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圓周率是怎么計(jì)算的?

 陌上塵湮 2018-03-27

歐幾里德的《幾何原本》里有公理:過(guò)一點(diǎn)以某個(gè)半徑可以做一個(gè)圓。根據(jù)相似形可知任何一個(gè)圓的周長(zhǎng)與直徑的比都是一個(gè)常數(shù),把這個(gè)常數(shù)稱為圓周率π。這個(gè)常數(shù)是一個(gè)無(wú)限不循環(huán)小數(shù),即無(wú)理數(shù)。圓周率是怎么計(jì)算的?

從古希臘時(shí)代開(kāi)始,由于科學(xué)研究和工程技術(shù)的需要,圓周率的計(jì)算就一直沒(méi)有停止過(guò)。直到今天,圓周率依然是檢驗(yàn)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的方法之一。日本某個(gè)無(wú)聊的出版社居然出了一本一百萬(wàn)位的圓周率的書《円周率1000000桁表》,全書只有一個(gè)數(shù)字:π

圓周率是怎么計(jì)算的?

如果使用一根軟繩測(cè)量圓的周長(zhǎng),再除以圓的直徑,只能得到圓周率大約等于3的結(jié)果,更加精確的結(jié)果只能依賴計(jì)算?,F(xiàn)代圓周率計(jì)算的方法很多,本文只介紹歷史上最早計(jì)算圓周率的三個(gè)人物:阿基米德、劉徽和祖沖之。

阿基米德

圓周率是怎么計(jì)算的?

阿基米德是最早得出圓周率大約等于3.14的人。傳說(shuō)在他臨死時(shí)被羅馬士兵逼到一個(gè)海灘,還在海灘上計(jì)算圓周率,并且對(duì)士兵說(shuō):“你先不要?dú)⑽?,我不能給后世留下一個(gè)不完善的幾何問(wèn)題?!?/p>

阿基米德計(jì)算圓周率的方法是雙側(cè)逼近:使用圓的內(nèi)接正多邊形和外切正多邊形的周長(zhǎng)來(lái)近似圓的周長(zhǎng)。正多邊形的邊數(shù)越多,多邊形周長(zhǎng)就越接近圓的邊長(zhǎng)。

圓周率是怎么計(jì)算的?

阿基米德最終計(jì)算到正96邊形,并得出π約等于3.14的結(jié)果。阿基米德死后,古希臘遭到羅馬士兵摧殘,敘拉古國(guó)滅亡,古希臘文明衰落,西方圓周率的計(jì)算從此沉寂了一千多年。

劉徽

圓周率是怎么計(jì)算的?

阿基米德死后五百年,中國(guó)處于魏晉時(shí)期,著名數(shù)學(xué)家劉徽將圓周率推演到小數(shù)點(diǎn)之后四位。他在著作《九章算術(shù)注》中詳細(xì)闡述了自己的計(jì)算方法。

劉徽的算法與阿基米德基本相同,但是劉徽提出了正N邊形邊長(zhǎng)Ln與正2N邊形邊長(zhǎng)的遞推公式。

圓周率是怎么計(jì)算的?

設(shè)圓的內(nèi)接正N邊形的變長(zhǎng)為L(zhǎng)n,如圖中AB所示。

將正N邊形變?yōu)檎?N邊形,邊長(zhǎng)如圖中BD所示。

圓周率是怎么計(jì)算的?

由此可以得到遞推式:

圓周率是怎么計(jì)算的?

又因?yàn)檎呅蜭6=1,可以得到L12,L24,L48...

劉徽最終計(jì)算到了3072邊形,得到圓周率的值

圓周率是怎么計(jì)算的?

沖之

又過(guò)了兩百年,中國(guó)數(shù)學(xué)家祖沖之橫空出世。圓周率是怎么計(jì)算的?

祖沖之使用“綴術(shù)”將圓周率的值計(jì)算到小數(shù)點(diǎn)后第七位,指出:

圓周率是怎么計(jì)算的?

這個(gè)結(jié)果直到一千多年后才被西方超越。但遺憾的是,“綴術(shù)”到底是什么方法,已經(jīng)失傳,至今仍是千古疑案。

華羅庚等科學(xué)家認(rèn)為:祖沖之的方法仍然是割圓法,但是如果要得到這個(gè)精度,需要分割到24576邊形,從正六邊形出發(fā),還需要迭代劉徽的公式12次,而且在每次迭代的過(guò)程中,必須保證足夠多的有效數(shù)字,否則就會(huì)影響到最后的結(jié)果。祖沖之通過(guò)什么神奇的方法保證了計(jì)算的準(zhǔn)確?至今仍是一個(gè)謎。

另外,小時(shí)候看了一個(gè)故事, 很久以前,有位教書先生,整日里不務(wù)正業(yè),就喜歡到山上找廟里的和尚喝酒。他每次臨行前留給學(xué)生的作業(yè)都一樣:背誦圓周率。開(kāi)始的時(shí)候,每個(gè)學(xué)生都苦不堪言。后來(lái),有一位聰明的學(xué)生靈機(jī)一動(dòng),想出妙法,把圓周率的內(nèi)容與眼前的情景(老師上山喝酒)聯(lián)系起來(lái),編了一段順口溜:   

山巔一寺一壺酒(3.14159)爾樂(lè)苦煞吾(26535)把酒吃(897)酒殺爾(932)殺不死(384)樂(lè)爾樂(lè)(626)

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