                  1952  Robinson
  377.     15-17       1279,2203,2281           1952  Lehmer
  378.     18          3217                     1957  Riesel
  379.     19-20       4253,4423                1961  Hurwitz & Selfridge
  380.     21-23       9689,9941,11213          1963  Gillies
  381.     24          19937                    1971  Tuckerman
  382.     25          21701                    1978  Noll & Nickel
  383.     26          23209                    1979  Noll
  384.     27          44497                    1979  Slowinski & Nelson
  385.     28          86243                    1982  Slowinski
  386.     29          110503                   1988  Colquitt & Welsh jr.
  387.     30          132049                   1983  Slowinski
  388.     31          216091                   1985  Slowinski
  389.     32?         756839                   1992  Slowinski & Gage
  390.     33?         859433              1993  Slowinski.
  391.  
  392.  
  393.  
  394.     The way to determine if 2^p-1 is prime is to use the Lucas-Lehmer 
  395.     test:
  396.  
  397.       Lucas_Lehmer_Test(p):
  398.          u := 4
  399.          for i from 3 to p do
  400.             u := u^2-2 mod 2^p-1
  401.          od
  402.          if u == 0 then
  403.             2^p-1 is prime
  404.          else
  405.             2^p-1 is composite
  406.          fi
  407.  
  408.     The following ranges have been checked completely:
  409.      2 - 355K,k 360K-386K, and  430K - 520K
  410.  
  411.     More on Mersenne primes and the Lucas-Lehmer test can be found in:
  412.  
  413.      G.H. Hardy, E.M. Wright, An introduction to the theory of numbers,
  414.      fifth edition, 1979, pp. 16, 223-225.
  415.  
  416.  
  417.  
  418. 3Q.-  Formula for prime numbers...
  419.  
  420.  
  421.      Is there a polynomial which gives all the prime numbers?
  422.  
  423.       No, there is not. This is a simple exercise to prove.
  424.  
  425.      Is there a non-constant polynomial that only takes on prime values?
  426.  
  427.       It has been proved that no such polynomial exists.
  428.  
  429.       The proof is simple enough that an high school student could probably
  430.       discover it.  See, for example, Ribenboim's book _The Book of Prime
  431.       Number Records_.
  432.  
  433.      Note, however, by the work of Jones, Sato, Wada, and Wiens, there *is* a
  434.      polynomial in 26 variables such that the set of primes coincides with
  435.      the set of *positive* values taken by this polynomial.  See Ribenboim,
  436.      pp. 147-150.
  437.  
  438.      But most people would object to the term "formula" restricted to mean
  439.      polynomial.  Can we not use summation signs, factorial, and the floor
  440.      function in our "formula"?  If so, then indeed, there *are* formulas
  441.      for the prime numbers.  Some of them are listed below.
  442.  
  443.      If we can't, then exactly what operations do you allow and why?
  444.  
  445.      Indeed, as I have previously argued, a reasonable interpretation of
  446.      the word "formula" is simply "Turing machine that halts on all inputs".
  447.      Under this interpretation, there certainly are halting Turing machines
  448.      which compute the n'th prime number.  However, nobody knows how to
  449.      compute the n'th prime in time polynomial in log n.  That's still
  450.      an open question.
  451.  
  452.      Herb Wilf has addressed the question, "What is a formula?" in his
  453.      delightful article, "What is an answer?" which appeared in the
  454.      American Mathematical Monthly, 89 (1982), 289-292.  He draws the
  455.      distinction between "formula" and "good formula".  Anyone who claims
  456.      "there is no formula for the prime numbers" should read this article.
  457.  
  458.      Here are just a few articles that discuss "formulas" for primes.  Almost
  459.      all of these do *not* require computation of the primes "ahead of time".
  460.      Most of them rely on standard mathematical functions such as summation,
  461.      factorial, greatest integer function, etc.
  462.  
  463.  
  464.        C. Isenkrahe, Math. Annalen  53 (1900), 42-44.
  465.  
  466.        W. H. Mills, Bull. Amer. Math. Soc. 53 (1947), 604.
  467.  
  468.        L. Moser, Math. Mag. 23 (1950), 163-164.
  469.  
  470.        E. M. Wright, Amer. Math. Monthly 58 (1951), 616-618.  (Correction,
  471.       59 (1952), 99.)
  472.  
  473.        E. M. Wright, J. Lond. Math. Soc. 29 (1954), 63-71.
  474.  
