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《无穷的奥秘》
割圆术—— “潜无穷”思想的应用
张续杰    来源社团:山东大学科普协会
得票 369 阅读 2435 评论 1

我们上文提到,三国时期刘徽注意到无穷进展能够完成,并把他的思想应用到了计算“弧田”的面积、“阳马”的体积以及开方运算。刘徽认为圆内接正六边形的面积随边数不断加倍而逐渐增加,但是永远都不会大于圆的面积,同时指出:“割之弥细,所失弥少,割之又割,以至不可割,则与圆合体而无所失矣。” 刘徽从单位圆的内接正六边形算起,算到正192边形,得出π.14。

所谓“割圆术”,是用圆内接正多边形的面积去无限逼近圆面积并以此求取圆周率的方法。

“圆,一中同长也”,意思是说:圆只有一个中心,圆周上每一点到中心的距离相等。早在我国先秦时期,《墨经》上就已经给出了圆的这个定义,而公元前11世纪,我国西周时期数学家商高也曾与周公讨论过圆与方的关系。认识了圆,人们也就开始了有关于圆的种种计算,特别是计算圆的面积。我国古代数学经典《九章算术》在第一章“方田”章中写到“半周半径相乘得积步”,也就是我们现在所熟悉的公式。

根据刘徽的记载,在刘徽之前,人们求证圆面积公式时,是用圆内接正十二边形的面积来代替圆面积。应用出入相补原理,将圆内接正十二边形拼补成一个长方形,借用长方形的面积公式来论证《九章算术》的圆面积公式。刘徽指出,这个长方形是以圆内接正六边形周长的一半作为长,以圆半径作为高的长方形,它的面积是圆内接正十二边形的面积。这种论证“合径率一而弧周率三也”,即后来常说的“周三径一”,当然不严密。他认为,圆内接正多边形的面积与圆面积都有一个差,用有限次数的分割、拼补,是无法证明《九章算术》的圆面积公式的。因此刘徽大胆地将极限思想和无穷小分割引入了数学证明。他从圆内接正六边形开始割圆,“割之弥细,所失弥少,割之又割,以至不可割,则与圆周合体,而无所失矣。”也就是说将圆内接正多边形的边数不断加倍,则它们与圆面积的差就越来越小,而当边数不能再加的时候,圆内接正多边形的面积的极限就是圆面积。刘徽考察了内接多边形的面积,也就是它的“幂”,同时提出了“差幂”的概念。“差幂”是后一次与前一次割圆的差值,可以用图中阴影部分三角形的面积来表示。同时,它与两个小黄三角形的面积和相等。刘徽指出,在用圆内接正多边形逼近圆面积的过程中,圆半径在正多边形与圆之间有一段余径。以余径乘正多边形的边长,即2倍的“差幂”,加到这个正多边形上,其面积则大于圆面积。这是圆面积的一个上界序列。刘徽认为,当圆内接正多边形与圆是合体的极限状态时,“则表无余径。表无余径,则幂不外出矣。”就是说,余径消失了,余径的长方形也就不存在了。因而,圆面积的这个上界序列的极限也是圆面积。于是内外两侧序列都趋向于同一数值,即,圆面积。

利用圆内接或外切正多边形,求圆周率近似值的方法,其原理是当正多边形的边数增加时,它的边长和逐渐逼近圆周。早在公元前5世纪,古希腊学者安蒂丰为了研究化圆为方问题就设计一种方法:先作一个圆内接正四边形,以此为基础作一个圆内接正八边形,再逐次加倍其边数,得到正16边形、正32边形等等,直至正多边形的边长小到恰与它们各自所在的圆周部分重合,他认为就可以完成化圆为方问题。到公元前3世纪,古希腊科学家阿基米德在《论球和圆柱》一书中利用穷竭法建立起这样的命题:只要边数足够多,圆外切正多边形的面积与内接正多边形的面积之差可以任意小。阿基米德又在《圆的度量》一书中利用正多边形割圆的方法得到圆周率的值小于三又七分之一而大于三又七十分之十 ,还说圆面积与外切正方形面积之比为11:14,即取圆周率等于22/7。公元263年,中国数学家刘徽在《九章算术注》中提出"割圆"之说,他从圆内接正六边形开始,每次把边数加倍,直至圆内接正96边形,算得圆周率为3.14或157/50,后人称之为徽率。书中还记载了圆周率更精确的值3927/1250(等于3.1416)。刘徽断言"割之弥细,所失弥少,割之又割,以至于不可割,则与圆合体,而无所失矣"。其思想与古希腊穷竭法不谋而合。割圆术在圆周率计算史上曾长期使用。1610年德国数学家柯伦用2^62边形将圆周率计算到小数点后35位。1630年格林贝尔格利用改进的方法计算到小数点后39位,成为割圆术计算圆周率的最好结果。分析方法发明后逐渐取代了割圆术,但割圆术作为计算圆周率最早的科学方法一直为人们所称道。

-完-
我要评论
理性边界 2018-01-25 20:57
关于数学的科普很难,尤其是关于这个非常深奥的无穷大问题,如果能创作出一些类比的图片那就最好了!
科普作品
无穷的奥秘
| 目录  (共9章)
评委点评 评语汇总

非常有深度的科普文章。揭秘了数学上关于“无穷”的很多奥秘。文章的前半部分读起来有趣而易懂,后半部分专业性变强,阅读起来也变得不如前半部分容易理解,后期乏力。作者在这部分还需要努力。

2018-01-25 16:12 匿名 ——

本文最大的优点是深入浅出、通俗易懂、简明扼要地讲明什么是无穷大、无穷大的级别、正无穷大、负无穷大、无穷小等概念,且所用的篇幅都不长,适合读者碎片化阅读。“无穷大的历史”作者下了很大的功夫,但更像是学术论文中的文献综述,对古代近代中外哲学家、数学家及其相关观点未进行精选,主线不够明晰,可读性差。建议改写这部分内容并放在最后,不要放在现在的位置。文内也有一些错别字,例如:把“高斯”写成“高四”,希望在修改时一并改过来。

2018-01-28 14:12 匿名 ——

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