数学故事是怎么计算得到的,阿基米德的

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我们在小学学习圆的时候就接触到了一个非常神奇的数叫做π。老师还教过我们π约等于3.14。可到底π是怎么得到的呢,老师可没有讲?咱们来回顾一下圆周率的计算历史。

什么是圆周率?很早之前人们发现,如果画一个圆,无论这个圆大小如何,它的周长与其直径的比值似乎是一个定值,这个周长与直径的比就叫做圆周率,近似等于3.,一般情况下我们就取3.14。

既然是个比值,算法应该很简单才对。例如,我们可以用最笨的办法,通过测量圆的周长和直径,然后再用周长除以直径不就可以了吗?可是事实上事情并没有那么容易,这个问题困扰了人们好多年。

原因在于古人对数认识不够,在古代人眼中无理数是不受欢迎的,根号二的出现甚至还引发了第一次数学危机。人们喜欢的是有理数,就是可以写成两个整数之比的形式的数,例如1/3,22/7等等。他们想把π写成一个具体的分数。

圆周率的分数是什么呢?这着实成为困扰古人的难题。今天我们知道圆周率π是无理数并不能表示成普通分数,所以想要找到一个普通分数形式的圆周率,这是不可能的。

古人虽然没有求出π的具体分数形式,却求出了很多关于π的近似分数。有据可考的最早记载的估值出现在古巴比伦和古埃及,古巴比伦人使用过25/8来近似π,古埃及人使用过16/9的平方来近似π,这些方法在公元前年以前就已经出现了。具体是如何得到的我们已经不知道了,可能是计算的,也可能是测量的!

第一个记录有严谨计算过程的圆周率算法,是由公元前年左右的古希腊数学家阿基米德发明的。

核心思想:用一个固定长度的圆规去画一个圆,这个圆的直径和半径,就是已知量。假设直径为1,根据周长公式C=πD,圆的周长就等于圆周率π。我们只要求出圆的周长,圆周率的具体数值也就知道了。可是这个圆的周长又要怎么来求呢?

阿基米德利用“夹逼法”求得π

具体做法如下:

1.在圆内作一个内接正6边形,在圆外做一个外切正6外形。很明显,这个圆的周长就会介于这两个正六边形的周长之间。正六边形的周长是可求的,所以圆的周长上限和下限我们就可以得到了。

2.把正6边形变成正12边形,正24边形等等。通过增大正多边形的边数,使其越来越接近于圆。就这样无限的压缩上限和下限,最终极限就是π的具体数值。

阿基米德一共计算到正96边形。得到的π大于/71小于22/7,也就是π介于3.和3.之间,之后因为太麻烦导致无法计算。但是办法确实可行,所以在之后的一千多年里,西方的数学家计算π都是通过这个思路去计算的。

在我国古代也发展出了一种类似的算法叫做割圆术,此方法是在公元年左右,由三国时期魏国的数学家刘辉所创。刘辉的割圆术和阿基米德的“夹逼法”类似,夹逼法是通过内外切正多边形,通过周长去得到这个π的上下限。而割圆术只用到了圆内接正多边形就做到了这一点,不过它使用的是面积。方法如下:

1.从圆内接正6边形开始,假设它的半径是1,圆的面积就等于π。

2.开始割圆。在内接正6边形的基础上变成内接正12边形,正12边形和正6边形的面积,是容易求得的。很明显我们得到了一个π的下限。记作S12。π大于S12。

3.求上限。这才是割圆术的精髓。我们把圆外补出长方形。长方形的面积是两倍三角形它的面积,三角形的面积是(S12-S6)的一半,再加上一个(S12-S6),也就是(2S12-S6),这就是上限。

后来祖冲之根据刘辉的方法计算到了边形,从而得到3.这个结果。这个结果是之后年之内最准确的结果。

各位不难看出想要得到π小数点后边7位精确数字,就得经过超级复杂繁琐的计算,目前π的精度已经达到了数万亿位甚至更多,这是怎么办到的呢?是通过计算机不停的割圆吗?

文艺复兴末期,数学家又有了新算法,那就是利用无穷级数。这部分内容呢比较多,咱们放在下篇文章再做介绍。

大家还知道哪些好玩的数学故事呢?欢迎大家留言分享。



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