圆周率是如何计算的

心型符号2022-07-07  25

欧几里得的《几何原本》中有一条公理:在一个点之后,可以用一定的半径做一个圆。根据相似性,任意圆的周长与直径之比是一个常数,称为圆周率。这个常数是一个无限循环的小数,也就是一个无理数。

自古希腊以来,由于科学研究和工程技术的需要,圆周率的计算从未停止过。时至今日,圆周率仍然是检验计算机计算能力的方法之一。日本某无聊出版社居然出了一本100万位圆周率的书,圆周率100万的大梁表,上面只有一个数字:π。

如果用软绳量一个圆的周长,除以圆的直径,只能得到圆周率约为3的结果。更准确的结果只能靠计算。现代计算圆周率的方法很多。本文只介绍历史上最早的三个人物:阿基米德、刘徽、祖冲之。

阿基米德

阿基米德是第一个得出圆周率约为3.14的人。传说他死的时候被罗马士兵逼到一个沙滩上,他在沙滩上计算圆周率,对士兵说:“先别杀我,我不能给后人留下一个不完美的几何题。”

阿基米德计算圆周率的方法是双边近似法:圆的周长用其内接正多边形和外切正多边形的周长来近似。正多边形的边越多,多边形的周长就越接近圆的边长。

阿基米德最后计算了正96边形,得到π约为3.14的结果。阿基米德死后,古希腊被罗马士兵摧残,叙拉古灭亡,古希腊文明衰落,西方圆周率的计算沉寂了一千多年。

刘辉

阿基米德死后五百年,中国处于魏晋时期,著名数学家刘徽将圆周率推导到小数点后四位。他在《九章算术注》中阐述了自己的计算方法。

刘辉的算法与阿基米德的算法基本相同,但刘辉提出了正N形多边形的边长Ln和正2N形多边形的边长的递推公式。

设圆的内接正N边形的长度为Ln,如图中AB所示。

将正N边转换为正2N边,边长如图中BD所示。

由此,可以得到递推公式:

因为正六边形L6=1,所以可以得到L12,L24和L48。...

刘辉最后算出了3072多边形,得到了圆周率的值。

200年过去了,中国数学家祖冲之横空出世。

祖冲之用“后缀”计算圆周率的值到小数点后第七位,指出:

这个结果直到一千多年后才被西方超越。但遗憾的是,“作曲”是什么方法,已经失传,至今仍是一个永恒的谜。

罗庚和其他科学家认为,祖冲之的方法仍然是圆切割法,但如果我们想要这种精度,我们需要将它分成24576个六边形。从正六边形开始,我们需要对刘辉公式进行12次迭代,并且在每次迭代中必须保证足够的有效数字,否则会影响最终结果。祖冲之用了什么神奇的方法保证了计算的准确性?至今仍是一个谜。

另外,小时候看过一个故事。很久很久以前,有一个老师,整天游手好闲,喜欢去山上找庙里的和尚喝酒。每次走之前,他都给学生留一样的作业:背圆周率。一开始,每个学生都很痛苦。后来一个聪明的学生灵机一动,想出了一个绝妙的方法,把圆周率的内容和现在的场景(老师上山喝酒)联系起来,编了一个顺口溜:

山顶一座庙里的一壶酒(3.14159)苦与苦(26535)吃酒(897)杀酒(932)杀不死(384)爱音乐(626)

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