阿基米德和劉徽是如何計算圓周率的(五)

從六邊形開始,劉徽能夠站的肩膀只有“周三徑一”的民間說法,他遙望著海島,找不到任何趁手的工具,“獨愴然而涕下”。“數術”,在古代很多時候都是被瞧不起的。技巧,在某些年代被稱為“奇技淫巧”。墨家有圓規和矩尺,最講規矩,所以說“墨守成規”。但古人沒有說“墨守成矩”。矩尺,用勾股定理就全部解決了。圓規畫出的圖形,如此的迷人,處處對稱,但古人卻不知道她的面積究竟是多少,因此覺得神奇,墨家就守著這個圓規畫出的圖形。而墨家,代表的是最底層人民的利益,在古代自然無法發揚光大。墨家“兼愛”的思想大約出于圓,圓周上,每個點都是平等的,到圓心的距離都一樣。

劉徽也許看過墨家的斷簡殘編,看到墨家講的極限思想,于是開啟了割圓術之旅。他手里,只有一個工具,他之前,古人用過超過千年,百用不厭的商高-陳子-畢達哥拉斯-勾股定理。

歐幾里德用各種公設,證明了勾股定理,然后用勾股定理和其它構建了一個美好的幾何世界。我看似乎可以把勾股定理及其逆定理作為第一公設,期待懂數學的人告訴我能否實現。

劉徽是不怎么證明勾股定理的。直接用。勾股定理很多人都證過。業余數學愛好者,最樂于做的幾件事:

(1)證明勾股定理

(2)計算圓周率

(3)e的相關公式的證明,會用exp算利率

(4)炫耀歐拉公式,仿佛那是自己發現的一樣

(5)證明蝴蝶定理,用三種以上的方法

(6)對一個很難的問題,聲稱自己可以給出一個證明,地方太小,寫不下

其他不說了。本文就在做第二件事,重復計算圓周率的過程。


劉徽第一圖

如圖,三角形AOB是一個正三角形,AB是圓O的一條弦,同時,AB就是內接正六變形的一條邊。X點是弧AB的中點。XO垂直平分AB,垂足為點T。那么,AX是內接正十二邊形的一條邊。

四邊形AOBX的對角線互相垂直。三角形AOX的面積是 XO * AT / 2 ,三角形BOX的面積是 XO*BT/2,兩個三角形相加,總面積是 XO*(AT+BT)/2,也就是XO*AB/2。就是說四邊形AOBX的面積是XO*AB/2。圓內接正12邊形的面積是它的6倍。從這里,總結出的公式是:

圓內接正2N邊形面積 = N × R × 內接N邊形的邊長 / 2

如果規定圓的半徑為1, 會發現,在數值上,2N邊形的面積和 N邊形的半周長是一樣的,都是一個接近3的數,也就是隨著邊長增大,接近圓周率。

所以,劉徽計算面積,但是,通過N邊形的邊長,計算2N邊形的面積。

一開始,不需要計算面積,只是計算邊長。等計算到96邊形的邊長的時候,直接就可以計算192邊形的面積了。

計算邊長,一開始,要不斷的開方,所以,一開始也不計算邊長,而是計算邊長的平方。能夠不開方,就盡量不開方。

上圖中,規定半徑為1,則,

OT方 = AO方 -OT 方 = 1-1/4 =3/4=0.75

OT = 0.75開方 = 0.8660254,劉徽原文寫:“八寸六分六厘二秒五忽五分忽之二”,因為他規定圓的半徑為1尺。那時候的單位是“尺寸分厘毫秒忽”,那個數字沒有提到“毫”,現在,自動幫他添0。最后的4是五分之二,也就是劉徽說的“五分忽之二”,單位是“忽”。所以,我說,古代中國的十進制運算發達,是依賴于單位的。每個數值都有單位。后世,祖沖之從“億”“萬”這樣的單位開始計算,所以,能走的更遠。

AX方= AT方+ TX方 = AT方 + (1 -? OT ) 方? = AT方 + 1 - 2OT + OT 方 = AO 方 + 1 -? 2OT = 2 - 2OT

AX方 = 0.26794922

實際上,正十二邊形邊長的平方精確的值是 (2 - 根號3)

文字描述數學,太困難了,上圖。


任意角度下的切割



計算用公式


計算用公式

由內向外運算。從1開始,不斷的加2,開方,加2,開方。若干次以后,用2減,就得到了想要的邊長的平方。最后,開出來,就是需要的結果了。很明顯,邊長會越來越短,兩部分相減會越來越接近于0,因此,盡量多保留一些有效數字才行。


邊長計算

這樣,計算得到96邊形的邊長,0.065438,原文說“開方除之,得小弦六分五厘四毫三秒八忽”。

這個數字,乘以48,就是192邊形的面積。

48* 0.065438 = 3.141024

至此,劉徽的工作也完成了一半。圓的面積肯定比 3.14大,圓周率也比 3.14 大。

阿基米德先求上限,得到圓周率比 22/7 小, 劉徽先求下限,得到圓周率比 3.14大。22/7的近似值是3.142857。此時,如果把兩個人的工作結合并起來,也可以得到,圓周率大于3.141,小于3.143

但事實上,兩個人隔了萬水千山數百年,沒有合作的機會。倒是后來的祖沖之,繼承了國人強大的運算能力,直接算到7位小數,給出盈朒二率,震驚世界。祖沖之那個震驚世界的程度,不亞于現在的太湖之光和量子計算。

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