圆吸引着古往今来众多学者的兴趣。
古希腊的科学家、数学家阿基米德(Archilnedes,前287~前212)和我国魏晋时期的数学家刘徽,都研究过圆面积计算公式和圆周率,他们所用的极富启迪性的方法,被后人称之为“割圆术”。
我们先来看看他们各自所得的结论;再来分析他们所采用的方法。
阿基米德在《圆的度量》中,提出了三个命题:1.圆面积计算公式S=L·r,其中L为圆周长,r为圆半径;
2.圆与其外切正方形面积之比为11:14;
3.圆周率π:3。
刘徽在《九章算术》方田章圆田术注中,得出三个结论:
1. 圆面积计算公式S=L·r(与阿基米德的命题完全一样);
2. 圆与其外切正方形面积之比为3927:5000;
3. 圆周率
不难看出,上述结论都与圆周率π有关,他们的第一个结论中,若取r=1,则S=π;第二个结论实质是应该是π:4;第三个结论,无疑给出了π的近似取值范围。相比之下,刘徽的结果比阿基米德的精密,原因何在?正是获得上述结论的方法——割圆术有所不同。
阿基米德用归谬法证明他的圆面积计算公式:如图1,不防设圆面积为P,直角三角形面积为K,圆内接正多边形面积为s,圆外切正多边形面积为S。
刘徽推导圆面积计算公式,从圆内接正6边形开始,如图2,他认为,以圆内接正6边形边长乘以半径,再3倍,得到圆内接正12边形面积;以圆内接正12边形边长乘以半径,再6倍,得到圆24边形面积。以此类推,“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。”他接着指出,每次用半径乘内接正多边形边长时,导致面积翻一倍,所以最终“以半周乘半径”得圆面积。
阿基米德的证明非常精彩,它具有古希腊数学中逻辑论证的典型特征,巧妙的归谬法颇具匠心。刘徽的推导十分明快,不仅用了极限思想,免去了外切正多边形面积的采用,而且给出了圆面积的计算程序,显示出中国传统数学以算为主,寓理于算的特征。基于以上特征,我们将会看到刘徽的结果比阿基米德精密的原故。
关于圆周率,阿基米德分两步推导。
首先,证明,以圆外切正6边形起算,如图3,用勾股定理、相似形定理证明。
(勾股定理)
其次,证明,以圆内接正6边形起算,如图5,也用勾股定理、相似形定理。
在圆内接正6边形中,
阿基米德一步一步推导,对近似数值进行精巧的调整,最终得到
刘徽推导圆周率,取直径为2,也从圆内接正6边形起算,但只用勾股定理,且不用圆外切正多边形。
如图7,反复运用以下关系:
并且建立每次增边后的内接正多边形边长的算式
在圆周率推导过程中,阿基米德只得出了圆周率的取值范围,且没有刘徽的结果精密。而刘徽所得丰富多了,其中最为重要的是“刘徽不等式”。有了这个不等式,我们可以把阿基米德的结果与刘徽的结果集中地表示在一个圆上,读者可以通过简单的几何证明,得出这样的结论:只要他们俩所用割圆术,所割正多边形边数相同,那么刘徽所得圆周率的取值范围,恒比阿基米德的精密。此外,有了这个不等式,祖冲之能计算出更精密的圆周率的取值范围,也是情理之中的了。
