“小圓之圓于大圓之圓同”——《墨子·大取》
π是我們熟悉的數(shù)學符號,最早人們都是用“周三徑一”,認為π=3,隨著數(shù)學的發(fā)展,數(shù)學家們更加精確的計算出了π的值。
眾所周知,阿基米德與劉徽是計算π精確近似值的幾何方法的開創(chuàng)者。祖沖之將圓周率精確到了7位,領先了世界近千年。隨著數(shù)學的發(fā)展,現(xiàn)代人們用計算機已經(jīng)精確到萬億位以上了。
現(xiàn)在我們稱π為圓周率,但在歷史上它有很多的“外號”。例如
1.“山克斯率”(英國數(shù)學家威廉·山克斯,在1873計算出了π的708位。)
2.“周三徑一之率”(數(shù)學家劉徽與263年在《九章算術》對圓周率的名稱,也稱“古率”)
3.“阿基米德率”(或“阿氏率”,古希臘數(shù)學家阿基米德率先將π計算到3.14,是后人為了紀念所起。)
4.“托勒密之值”(古希臘數(shù)學家托勒密制作弦表時所得到的π近似值)
5.“歆率”(漢代數(shù)學家劉歆制作圓柱容器得到的圓周率,比古率3更精準一些的π值。)
6.“衡率”(東漢杰出科學家張衡在《靈憲》中記載了他對π的取值。)
7.“徽率”(劉徽用他的割圓術將π計算到3.1416)
8.“祖率”(專指祖沖之的密率355/113)
還有承天率、蕃率、智率、陸績率、約率等等......
1706年英國數(shù)學家威廉·瓊斯(William Jones,1675—1749)最先使用“π”來表示圓周率。
大數(shù)學家歐拉開始用π表示圓周率后。
π便成了圓周率的代名詞。
小學課本上說,圓周率π平面上圓周長與它直徑的比值。
課本中,告訴我們比值是一個常數(shù),但
1. 任何圓的周長和直徑的比都是同一個常數(shù)π嗎?
2. 圓周(曲線)長應該怎么計算呢?
先來看看“圓周長”,小學課本中是如何測量的
測量了圍成圓曲線的長度,代替求圓的長度。用尺子總會有誤差,怎樣更精確的計算呢?
在初中的課本中告訴我們,當圓內接正多邊形的邊數(shù)無限增加時,它的周長就接近圓的周長。
由此我們得到圓周長的一種定義方式:當圓內接正多邊形的邊數(shù)無限增加的時候,這些正多邊形的周長的極限叫圓的周長。但在極限理論不完善的年代,是怎么利用極限思想更加精確的計算出周長的呢?在解決這個問題前,我們先來證明π是個與周長、直徑無關的常數(shù)。
我們現(xiàn)在有了圓周長的定義,下面我們先證明“圓的周長與直徑之比確實是一個常數(shù)”。
以D為直徑作圓,周長為C,內接正多變形的邊長與周長記為an、bn。
D'為直徑作它的同心圓,周長為C'。內接正多變形的邊長與周長記為a'n, b'n。易知兩個內接正n邊形相似。所以
an:a'n=D/2 : D'/2
即
an:D/2 =a'n: D'/2
因此
bn:D=b'n:D'
兩邊取極限后(n→∞),
C:D=C':D'。
這說明C/D是一個常數(shù),記為π,任何圓的周長和直徑的比都是同一個常數(shù)π。
在極限理論不完善,數(shù)系發(fā)展不完備的年代,阿基米德是用怎樣的思路計算π呢?
阿基米德從單位圓出發(fā),先用內接正六邊形求出圓周率的下界為3,再用外接正六邊形并借助勾股定理求出圓周率的上界小于4。
為了方便理解理解,我們對直徑為1的圓,作內接正四邊形舉例,
此時,外接四邊形周長為
1×4=4
內接四邊形的周長約為
0.7×4=2.8
這樣我們能推理出π在2.8到4之間,直到內接正96邊形和外接正96邊形為止。阿基米德求出圓周率在為223/71和22/7之間,并取它們的平均值3.141851為圓周率的近似值。
關于記憶π的值,人們想出了各種有意思的記法。例如,
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);
遛爾遛死(6264)
扇扇刮(338);
扇耳吃酒(3279)。