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用數學教你如何計算圓周率

生活 更新时间:2024-11-23 20:01:38

圓周率是我們從接觸圓開始就要一直用到的一個知識點,關于圓周率,我們都知道的它的近似值為3.14,我國古代有一位對圓周率貢獻很大的數學大家,叫祖沖之。除此之外我們對圓周率就沒有太多的了解了。今天極客數學幫就來和大家說說圓周率的故事,說一說這個3.14到底是怎麼來的。

用數學教你如何計算圓周率(極客數學幫談圓周率的故事)1

圓周率的故事

“任何一個圓的周長除以它直徑的商都是一個固定的數,我們把它叫做圓周率。用字母π表示。π是一個無限不循環小數。π=3.141592653……”這句話是我們最先開始接觸有關圓周率的知識的第一句話。這是對圓周率的定義,以及圓周率的近似值的概括。

現在的我們都知道圓周率約等于3.14,是一個無限不循環的小數,但是在過去很長的一段時間裡,數學家們都在努力的求證圓周率的值,努力精确圓周率。

希臘作為古代幾何王國對圓周率的貢獻尤為突出。古希臘大數學家阿基米德開創了人類曆史上通過理論計算圓周率近似值的先河。

在三千多年以前的周朝,我們的祖先就從實踐中認識到圓的周長大約是直徑的3倍,所以在距今2000多年前的西漢初年,在我國最古老的數學著作《周髀算經》裡就有了“周三徑一”的記載。随着生産的發展和文明的進步,對圓周率精确度的要求越來越高。西漢末年,數學家劉歆提出把圓周率定為3.1547。

到了東漢,張衡——就是那位發明候風地動儀的天文學家,建議把圓周率定為3.1622。但是,這兩種建議都因為缺乏科學依據而很少有人采用。一直到了公元263年,三國時期魏國的劉徽創立了割圓術,才使圓周率的計算走上了科學的道路。

什麼是割圓術呢?原來,劉徽在整理我國古老的數學著作《九章算術》時發現,所謂的“周三徑一”,實質上是把圓的内接正6邊形的周長作為圓的周長的結果。于是他想到:如果用圓的内接正12邊形、24邊形、48邊形、96邊形……的周長作為圓的周長,豈不是更加精确。這就是割圓術。

用他自己的話說就是:“割之彌細,所失彌少,割之又割,以至于不可割,則與圓周合體而無所失矣。”但是,因為計算過程随着邊數的增加越來越複雜,限于當時的條件,劉徽隻計算到圓的内接正96邊形,使圓周率精确到兩位小數,得到3.14。後來,劉徽又算到圓的内接正3072邊形,使圓周率精确到四位小數,得到3.1416。

又過了大約200年,到了南北朝的時候,我國出了一位大數學家,也是天文曆算學家祖沖之。祖沖之于公元429年4月20日出生于範陽郡遒縣(現在的河北省涞水縣)。他小時候沒上過什麼學,也沒得到過什麼名師指點,但是他自學非常刻苦,尤其是對天文、數學有着濃厚的興趣。他廣泛搜集認真閱讀了前人有關天文、數學的許多著作,卻從來不盲目接受,總要親自進行測量和推算。公元460年,他采用劉徽的割圓術,一直算到圓的内接12288邊形,推算出圓周率應該在3.1415926到3.1415927之間。同時,他還提出用兩個分數作為圓周率的近似值,一個是22/7,叫“疏率”,約等于3.142857;另一個是355/113,叫“密率”,約等于3.1415929。祖沖之對圓周率的計算,開創了一項世界紀錄,比歐洲早了一千多年。國際上為了紀念這位偉大的中國數學家,把3.1415926稱為“祖率”,并把月球上的一座環形山命名為“祖沖之山”。這是我們中華民族的驕傲。向往完美,向往精确是人類的天性。盡量把圓周率算得準确一點,一直成為人們的不懈追求。

在古希臘,人們也是把圓周率取為3。後來也發現了疏率22/7,直到1573年,德國數學家奧托才發現了密率355/113,比祖沖之晚了1113年。在古埃及的紙草書(以草為紙寫的書)中,有一道計算圓形土地面積的題目,所用的方法是:圓的面積等于直徑減去直徑的1/9,然後再平方。如果我們假設半徑為1,直徑就是2,圓的面積就是2÷9×8再平方,約等于3.16,也就是說圓周率約等于3.16。

1593年,荷蘭數學家羅梅,用割圓術把圓周率算到了小數點後15位,雖然打破了祖沖之的紀錄,但是已時隔1133年。1610年,德國數學家盧道夫,用割圓術使π值精确到小數點後第35位,幾乎耗費了他一生的大部分心血。

自從1761年蘭伯特證明了圓周率是無理數,1882年林德曼證明了圓周率是超越數後,圓周率的神秘面紗就被揭開了。

雖然現在我們在讀小學的時候就知道了圓周率是一個無限不循環小數,近似值是3.14.但是前人努力探索圓周率,不斷精确圓周率的這種精神依舊是值得我們學習的。

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