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1 # 小鄧教師
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2 # 思考思考的動物
圓周與直徑之比是常數,常數當然是定值。
證明 圓周與直徑之比是常數的 方法如下:根據高中《平面解析幾何》的知識,在平面笛卡爾直角座標系中,圓心位於原點,半徑為 r(> 0) 的 圓 C 的 解析方程如下:
再根據 《高等數學》中,第一類曲線積分 的計算方法:
設,f(x, y) 在 曲線弧 L 上有定義且連續,若 L 的引數方法為:
其中,φ(t) 和 ψ(t) 在 區間 [a, b] 上具有一階連續導數,且 φ"²(t) + ψ"²(t) ≠ 0 ,則 f(x, y) 在 L 上 的 第一類曲線積分 存在,並且:
我們來 求 圓 C 的周長。
首先,將 圓 C 的解析方程,改寫為引數方程:
這將 C 的圓周 分成上下兩段 H₁, H₂,
我們,先計算上面的部分 H₁,即:
的 曲線長度 S₁。
因為是求曲線 H₁ 的長度,因此 f(x, y) = 1,而
顯然,滿足:
於是,曲線 H₁ 的長度 S₁ 為:
令 t=rs 代入上式換元,最終得到:
因為, 圓 關於 X 軸對稱,故 圓 C 的下半部分 曲線 H₂ 的長度 S₂ 等於 S₁ ,於是 圓 C 的 周長 S 為:
進而,圓 C 的 圓周 S 和 直徑 D = 2r 之比為:
這顯然是一個常數。
稱這個常數為 圓周率,記為 π,即,
如果大家嫌這個 解析證明覆雜,下面再介紹一種 《初等幾何》的證明方法:設 S₁ 和 S₂ 分別是 任意兩個 半徑為 r₁ 和 r₂ 的 同心圓 的周長,不妨設 r₁ > r₂ > 0,則 S₁ > S₂;
假設, 兩個圓的周長直徑比不同,不妨設 S₁ / 2r₁ > S₂ / 2r₂ 於是,有:
S₁ / S₂ > r₁ / r₂
可以找到 另一個 周長為 S₃ ( < S₁) 的 同心圓 使得:
S₃ / S₂ = r₁ / r₂ ①
分別對 S₁ 和 S₂ 對應的圓 做內接 正 n 邊形,周長分別是 P₁= nk₁ 和 P₂ = nk₂,如圖:
我們讓 n 足夠大,使得 多邊形周長 P₁ 大於 圓周長 S₃,即,
P₁ > S₃
結合 等式 ① 有,
P₁ / S₂ > r₁ / r₂ ②
根據相似三角形的性質,我們知道,
k₁ / k₂ = r₁ / r₂
故,
P₁ / P₂ = nk₁ / nk₂ = r₁ / r₂
再 結合 等式 ②,有:
P₁ / S₂ > P₁ / P₂
於是最終得到:
P₂ > S₂
而,我們知道 P₂ 對應的 多邊形 是 S₂ 對應圓的內接 多邊形,內接多邊形周長 小於 圓周長,即,
P₂ < S₂
產生矛盾,故,假設不成立,於是得出:
任意兩個圓的周長和直徑比均相同。
即,
圓的周長和直徑比是常數。
將這個常數 記為 π,稱作 圓周率。
當然,證明 圓周與直徑之比是常數,還有很多方法,這裡就不再羅列了。
圓周與直徑之比是常數 π, π 是一個 無理數,無理數和有理數一樣也是固定不變的。
至於,題主對於 π 的固定性有疑慮,則是另外一個問題,我曾經回答過,題主可以參考。
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是的。
先定要弄清楚定值的概念和整數的概念。定值是定值,整數是整數。定值就是一個確定的值,和變數相對。而整數就是像-3,-2,-1,0,1,2,3,10等這樣的數。定值可以是整數,也可以是分數,還可以是有理數或無理數。
無限不迴圈小數尾部總在變化,感覺好像是不確定的。實際上此類數,是確定的、唯一的。只不過尾數數量超出人類認知的範圍,數學家揭開此類數的面紗時、手段有限難於完全展現出來,被認定為無限不迴圈。
π也是無限不迴圈小數,是存在的、唯一的。只不過我們在探索周長和直徑之間的關係時發現它的存在,採用割圓法可以無限的接近它,卻無法完全展示它,只能用字母π來代表,實際取值根據需求選擇適當的位數。π本身就是直徑為1的圓所對應的周長。周長與直徑的比肯定是正比例關係,直徑越大的圓對應的周長越大。