阿基米德和劉徽是如何計算圓周率的(七)

比較兩人的工作

(1)阿基米德計算的圓周率在 223/71 和 22/7之間,日常用 22/7

????????? 劉徽計算的圓周率在 3.141024 和 3.142704之間,日常用3.14,

????????? 更精確場合用更精確的近似值3.1416

(2)阿基米德使用比例計算,劉徽使用面積計算

(3)阿基米德使用相似三角形對應邊成比例定理,角平分線性質定理,不等式;

????????? 劉徽使用勾股定理,等式。

(4)阿基米德從內外兩面,用基本相同的方法計算,方法顯得古拙,大氣;

劉徽從內部計算,最后對數值進行巧妙處理,方法顯得精巧,靈活。

(5)阿基米德不告訴你如何用分數逼近開平方的無理數;劉徽不告訴你如何用已有的數據估值未知。

(6)本質的比較


本質的比較

阿基米德是在計算比例,用現代的觀點看,表面上看是計算余切和余割,本質上使用的是正切和正弦。也就是弧度制下的 sin(x) < x < tan(x) 。上圖中,取自單位圓,半徑為1。DF是正弦線,BE是正切線。阿基米德利用的是弧線比DF長,比BE短來證明。把阿基米德的方法等價成為面積法,近似就是扇形CBD的面積比三角形CBD大,比三角形CBE小。(三角形CBD的邊BD沒有畫,但可以肯定是在弧 BD 內部,比弧線短)

劉徽的方法是計算面積,內部同阿基米德一樣,還是扇形比三角形CBD面積大,外面范圍縮小了一點點,從三角形CBE上,減去角落里的EDG,這樣得到一個四邊形 DGBC,扇形面積比這個四邊形小。


不等式

先證明上面的不等式。然后看劉徽計算的四邊形由三角形和矩形兩部分加起來:

sin(x)cos(x)/2 + [1-cos(x)] sin(x) = sin(x)(1-cos(x)/2)

正切線對應的三角形面積為 tan(x)/2

由上面的不等式可以看到,劉徽的估值更加接近。從一面獲得比兩面更加精確的估計,不能不說技巧高超。但舍去的那一部分確實是更小更小的部分,可以忽略不記,加上或者減去沒什么影響,因此,阿基米德的計算顯得更加狂放和不據小節。

上面一組不等式可以寫成

sin(x)cos(x) < sin(x)? < 2sin(x/2) <? x? <? sin(x)(2-cos(x))? < tan(x)

分別對應于小三角形面積,半弦,弦、弧,四邊形面積,大三角形面積。實際上,當x從正方向趨向于0,成為無窮小的時候,上面幾個值都差不多大,很多時候可以相互替換。用x兩邊的值都可以夾住x。

因此,現在世界上人們用的圓周率都是差不多一樣大小的。這是各種文化最統一的認識。

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