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微積分史話 (第 2 頁)

曹亮吉

 


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.原載於科學月刊
.作者當時任教於台大數學系
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1. 圓面積的求法

人類進入了農業社會後,因為丈量土地、建穀倉、築宮室等等的需要,求積的方法就日形重要起來。

首先,人類可能用一日的行程、一頭牛一天可耕過的土地等方法來量長度、算面積。但隨著精確度的要求,長度及面積都必須要有固定的單位。

通常面積都是以某種正方形為單位的(譬如一平方公尺)。由此出發逐步可得一般正方形的面積為一邊的平方,矩形的面積為長乘寬,平行四邊形的面積為底乘高,而三角形的面積則為底乘高之半。因多邊形可分劃成三角形之和,所以其面積也可求得。除了這些圖形之外,最簡單、最吸引人也最實用的可算是圓形了。那麼圓形的面積怎麼求得?在此我們觸到了積分學的源頭了。

「圓形的面積是多少?」「圓周率乘半徑的平方。」「圓周率是什麼?」「圓周與直徑之比。」「比值是多少?」「3.14」「再精確點!」「3.1416」「再精確點!!」「3.1416……」「……是什麼?」「?」

圓周率通常以希臘字母 π 來表。大家都知道求圓面積就等於求圓周率。那麼圓周率到底是多少?怎樣求得它的近似值呢?

據史籍所載,四千年前的巴比倫人用 $3 \frac{1}{8}$ 做圓周率,同時期的埃及人則用 $(\frac{16}{9})^2$,而三千年前的中國人則用3。其後有用 $\frac{22}{7}$$\frac{377}{120}$$\sqrt{10}$、3.14 等等來代表圓周率。 這些都是近似值,有的純由經驗求得,有的則佐以一些理論。此外,最值得稱道的是西元前三世紀的希臘科學家阿基米德(Archimedes, 287∼212 B.C.)算得圓周率介於 $3 \frac{10}{71}$$3 \frac{1}{7}$ 之間,而三國(大約西元260年)時的劉徽,則得其近似值為 3.14159。他們的特色是提供一套能夠計算圓周率值精確到任何位數的方法──至少理論上可行。

   
 
窮盡法

阿基米德的方法是由圓內接正六邊形出發,先計算其周長,做為圓周長的一個近似值,然後再由此周長計算內接正十二邊形的周長,做為圓周長更正確的近似值。如此邊數逐次倍增。則所得周長雖仍然小於圓周長,但卻愈接近圓周長。一般而言,單位圓內接正 n 邊形和正 2n 邊形兩者周長 SnS2n 之間,有一代數關係 $S_{2n} = \sqrt{2-\sqrt{4-S_n ^2}}$,如果前者已知,則後者亦可求。同時阿基米德又用外切正多邊形的周長從外方逼近圓周長。當內接及外切正多邊形的邊數為96時,阿基米德就得到他的圓周率估計值。阿基米德的方法源自所謂的「窮盡法」(method of exhaustion)。古希臘數學家尤多緒斯(Eudoxus,約 408∼355 B.C.)就有用已知的面積(或體積)逐漸窮盡某一面積(或體積)的想法,再輔以一些技巧而證明了「兩圓面積之比等於其半徑平方之比」,「兩球體積之比等於其半徑立方之比」,「圓錐的體積為同底等高圓柱體積的三分之一」等定理。

劉徽則用正多邊形的面積來逼近圓面積,當邊數增加到3072時就得到他的近似值。這種逼近方法原理雖然簡單,但計算時要不斷開平方,過程非常繁複。南北朝的祖沖之(429∼500)居然算到16384邊,而得知圓周率介於3.1415926與3.1415927之間。

這種圓面積的算法雖然繁複,但其逼近的原理卻發展成了積分學。(關於圓周率,可參考《科學月刊》第十卷第八、九、十期(1979)的「益智益囊集」或 Petr Beckmann 原著,姜家齊、朱建正、林聰源合譯的《π的故事》,凡異出版社。)

   
 
習題

  1. 平行四邊形與三角形的面積公式如何求得?
  2. 你怎樣使別人相信圓的面積等於圓周率乘半徑的平方?
  3. Sn(或 Tn)是半徑為1的內接(或外切)正 n 邊形邊長。試求以 Sn(或 Tn)表 S2n(或 T2n)的公式。
  4. S96T96 之值;由此驗證阿基米德的估計 $3\frac{10}{71} < \pi <3 \frac{1}{7} $
  5. An(或 Bn)是半徑為 1 的內接(或外切)正 n 邊形面積。試求以 An(或 Bn)表 A2n(或 B2n)的公式。
  6. A2nSn 的關係,並由此比較用正多邊形周長及用其面積逼近孰優孰劣。
  7. BnTn 的關係。
  8. A3072B3072,並由此驗證劉徽的估計 $\pi =3.14159$
  9. 請你想想祖沖之算圓周率時所可能遭遇到的困難。
  10. 試證 A2nAnBn 的幾何平均,而 B2nA2nBn 的調和平均。
  11. PnQn 分別表圓內接及外切正 n 邊形的周長(即 Pn = n SnQn = n Tn),則 Q2nPnQn 的調和平均,而 P2nPnQ2n 的幾何平均。

   

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編輯:楊佳芳 / 校對:楊佳芳 / 繪圖:張琇惠 最後修改日期:2/17/2002