阿基米德和刘徽是如何计算圆周率的(五)

从六边形开始,刘徽能够站的肩膀只有“周三径一”的民间说法,他遥望着海岛,找不到任何趁手的工具,“独怆然而涕下”。“数术”,在古代很多时候都是被瞧不起的。技巧,在某些年代被称为“奇技淫巧”。墨家有圆规和矩尺,最讲规矩,所以说“墨守成规”。但古人没有说“墨守成矩”。矩尺,用勾股定理就全部解决了。圆规画出的图形,如此的迷人,处处对称,但古人却不知道她的面积究竟是多少,因此觉得神奇,墨家就守着这个圆规画出的图形。而墨家,代表的是最底层人民的利益,在古代自然无法发扬光大。墨家“兼爱”的思想大约出于圆,圆周上,每个点都是平等的,到圆心的距离都一样。

刘徽也许看过墨家的断简残编,看到墨家讲的极限思想,于是开启了割圆术之旅。他手里,只有一个工具,他之前,古人用过超过千年,百用不厌的商高-陈子-毕达哥拉斯-勾股定理。

欧几里德用各种公设,证明了勾股定理,然后用勾股定理和其它构建了一个美好的几何世界。我看似乎可以把勾股定理及其逆定理作为第一公设,期待懂数学的人告诉我能否实现。

刘徽是不怎么证明勾股定理的。直接用。勾股定理很多人都证过。业余数学爱好者,最乐于做的几件事:

(1)证明勾股定理

(2)计算圆周率

(3)e的相关公式的证明,会用exp算利率

(4)炫耀欧拉公式,仿佛那是自己发现的一样

(5)证明蝴蝶定理,用三种以上的方法

(6)对一个很难的问题,声称自己可以给出一个证明,地方太小,写不下

其他不说了。本文就在做第二件事,重复计算圆周率的过程。


刘徽第一图

如图,三角形AOB是一个正三角形,AB是圆O的一条弦,同时,AB就是内接正六变形的一条边。X点是弧AB的中点。XO垂直平分AB,垂足为点T。那么,AX是内接正十二边形的一条边。

四边形AOBX的对角线互相垂直。三角形AOX的面积是 XO * AT / 2 ,三角形BOX的面积是 XO*BT/2,两个三角形相加,总面积是 XO*(AT+BT)/2,也就是XO*AB/2。就是说四边形AOBX的面积是XO*AB/2。圆内接正12边形的面积是它的6倍。从这里,总结出的公式是:

圆内接正2N边形面积 = N × R × 内接N边形的边长 / 2

如果规定圆的半径为1, 会发现,在数值上,2N边形的面积和 N边形的半周长是一样的,都是一个接近3的数,也就是随着边长增大,接近圆周率。

所以,刘徽计算面积,但是,通过N边形的边长,计算2N边形的面积。

一开始,不需要计算面积,只是计算边长。等计算到96边形的边长的时候,直接就可以计算192边形的面积了。

计算边长,一开始,要不断的开方,所以,一开始也不计算边长,而是计算边长的平方。能够不开方,就尽量不开方。

上图中,规定半径为1,则,

OT方 = AO方 -OT 方 = 1-1/4 =3/4=0.75

OT = 0.75开方 = 0.8660254,刘徽原文写:“八寸六分六厘二秒五忽五分忽之二”,因为他规定圆的半径为1尺。那时候的单位是“尺寸分厘毫秒忽”,那个数字没有提到“毫”,现在,自动帮他添0。最后的4是五分之二,也就是刘徽说的“五分忽之二”,单位是“忽”。所以,我说,古代中国的十进制运算发达,是依赖于单位的。每个数值都有单位。后世,祖冲之从“亿”“万”这样的单位开始计算,所以,能走的更远。

AX方= AT方+ TX方 = AT方 + (1 -  OT ) 方  = AT方 + 1 - 2OT + OT 方 = AO 方 + 1 -  2OT = 2 - 2OT

AX方 = 0.26794922

实际上,正十二边形边长的平方精确的值是 (2 - 根号3)

文字描述数学,太困难了,上图。


任意角度下的切割



计算用公式


计算用公式

由内向外运算。从1开始,不断的加2,开方,加2,开方。若干次以后,用2减,就得到了想要的边长的平方。最后,开出来,就是需要的结果了。很明显,边长会越来越短,两部分相减会越来越接近于0,因此,尽量多保留一些有效数字才行。


边长计算

这样,计算得到96边形的边长,0.065438,原文说“开方除之,得小弦六分五厘四毫三秒八忽”。

这个数字,乘以48,就是192边形的面积。

48* 0.065438 = 3.141024

至此,刘徽的工作也完成了一半。圆的面积肯定比 3.14大,圆周率也比 3.14 大。

阿基米德先求上限,得到圆周率比 22/7 小, 刘徽先求下限,得到圆周率比 3.14大。22/7的近似值是3.142857。此时,如果把两个人的工作结合并起来,也可以得到,圆周率大于3.141,小于3.143

但事实上,两个人隔了万水千山数百年,没有合作的机会。倒是后来的祖冲之,继承了国人强大的运算能力,直接算到7位小数,给出盈朒二率,震惊世界。祖冲之那个震惊世界的程度,不亚于现在的太湖之光和量子计算。

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