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圆周率是怎么计算的?
欧几里德的《几何原本》里有公理:过一点以某个半径可以做一个圆。根据相似形可知任何一个圆的周长与直径的比都是一个常数,把这个常数称为圆周率π。这个常数是一个无限不循环小数,即无理数。
从古希腊时代开始,由于科学研究和工程技术的需要,圆周率的计算就一直没有停止过。直到今天,圆周率依然是检验计算机计算能力的方法之一。日本某个无聊的出版社居然出了一本一百万位的圆周率的书《円周率1000000桁表》,全书只有一个数字:π
如果使用一根软绳测量圆的周长,再除以圆的直径,只能得到圆周率大约等于3的结果,更加精确的结果只能依赖计算。现代圆周率计算的方法很多,本文只介绍历史上最早计算圆周率的三个人物:阿基米德、刘徽和祖冲之。
阿基米德是最早得出圆周率大约等于3.14的人。传说在他临死时被罗马士兵逼到一个海滩,还在海滩上计算圆周率,并且对士兵说:“你先不要杀我,我不能给后世留下一个不完善的几何问题。”
阿基米德计算圆周率的方法是双侧逼近:使用圆的内接正多边形和外切正多边形的周长来近似圆的周长。正多边形的边数越多,多边形周长就越接近圆的边长。
阿基米德最终计算到正96边形,并得出π约等于3.14的结果。阿基米德死后,古希腊遭到罗马士兵摧残,叙拉古国灭亡,古希腊文明衰落,西方圆周率的计算从此沉寂了一千多年。
毕达哥拉斯、阿基米德、刘徽、祖冲之这些历史上的家用割圆法计算出了圆周率的近似值。他们的故事相信很多人都耳熟能详了。
随着割圆的多边形边数的增加,计算量也爆炸性的增长,用割圆法计算圆周率是一项繁重的体力劳动。17世纪一位荷兰人把圆割成了2的62次方边形,之后他花了25年时间人肉计算圆周率,最后他把圆周率算到了35位,当时没有吉尼斯纪录,他只能把这项壮举刻在自己的墓碑上供后人瞻仰。在他之后,还有一位荷兰人很苦逼地破了这个记录,算到了38位。然后呢,没有然后了,一位大神降世终结了割圆法算圆周率的历史。
现在我们有了很多种用级数计算圆周率的办法。其中,最经典的是莱布尼茨级数算法:
π/4 = 1 - 1/3 + 1/5 - 1/7 + …
这个算法虽然叫莱布尼茨级数,但最初提出这个算法的人却是牛顿!(意不意外惊不惊喜?)说起来牛顿还真是牛X,连圆周率都少不了他。那么牛顿是怎么想到的这个式子的呢?
这还得从杨辉三角说起,杨辉三角就是N次二项式展开的公式。(这个公式也很神奇,它居然还是正态分布展开的形式。)杨辉三角只针对N次二项式,牛顿则把它扩展到了-N次展开(不得不说牛顿的脑洞不是一般的大)。于是就有了下面的展开式:
1/(1+x)=1-x+x^2-x^3+…
等一等!上面那个式子并不总是成立的!别急,那不重要,您只要给式子两边乘上(1+x),两边都是1,这就OK了。接下来,牛顿又把杨辉三角扩展到了分数。于是他找到了一个重要的展开式:
(1+x)^1/2=1+1/2*x+1/8*x^2+…
为什么牛顿要在这个式子上纠结呢?因为他有一个重大的阴谋。圆的公式是
以前刘徽和祖冲之用割圆术,即化曲为直取极限的方法。刘徽曾生动地论述了这种思想:“割之弥细,所失弥少,割之又割以至于不可割,则与圆合体而无所失矣。”祖冲之将这种方法发挥到了“登峰造极”的程度,他算出π ≈ 355 / 113 =3.1415929…
现代计算圆周率已经有了突飞猛进的进展。***用级数,反三角函数结合计算机编程等方法,圆周率已计算到小数点后上万亿位。
圆周率是通过“割圆术”计算的!
会作圆,但不一定就懂得圆的性质。
两千多年前我国的墨子才给圆下了一个定义:“一中同长也”。意思是说:圆有一个圆心,圆心到圆周的长都相等。
“墨子”
圆周率:圆周长与直径的比值,是一个非常奇特的数。
《周髀算经》上说“径一周三”,把圆周率看成3,这只是一个近似值。
“刘徽”
魏晋时期的刘徽于公元263年给《九章算术》作注。他发现“径一周三”只是圆内接正六边形周长和直径的比值。他创立了割圆术,认为圆内接正多边形边数无限增加时,圆长就越逼近圆周长。
他算到圆内接正3072边形的圆周率,圆周率=3927/1250 ,请你将它换算成小数,看约等于多少?
刘徽把极限的概念运用于解决实际的数学问题之中,这在世界数学史上也是一项重大的成就。
南北朝时候的数学家—祖冲之,他***用刘徽割圆术分割到12288边形,又用刘徽圆周率不等式得祖冲之著名的圆周率不等式:
3.1415926<圆周率<3.1415927 ,是世界上最早的七位小数精确值。
答:圆周率的计算过程,经历了实验算法、几何算法、分析算法和计算机算法的过程;其中,新工具的出现,对计算圆周率起了重要作用。
在古时候,人们对圆周率的精度要求还不高。比如公元前1世纪左右,我国最古老的数学著作《周髀算经》,就记载着“径一周三”,也就是把圆周率近似看作“3”。
在古巴比伦时期(公元前1900年~公元前1600年),古巴比伦人就记载了圆周率=25/8=3.125。
古人只需要画一个圆,然后分别测量其周长和直径,就可以得到圆周率;虽然和圆周率的真实数值相差很大,但是对那时候的生产活动来说足够用了。
但该方法对圆周率的计算精度非常有限,只能精确到圆周率的小数点后第一位,要想精确到第二位都很困难。
几何算法避免了测量的误差,比如阿基米德(公元前287~212),计算圆的内切正多边形和外接正多边形,然后取其平均值,把圆周率计算到3.141851。
而我国的古代数学家祖冲之(429~500),利用割圆术,计算到正24576边形,把圆周率精确到小数点后第七位(3.1415926~3.1415927),这一记录保持了800多年才被欧洲人打破。
15世纪,***数学家卡西,把圆周率精确到17位小数。
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