2018-01-11

(3)数兀

    在一个单位园上,我们作内接正n边形,记pn为边长,作外切正n边形,记边长为qn,那么pn<2兀<qn,当n增加时,序列pn、qn都单调趋近2兀

  关于数兀的近似值求法有很多方法,有阿基米德方法(几何方法)(公元前3世纪)、有中国古代数学家刘徽在注释《九章算术》(公元前263年)时,只用圆内接正多边形就求得兀的近似值,也得精确到两位小数的兀值,他的方法被后人称为割圆术,他用割圆术一直算到圆内接192边形。南北朝时代数学家祖冲之进一步得出精确到小数点后7位的兀值。

  圆周率兀的计算方法是一个饶有趣味、值得探讨的问题.首先要对正多边形进行了解,我们从正十边形开始.假设在单位圆内有一内接正十边形(图略).设边长AB=x,AB所对的圆心角𠃋AOB=36度,则𠃋OAB=𠃋OBA=72度,作𠃋OAB的平分线交OB于C点,则𠃋CAB=36度,𠃋OAC=36度,所以OC=AC=AB=x,易证三角形AOB与三角形ACB相似,所以1/x=x/(1-x),即x𠆢2+x-1=0,它的解是x=1/2(根5-1)(x>0)约等于0.618(0.618称单位线段的黄金分割点).希腊数学家认为矩形的两个边的比值a:b=0.618,从审美角度来看是最好的。长度x我们通过作一个直角边分别为1和2的三角形,其斜边等于根5,把这个斜边减去一个单位长再二等分,即可得到正十边形的边长,很简单我们就能作出正十边形丶正五边形。而正六边形是最简单得到的,因为它的边长正好是单位圆的半径,因此可以作出正:4、8、16、⋯、2𠆢n边形;正:12、24、48边形等,还有正:20、40边形等.下面我们用单位圆内接正n边形的几何性质来求出兀的计算方法。如图(图略):在单位圆中DE表示内接于单位圆中的正n边形边长Sn,由简单的几何知识可知AB是单位圆的直径等于2,B是DE弧的中点,所以DB就是内接单位圆中正2n边形的边长S2n.在直角三角形ABD中,AD·DB=AB·DC,那么AD=2DC/DB=DE/DB=Sn/S2n,又AD𠆢2=AB𠆢2-DB𠆢2=4-S2n𠆢2,所以(S2n𠆢2)𠆢2-4S2n𠆢2+Sn𠆢2=0,令x=S2n𠆢2(0<x<2),解上述二次方程得S2n=根下(2-根下(4-Sn𠆢2)),所以我们得出了正2n边形边长的递推公式,现在由正四边形的等于根2可得S8=根下(2-根2);S16=根下(2-根下(2+根2));S32=根下(2-根下(2+根下(2+根2)).对于n>2,我们得到一般公式:

        S2𠆢n=根下(2-根下(2+根下(2+⋯+根2)),它有(n-1)个平方根号.圆中正2𠆢n边形的周长是2𠆢n·S2𠆢n,当n趋于无穷大时,2𠆢n·S2𠆢n趋近于圆的周长.按单位圆周长定义为2兀,我们用m代替(n-1),则:

  兀=lim(2𠆢m·根下(2-根下(2+根下(2+⋯+根2)),(共有m个根号)

数兀是什么?由不等式pn<2兀<qn作出的一个退缩于点2兀的区间套序列,对此给出了完整的回答:兀是一个无理数,与e的无理性证明相比,兀的无理性证明是比较困难的。

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