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圓周率是怎么計(jì)算的?歐幾里德的《幾何原本》里有公理:過一點(diǎn)以某個半徑可以做一個圓 。根據(jù)相似形可知任何一個圓的周長與直徑的比都是一個常數(shù) , 把這個常數(shù)稱為圓周率π 。這個常數(shù)是一個無限不循環(huán)小數(shù),即無理數(shù) 。
從古希臘時(shí)代開始,由于科學(xué)研究和工程技術(shù)的需要,圓周率的計(jì)算就一直沒有停止過 。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 。日本某個無聊的出版社居然出了一本一百萬位的圓周率的書《円周率1000000桁表》,全書只有一個數(shù)字:π
如果使用一根軟繩測量圓的周長,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 。現(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)算圓周率的三個人物:阿基米德、劉徽和祖沖之 。
阿基米德阿基米德是最早得出圓周率大約等于3.14的人 。傳說在他臨死時(shí)被羅馬士兵逼到一個海灘 , 還在海灘上計(jì)算圓周率,并且對士兵說:“你先不要?dú)⑽遥也荒芙o后世留下一個不完善的幾何問題 。”
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來近似圓的周長 。正多邊形的邊數(shù)越多,多邊形周長就越接近圓的邊長 。
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 。
劉徽阿基米德死后五百年,中國處于魏晉時(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Ln與正2N邊形邊長的遞推公式 。
設(shè)圓的內(nèi)接正N邊形的變長為Ln,如圖中AB所示 。
將正N邊形變?yōu)檎?N邊形,邊長如圖中BD所示 。
由此可以得到遞推式:
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
祖沖之又過了兩百年,中國數(shù)學(xué)家祖沖之橫空出世 。
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:
這個結(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程中,必須保證足夠多的有效數(shù)字 , 否則就會影響到最后的結(jié)果 。祖沖之通過什么神奇的方法保證了計(jì)算的準(zhǔn)確?至今仍是一個謎 。
另外,小時(shí)候看了一個故事,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 。開始的時(shí)候,每個學(xué)生都苦不堪言 。后來 , 有一位聰明的學(xué)生靈機(jī)一動,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,編了一段順口溜:
山巔一寺一壺酒(3.14159)爾樂苦煞吾(26535)把酒吃(897)酒殺爾(932)殺不死(384)樂爾樂(626)
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