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为什么数学是不符合现实的,π根本不存在的啊,就如同不存在完美的圆?

 宣城华厦图书馆 2017-10-06


圆周率π是客观存在的,π的值其实就是给定的一个圆的圆周长P与其直径D的比值。


我们知道,无限不循环的小数是无理数.有些无理数因为它很重要而对它追根究底!在远古时期,人们就知道圆周长P与直径D的比值是不变的,即不论圆多大,比值P/D不变(叫圆周率).英国语言学家威廉·琼斯(William Jones,1675—1794)于1706年第一个采用π表示圆周率.π在很多数学公式中出现,如圆周长、圆面积、球体积、椭圆面积A=πab等.

π究竟是多少?因生活的需要,这个问题曾经吸引过不少数学家的研究.起初,人们常用圆周率的一些近似值代替它进行计算.但随着精确度要求的提高,寻找更接近圆周率的近似值成了很重要的事情.

古希腊伟大的哲学家、数学家和物理学家阿基米德出生于西西里岛的叙拉古. 阿基米德到过亚历山大里亚,才智高超,兴趣广泛,并且享有“力学之父”的美称.他在《圆的度量》中采用穷竭法求圆的面积并计算π值.

【探索】如图4.4.1,阿基米德作圆内接正k边形和外切正k边形(k≥3,k∈N),计算它们的周长与直径的比值,利用

对π值进行估计(分别称p1与p2为π的不足近似值与过剩近似值).

他先从圆内接正6边形和外切正6边形开始,然后考察正12边形,正24边形,……,正边形(n∈N),如此逐步逼近π值.你能获得这些近似值吗?

不妨设圆O的半径R=1,D=2.如图4.4.1,圆O的内接正6边形和外切正6边形的边长分别是a6=AB和b6=A′B′,其圆心角为∠AOB=∠A′OB′=α6,α6=(360°6)=60°.由式(4.4.1),得

作OM⊥AB于M,交A′B′于点M′.在直角三角形OMA中

所以,

在直角三角形OM′A′中

由式(4.4.3)知,3是π的一个不足近似值,3.464 1…是π的一个过剩近似值.

如此,通过对n取值来逐步逼近π的真值.如:

我国古代著名数学家,三国时魏国人刘徽,在263年左右注解《九章算术》时,阐述了“割圆术”,利用圆内接正多边形的面积去接近圆的面积来计算圆周率.他等分圆周越细,内接正多边形的面积与圆面积就越接近,只要这种分割无限进行下去,就可以获得圆面积的值.显然,这里隐含着今天的极限概念.

刘徽割圆术求圆面积的具体步骤如下:

设AC是圆O的内接正n边形的一边,记作an,AB和BC是该圆内接正2n边形的两条边,记作a2n.如图4.4.2所示,设正n边形的面积为Sn,分点倍增后的正2n边形面积为S2n,圆O的面积为S.

这就是刘徽的圆面积不等式,是用割圆术计算π的理论基础.刘徽推出:当半径为10寸时,正96边形面积平方寸,扩大一倍后所得的正192边形的面积平方寸.利用不等式(4.4.7),得

若将刘徽与阿基米德关于圆周率π的计算结果对照,可以发现,刘徽的上下界都比阿基米德的精确.更重要的是,刘徽只取圆内接正多边形而不用外切正多边形,起到了事半功倍的效果.

南北朝时期,我国有一位杰出的数学家、科学家,名叫祖冲之(429—500).祖冲之是汉族人,其祖籍是范阳郡遒县(今河北涞水县).为避战乱,祖冲之的祖父祖昌由河北迁至江南.祖昌曾任刘宋的“大匠卿”,掌管土木工程.祖冲之的父亲也在朝中做官.祖冲之从小接受家传的科学知识.青年时进入华林学省,从事学术活动.他一生先后任过南徐州(今镇江市)从事史、公府参军、娄县(今昆山市东北)令、长水校尉等官职.其主要贡献在数学、天文历法和机械三方面.

祖冲之算出π的真值在3.141 592 61和3.141 592 71之间,简化成3.141 592 6,成为当时世界上最先进的成就. 祖冲之还给出π的两个分数形式:(22/7)(约率)和(355/113)(密率),其中密率精确到小数第7位,在西方直到16世纪才由荷兰数学家奥托重新发现.

1500年左右,法国数学家韦达(Vieta,1540—1603)考察了单位圆的内接正4边形,正8边形,正16边形,……得到求出π的式子

1794年,法国数学家勒让德(Legendre,1752—1833)证明了π不能用两个整数的比来表示,即它是一个无理数.

1882年,德国数学家林德曼(Lindemann,1852—1939)证明了π是一个超越数.

虽然那时人们对于用无理数进行计算已经是很随便的了,但对于无理数是否确实是数却仍不放心.如,德国数学家斯蒂菲尔(Stifel,1487—1567)在他的《整数算术》中,讨论用十进制小数的记号表达无理数的问题时说:当我们想把它们用十进制数表示出来时,就发现它们无止境地往远跑,因而没有一个无理数实质上是能被我们准确掌握住的.而本身缺乏准确性的东西就不能称其为真正的.所以,正如无穷大的数并非数一样,无理数也不是一个真正的数,而是隐藏在一种无穷迷雾后面的东西.

然而,有些人则肯定说无理数是独立存在的东西.如,文艺复兴时期的荷兰数学家、力学家斯蒂文(Stevin,1548—1620)承认无理数是数,并能用有理数来不断逼近它们.

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