  475.        B. R. Srinivasan, J. Indian Math. Soc. 25 (1961), 33-39.
  476.  
  477.        C. P. Willans, Math. Gazette 48 (1964), 413-415.
  478.  
  479.        V. C. Harris, Nordisk Mat. Tidskr. 17 (1969), 82.
  480.  
  481.        U. Dudley, Amer. Math. Monthly 76 (1969), 23-28.
  482.  
  483.        C. Vanden Eynden, Amer. Math. Monthly 79 (1972), 625.
  484.  
  485.        S. W. Golomb, Amer. Math. Monthly 81 (1974), 752-754.
  486.  
  487.  
  488.       For more references see
  489.  
  490.        J.O. Shallit, E. Bach, _Algorithmic Number Theory_ (to be published,
  491.        MIT Press).
  492.  
  493.  
  494. 4Q:  Where I can get pi up to a few hundred thousand digits of pi? 
  495.     Does anyone have an algorithm to compute pi to those zillion 
  496.     decimal places?
  497.  
  498.  
  499. A:  MAPLE or MATHEMATICA can give you 10,000 digits of Pi in a blink,
  500.     and they can compute another 20,000-1,000,000 overnight (range depends
  501.     on hardware platform).
  502.  
  503.     It is possible to retrieve 1.25+ million digits of pi via anonymous
  504.     ftp from the site wuarchive.wustl.edu, in the files pi.doc.Z and
  505.     pi.dat.Z which reside in subdirectory doc/misc/pi.
  506.  
  507.     New York's Chudnovsky brothers have computed 2 billion digits of pi
  508.     on a homebrew computer.
  509.  
  510.     How is pi calculated to many decimals ?
  511.  
  512.     There are essentially 3 different methods.
  513.  
  514.      1) One of the oldest is to use the power series expansion of atan(x)
  515.      atan(x)=x-x^3/3+x^5/5-... together with formulas like
  516.      pi=16*atan(1/5)-4*atan(1/239). This gives about 1.4 decimals per term.
  517.  
  518.      2) A second is to use formulas coming from Arithmetic-Geometric mean
  519.      computations. A beautiful compendium of such formulas is given in the
  520.      book of Borwein and Borwein: Pi and the AGM, Canadian Math. Soc. Series,
  521.      John Wiley and Sons, New York, 1987. They have the advantage of converging
  522.      quadratically, i.e. you double the number of decimals per iteration.
  523.      For instance, to obtain 1 000 000 decimals, around 20 iterations are
  524.      sufficient. The disadvantage is that you need FFT type multiplication
  525.      to get a reasonable speed, and this is not so easy to program.
  526.  
  527.      3) A third one comes from the theory of complex multiplication of elliptic
  528.      curves, and was discovered by S. Ramanujan. This gives a number of 
  529.      beautiful formulas, but the most useful was missed by Ramanujan and 
  530.      discovered by the Chudnovsky's. It is the following (slightly modified 
  531.      for ease of programming):
  532.  
  533.      Set k1=545140134;k2=13591409;k3=640320;k4=100100025;k5=327843840;k6=53360;
  534.  
  535.      Then in AmsTeX notation
  536.      
  537.      $\pi=\frac{k6\sqrt(k3)}{S}$, where
  538.  
  539.      $$S=\sum_{n=0}^\infty (-1)^n\frac{(6n)!(k2+nk1)}{n!^3(3n)!(8k4k5)^n}$$
  540.  
  541.      The great advantages of this formula are that
  542.  
  543.      1) It converges linearly, but very fast (more than 14 decimal digits per
  544.      term).
  545.     
  546.      2) The way it is written, all operations to compute S can be programmed
  547.      very simply since it only involves multiplication/division by single
  548.      precision numbers. This is why the constant 8k4k5 appearing in the 
  549.      denominator has been written this way instead of 262537412640768000.
  550.  
  551.      This is how the Chudnovsky's have computed several billion decimals.
  552.  
  553.      Question: how can I get a C program which computes pi?
  554.  
  555.      Answer: if you are too lazy to use the hints above, you can use the
  556.      following 160 character C program (reportedly by Dik T. Winter) which
  557.      computes pi to 800 decimal digits. 
  558.  
  559.      int a=10000,b,c=2800,d,e,f[2801],g;main(){for(;b-c;)f[b++]=a/5;
  560.      for(;d=0,g=c*2;c-=14,printf("%.4d",e+d/a),e=d%a)for(b=c;d+=f[b]*a,
  561.      f[b]=d%--g,d/=g--,--b;d*=b);}
  562.  
