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1 # 多元短課
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2 # 旋光晶體
先把小數3.1415926寫成大數31415926與小數10000000之比,對這兩個整數做輾轉相除法,得到一系列的不足近似商3、7、15、1、243、1、1、9、1、1、4,命名為C3、C4、C5...,設定分子,序列前2項A1=0,A2=1,從第3項開始做迭代 An=Cn*An_1+An_2,既得 3、22、333、355、86598...,仿上設定分母系列前2項 ,B1=1,B2=0,從第3項開始做迭代 Bn=Cn*Bn_1+Bn_2,得1、7、106、113、27565,就得出圓周率的近似分數序列:3/1、22/7、333/106、355/113、86598/27565...
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3 # 中學數學深度研究
圓周率(Pi)在數學中代表著周長與其直徑的比值,那麼在希臘語中用字母π來表示。我們一般取其近似值3.14,根據所得資料,已經算到了小數點後第60000億位,至於未來能不能算完,這還是個未知數.
祖沖之求解的π 的兩個近似分數即:約率為22/7;密率為355/113大家更加熟悉的是祖沖之所做出的貢獻,《隋書·律曆志》有如下記載:“宋末,南徐州從事祖沖之更開密法。以圓徑一億為丈,圓周盈數三丈一尺四寸一分五釐九毫二秒七忽,朒數三丈一尺四寸一分五釐九毫二秒六忽,正數在盈朒二限之間。密率:圓徑一百一十三,圓周三百五十五。約率,圓徑七,週二十二。”這一記錄指出,祖沖之關於圓周率的兩大貢獻。其一是求得圓周率
3.1415926 < π < 3.1415927
其二是,得到 π 的兩個近似分數即:約率為22/7;密率為355/113。
他算出的 π 的8位可靠數字,不但在當時是最精密的圓周率,而且保持世界記錄九百多年。以致於有數學史家提議將這一結果命名為“祖率”。祖沖之對圓周率的計算,開創了一項世界紀錄,比歐洲早了一千多年。國際上為了紀念這位偉大的中國數學家,把3.1415926稱為“祖率”,並把月球上的一座環形山命名為“祖沖之山”。這是我們中華民族的驕傲。
其他國家π 的求解嚮往完美,嚮往精確是人類的天性。儘量把圓周率算得準確一點,一直成為人們的不懈追求。
在古希臘,人們也是把圓周率取為3。後來也發現了疏率22/7,直到1573年,德國數學家奧托才發現了密率355/113,比祖沖之晚了1113年。
在古埃及的紙草書(以草為紙寫的書)中,有一道計算圓形土地面積的題目,所用的方法是:圓的面積等於直徑減去直徑的1/9,然後再平方。如果我們假設半徑為1,直徑就是2,圓的面積就是2÷9×8再平方,約等於3.16,也就是說圓周率約等於3.16。(因為S=πr2,當r=1時,S=π。)
1573年,德華人奧托得出這一結果。他是用阿基米德成果22/7與托勒密的結果377/120用類似於加成法“合成”的:(377-22) / (120-7) = 355/113。
1585年,荷蘭人安託尼茲用阿基米德的方法先求得:333/106 < π < 377/120,用兩者作為 π 的母近似值,分子、分母各取平均,透過加成法獲得結果:3 ((15+17)/(106+120) = 355/113。 兩個雖都得出了祖沖之密率,但使用方法都為偶合,無理由可言。
1593年,荷蘭數學家羅梅,用割圓術把圓周率算到了小數點後15位,雖然打破了祖沖之的紀錄,但是已時隔1133年。
1610年,德國數學家盧道夫,用割圓術使π值精確到小數點後第35位,幾乎耗費了他一生的大部分心血。
隨著數學的發展,人們又陸續發明了另外一些計算圓周率的方法。
1737年,經過瑞士大數學家尤拉的倡導,人們開始廣泛地使用希臘字母π表示圓周率。
1761年,德國數學家蘭伯特證明了π是一個無限不迴圈小數。
在日本,十七世紀關孝和重要著作《括要演算法》卷四中求圓周率時創立零約術,其實質就是用加成法來求近似分數的方法。他以3、4作為母近似值,連續加成六次得到祖沖之約率,加成一百十二次得到密率。其學生對這種按部就班的笨辦法作了改進,提出從相鄰的不足、過剩近似值就近加成的辦法,(實際上就是我們前面已經提到的加成法)這樣從3、4出發,六次加成到約率,第七次出現25/8,就近與其緊鄰的22/7加成,得47/15,依次類推,只要加成23次就得到密率。
