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圆周率的近似计算方法综述.doc

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圆周率的近似计算方法综述.doc

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圆周率的近似计算方法综述.doc

文档介绍

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序言
人们很早就知道圆的周长与直径之比是一个常数,数学家们把这一比率用希腊字母来表示,称之为圆周率。圆周率是科技领域中最直观和最主要的常数,它是一个极其著名的数。在日常生活中人们经常与接触,并且从形的边数逐渐增加去逼近圆周的方法〔即“割圆术”〕,。 汉朝时,张衡得出π的平方除以16等于5/8,即等于10的开方〔〕。虽然这个值不太准确,但它简单易理解,所以也在亚洲风行了一阵。 王蕃〔229-267〕发现了另一个圆周率值,,但没有人知道他是如何求出来的。 公元5世纪,祖冲之和他的儿子以正24576边形,求出圆周率约为355/113,和真正的值相比,误差小于八亿分之一。这个纪录在一千年后才给打破。约在公元530年,印度数学大师阿耶波多利用384边形的周长,算出圆周率约为。欧洲。
圆周率的早期计算
实验时期
通过实验对值进行估算,这是计算的的第一阶段。这种对值的估算基本上都是以观察或实验为根据,是基于对一个圆的周长和直径的实际测量而得出的。早期的人们还使用了其它的粗糙方法。如古埃及、古希腊人曾用谷粒摆在圆形上,以数粒数与方形比照的方法取得数值。或用匀重木板锯成圆形和方形以秤量比照取值……由此,得到圆周率的稍好些的值。如古埃及人应用了约四千年的 4 (8/9)2 = 。在印度,公元前六世纪,曾取= = 。在我国东、西汉之交,新朝王莽令刘歆制造量的容器――律嘉量斛。刘歆在制造标准容器的过程中就需要用到圆周率的值。为此,他大约也是通过做实验,得到一些关于圆周率的并不划一的近似值。现在根据铭文推算,,,,。人类的这种探索的结果,当主要估计圆田面积时,对生产没有太大影响,但以此来制造器皿或其它计算就不合适了。
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蒲丰在《或然性算术实验》一书中,提出了用实验方法计算 。这个实验方法的操作很简单:找一根粗细均匀,长度为 d 的细针,并在一张白纸上画上一组间距为 l 的平行线〔方便起见,常取 l = d/2〕,然后一次又一次地将小针任意投掷在白纸上。这样反复地投多次,数数针与任意平行线相交的次数,于是就可以得到的近似值。因为蒲丰本人证明了针与任意平行线相交的概率为 p = 2l/d 。利用这一公式,可以用概率方法得到圆周率的近似值。在一次实验中,他选取 l = d/2 ,然后投针2212次,其中针与平行线相交704次,这样求得圆周率的近似值为 2212/704 = 。当实验中投的次数相当多时,就可以得到的更精确的值。
1850年,沃尔夫在投掷5000多次后,。目前宣称用这种方法得到最好结果的是意大利人拉兹瑞尼。在1901年,他重复这项实验,作了3408次投针,求得。
几何法时期——割圆法
凭直观推测或实物度量,来计算值的实验方法所得到的结果是相当粗略的。因此,古人计算圆周率,一般是用割圆法。即用圆的内接或外切正多边形来逼近圆的周长。阿基米德真正使圆周率计算建立在科学的基础上。他是科学地研究这一常数的第一个人,是他首先提出了一种能够借助数学过程而不是通过测量的、能够把的值精确到任意精度的方法。由此,开创了圆周率计算的第二阶段。   
  阿基米德求圆周率的更精确近似值的方法,表达在他的一篇论文《圆的度量》之中。在这一书中,阿基米德第一次用上、下界来确定的近似值,他用几何方法证明了“圆周长与圆直径之比小于 3+(1/7) 而大于 3 + (10/71) ”,他还提供了误差的估计。重要的是,这种方法从理论上而言,能够求得圆周率的更准确的值。到公元150年左右,希腊天文学家托勒密得出 =,取得了自阿基米德以来的巨大进步。
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图 割圆术
 在我国,数学家刘徽率在《九章算术》方田章“圆田术 ”注中,提出割圆术作为计算圆的周长、面积以及圆周率的基础。他从圆内接正六边形出发,将边数逐渐加倍,如图,设圆面积为半径为,圆内接正边形边长为,周长为, 面积为。 将边数加倍后,得到圆内接正2边形,其边长、周长、面积分别记为、、。当 已知,用勾股定理求出。即如下列图得
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求得了内接正边形的周长,即可求得正2边形的面积:.
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刘徽割圆术还注意到,如果在内接边形的每条边上作一高为的矩形,就可以证明
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由此,他从正六边形一值计算到192边形,得出≈,通常称为“徽率”。
南北朝时