  563.  
  564.  
  565.  
  566.     References :
  567.  
  568.     J. M. Borwein, P. B. Borwein, and D. H. Bailey, "Ramanujan,
  569.     Modular Equations, and Approximations to Pi", American Mathematical
  570.     Monthly, vol. 96, no. 3 (March 1989), p. 201 - 220.
  571.  
  572.     P. Beckman
  573.     A history of pi
  574.     Golem Press, CO, 1971 (fourth edition 1977)
  575.  
  576.     J.M. Borwein and P.B. Borwein
  577.     The arithmetic-geometric mean and fast computation of elementary
  578.     functions
  579.     SIAM Review, Vol. 26, 1984, pp. 351-366
  580.  
  581.     J.M. Borwein and P.B. Borwein
  582.     More quadratically converging algorithms for pi
  583.     Mathematics of Computation, Vol. 46, 1986, pp. 247-253
  584.  
  585.     J.M. Borwein and P.B. Borwein
  586.     Pi and the AGM - a study in analytic number theory and
  587.     computational complexity
  588.     Wiley, New York, 1987
  589.  
  590.     Shlomo Breuer and Gideon Zwas
  591.     Mathematical-educational aspects of the computation of pi
  592.     Int. J. Math. Educ. Sci. Technol., Vol. 15, No. 2, 1984,
  593.     pp. 231-244
  594.  
  595.     David Chudnovsky and Gregory Chudnovsky
  596.     The computation of classical constants, Columbia University, 
  597.     Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Vol. 86, 1989.
  598.  
  599.     Y. Kanada and Y. Tamura
  600.     Calculation of pi to 10,013,395 decimal places based on the
  601.     Gauss-Legendre algorithm and Gauss arctangent relation
  602.     Computer Centre, University of Tokyo, 1983
  603.  
  604.     Morris Newman and Daniel Shanks
  605.     On a sequence arising in series for pi
  606.     Mathematics of computation, Vol. 42, No. 165, Jan 1984,
  607.     pp. 199-217
  608.  
  609.     E. Salamin
  610.     Computation of pi using arithmetic-geometric mean
  611.     Mathematics of Computation, Vol. 30, 1976, pp. 565-570
  612.  
  613.     David Singmaster
  614.     The legal values of pi
  615.     The Mathematical Intelligencer, Vol. 7, No. 2, 1985
  616.  
  617.     Stan Wagon
  618.     Is pi normal?
  619.     The Mathematical Intelligencer, Vol. 7, No. 3, 1985
  620.  
  621.  
  622.  
  623. 5Q:  Does there exist a number that is perfect and odd?
  624.  
  625.     A given number is perfect if it is equal to the sum of all its proper
  626.     divisors. This question was first posed by Euclid in ancient Greece.
  627.     This question is still open.  Euler proved that if  N  is an odd
  628.     perfect number, then in the prime power decomposition of N, exactly
  629.     one exponent is congruent to 1 mod 4 and all the other exponents are
  630.     even. Furthermore, the prime occurring to an odd power must itself be
  631.     congruent to 1 mod 4.  A sketch of the proof appears in Exercise 87,
  632.     page 203 of Underwood Dudley's Elementary Number Theory, 2nd ed.
  633.     It has been shown that there are no odd perfect numbers < 10^300.
  634.  
  635.  
  636.  
  637. Copyright Notice
  638.  
  639. Copyright (c) 1993   A. Lopez-Ortiz
  640.  
  641.   This FAQ is Copyright (C) 1994 by Alex Lopez-Ortiz. This text,
  642.   in whole or in part, may not be sold in any medium, including,
  643.   but not limited to electronic, CD-ROM, or published in print,
  644.   without the explicit, written permission of Alex Lopez-Ortiz.
  645.  
  646.  
  647. --------------------------------------------------------------------------
  648. Questions and Answers Edited and Compiled by:
  649.  
  650. Alex Lopez-Ortiz                              alopez-o@maytag.UWaterloo.ca
  651. Department of Computer Science                      University of Waterloo
  652. Waterloo, Ontario                                                   Canada
  653. -- 
  654. Alex Lopez-Ortiz                             alopez-o@neumann.UWaterloo.ca
  655. Department of Computer Science                      University of Waterloo
  656. Waterloo, Ontario                                                   Canada
  657. http://daisy.uwaterloo.ca/~alopez-o/home.html
  658.  
  659.