最後,還有兩件與圓周率有關的趣事不能不談。
第一件:1777年,法國數學家布豐,用他設計的,看似與圓周率毫無關係的“投針試驗”,求出圓周率的近似值是3.12。1901年,義大利數學家拉茲瑞尼,用“布豐投針試驗”求出圓周率的近似值是3.1415929。至於什麼是“布豐投針試驗”,請看拙文“布豐投針試驗的故事”。
第二件:用普通的電子計算器,就能算出圓周率的高精度近似值。算式是:
1.09999901×1.19999911×1.39999931×1.69999961≈3.141592573…
這幾個小數很好記,如果不看小數點的話,四個因數都是對稱的,中間是5個9,前面兩位分別是10、11、13、16,後面兩位分別是01、11、31、61。至於是什麼道理,不清楚。據我猜測,很可能是某位有心人,殫精竭慮編出的一道趣味數學題。
無獨有偶,下面這些由十個不同數字組成的算式,也可以算出圓周率的高度近似值。
76591÷24380 , 95761÷30482 , 39480÷12567,
97468÷31025 , 37869÷12054 , 95147÷30286,
49270÷15683 , 83159÷26470 , 78960÷25134。
顯然,這些題目中的數字是湊出來的,滲透了創編者的良苦用心。
祖沖之 的約率密率計算考證錢宗琮先生在《中國算學史》(1931年)中提出祖沖之採用了由何承天首創的“調日法”或稱加權加成法。他設想了祖沖之求密率的過程:以徽率157/50,約率22/7為母近似值,並計算加成權數x=9,於是 (157 + 22×9) / (50+7×9) = 355/113,一舉得到密率。錢先生說:“衝之在承天后,用其術以造密率,亦意中事耳。”
另一種推測是:使用連分數法。
由於求二自然數的最大公約數的更相減損術遠在《九章算術》成書時代已流行,所以藉助這一工具求近似分數應該是比較自然的。於是有人提出祖沖之可能是在求得盈 二數之後,再使用這個工具,將3.14159265表示成連分數,得到其漸近分數:3,22/7,333/106,355/113,102573/32650…
最後,取精確度很高但分子分母都較小的355/113作為圓周率的近似值。至於上面圓周率漸近分數的具體求法,這裡略掉了。你不妨利用我們前面介紹的方法自己求求看。英國李約瑟博士持這一觀點。他在《中國科學技術史》卷三第19章幾何編中論祖沖之的密率說:“密率的分數是一個連分數漸近數,因此是一個非凡的成就。”
一點感想幾千年來,圓周率精確值,不斷推進的過程,反映了人類崇高的科學精神,閃爍著人類智慧的光芒,同時也讓熱愛數學、甘願為數學獻身的人們,充分感受到數學的無比美妙,享受到數學給予他們的無限幸福。
在相當長的一段歷史時期內,人們往往用圓周率的精確程度,作為衡量一個國家、一個民族數學發展水平的標誌。中國古代數學一直處於世界領先的地位,作為炎黃子孫,我們一定要繼承祖先的光榮傳統。而作為數學教師,一定要教育我們的學生,學無止境,科學的發展也沒有止境,一座座科學高峰正等待著他們去攀登。劉徽、祖沖之、盧道夫……這些光輝的名字,永遠是鼓舞全人類前進的榜樣。
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人類對圓周率的認識和計算經歷了一個漫長的過程。《周髀算經》中就有周三徑一的記載。祖沖之將圓周率計算到小數點後第七位數字圓周率介於3.1415926和3.1415927之間,圓周率的約率是22/7,密率是355/113。
連分數連分數是一種繁分數,像寶塔一樣,可以是有限,也可以是無限的。舉幾個簡單的例子比如5/3化成連分數。也就是將假分數先化為帶分數,2/3等於3/2分之一,3/2又是個假分數,繼續上面的過程直到最後一個分子為1。這個過程可以用更相減損法寫出。
無理數如何用連分數表示將根號2化為連分數。因為1的平方等於1,2的平方等於4,所以說根號2介於1和2之間,具體得多少暫時不知道 這是一個無限的連分數,它的漸進分數如下圖所示。大家可以驗證一下這些漸進分數逐漸逼近於根號2。
圓周率的約率和密率有了這個結果就可以容易的知道圓周率的約率和密率了。