阿基米德和劉徽是如何計算圓周率的(六)

數學家在計算任何東西的近似值時,都會給出一個區間,像左手和右手一樣,把心愛的人擁抱在懷中。如果只給一側的值,那么就會像楊過一樣,也是頂尖的高手。

阿基米德不是楊過。所以,他計算出圓周率小于 22/7 以后,他還要計算,圓周率大于多少。劉徽也不是楊過,他計算出圓周率大于3.141024以后,還要計算圓周率小于多少。盈朒二數都給出,才算完美。

阿基米德計算朒數的時候,也采用計算內接多邊形邊長的方法。因為,內接多邊形,周長一定小于圓的周長。


計算邊長

只是要計算邊長。如圖,AC是圓的一條直徑,O是圓心。AD是內接N邊形的一條邊,AE是內接2N邊形的一條邊。這一次,計算邊長,阿基米德使用的是直徑所在的三角形,而非半徑。直徑對的圓周角是直角,這一點可以帶來便捷。邊AD對的圓周角為ACD,圓周角是圓心角的一半。EC平分角ACD。

知道這些關系,按照前面的方法。在三角形ADC中,使用角平分線的性質,可以算出三角形MDC三邊的比例。而三角形AEC同三角形MDC是相似的,這一點很重要。也就是說,對應邊的比例是一樣的。

在得到AEC三邊的比例以后,繼續平分角ACE,繼續計算比例。注意,阿基米德計算的是比例,不是長度。所以有這樣便捷的方法。

這次計算的起點是角ACD為30度,AD還是六邊形的一條邊。始于3的算術平方根小于 1351/780 。也就是DC/DA小于1351/780。同樣,使用計算半角余切和余割的方法,一直計算最終得到直徑與內接正96邊形一邊的比例。該值小于(2017又1/4)比66,化成小數是 30.5643939。


余切和余割

在計算內接多邊形的時候,更關注余割值。

圓周率大于(96 × 66) :2017.25 = 6366 比 2017.25,最后這個比例,阿基米德把它縮小一點點,寫作 223/71 ,也就是 3又 10/71。

到此,阿基米德的工作完成了,他證明了圓周率大于 223/71,小于22/7 。在此基礎上,再接再厲,他給出了圓同其外切正方形面積之比近似值 11/14。 但在他的著作中,先給出了圓與其 外切正方形的面積比為 11/14 這個結論,明顯,他用的是西方人慣用的手法,先說重要的事情。11/14為何重要呢?因為,從11/14也可以逆推出圓周率,設圓的半徑為R,其面積為 PI*R*R ;外切正方形面積為 (2R)*(2R)= 4*R*R,兩者的比例是 PI:4,也就是說 PI/4 = 11/14,從而,PI =44/14,約分以后,正好就是 22/7 。可見,應用中,阿基米德更喜歡這個分數。

理論上講,阿基米德可以使用精度更高的3的平方根開始計算,平分到更小的角度,從而得到更加精密的數值。但那個年代,22/7 的精度用在生活中足夠了,而且很方便使用。每當覺得自己做的不夠好的時候,想想“美國人,在1897年準備立法,用3.2做圓周率”這件事。笑一笑,就過去了。

劉徽在得到 3.141024以后,也不滿足于僅僅使用3.14,他指出,這個數字還是偏小,“圓率猶為微小”。那么,要找到一個比圓率大一點點的數字,才行。怎樣尋找呢?依然從面積入手。


割圓術圖

如圖,設BC是正N邊形的一條邊,BE是正2N邊形的一條邊。圖中,綠色的是圓弧CEB。正2N邊形面積比正N邊形大,大多少呢?在這個局部看,大出的部分是紫色三角形BCE。那么,整體上看,大了N個這樣的三角形。

假如把紫色三角形復制一份,切成兩半,貼在2N邊形的外面,那么,2N邊形的面積加上這份復制,就可以比圓大一點點。

不得不嘆服,這個處理太有技巧了!那么,好,192邊形的面積計算過了,是3.141024。

96邊形的面積呢?用48邊形邊長計算,


劉徽計算

正48邊形邊長是 0.130806,那么正96邊形面積是 48*0.130806/2 = 3.139344

192邊形比96變形大的數值是 3.141024 - 3.139344 =0.00168

把這個數值加到192邊形面積上,就可以比圓大了。

3.141024+0.00168 = 3.142704

到此,劉徽得到圓周率的范圍是 3.141024 至 3.142704。劉徽的工作已經圓滿完成了。盈朒二數都有了。

從這個范圍可以發現,3.14已經確定了,無論計算多少邊形,都不會再變了,再變,也是3.14后面的部分。3.14比“周三徑一”已經是很偉大的突破了。因此劉徽對 3.14作為圓周率近似值,已經比較滿意了。

但還不是很滿意。他做了更深遠的計算。一方面,驗證割圓術的正確性;一方面,驗證3.14不會再改變;一方面,為了獲得更高的精度。這就是,為什么他的文章中前前后后的引用,很多人不知道他在做什么。

這部分計算,分成兩個部分。一是,直接使用前面的數據,在正192邊形的面積上直接做“消息”,就是根據192邊形的面積,以及前面各多邊形的面積,對圓面積做更精確的估計;另一方面,繼續增加邊的數量,一直計算到正1536邊形的邊長,得到正3072邊形的面積。通過消息,獲得估計值 3.1416,通過增加邊數,他驗證了自己的估值,并且說“若此者,蓋盡其纖微矣”,他猜測,3.1416可以把圓最細小的部分包括進來,然后,通過計算到3072邊形,發現面積仍然沒有超出3.1416,于是,他對新的估值 3.1416 更滿意。


估值

計算多邊形的方法是一樣的。那么,如何估值呢?從最初的幾個數字,可以發現,隨著邊數量的增加,面積增加的幅度越來越小,每次增量大約是前一次的1/4。192邊形面積是3.141024,比96邊形大0.00168。那么可以估計,384邊形會比192邊形大 0.00168/4,再往下一級,大0.00168/16...

于是,極限的狀態應該是 3.141024 + 0.00168(1/4+ 1/16 +1/64 + 1/256...) = 3.141024 + 0.00168/3

=? 3.1415842,畢竟,后面的增長比0.25稍大,因此,對3.14之后兩位進行“入”的操作是合理的,估值就可以是 3.1416。這是我對劉徽估值方法的猜測。因為古人喜歡用比例,如果看到每次增長都變為上一次的增長 1/4這樣的事實,不可能不顧及。

計算,估值,驗證。再計算,再估值,再驗證。在中國,在劉徽之前,沒有人計算過圓周率。所以,劉徽會如此謹慎的前行。

后來的祖沖之有福了,依然用這個方法,向下計算,直接獲得7位小數。可惜的是,那本叫做《綴術》的書在哪里?期待著有一天,考古工作者從古墓里挖出一本來。

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