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如何研究古今中外的圓周?

在古代,圓周率的問題幾乎全靠實驗的歸納。經驗中發現,壹個圓的周長與其直徑有壹個恒定的比值,這個常數叫做圓周率。所以很自然,圓的周長是

C = π * d或c = 2 * π * R。

其中d是圓的直徑,r是圓的半徑。

後來古代數學家試圖算出π的具體值。最早的數學家劉維用的是“割線”法,即內接正多邊形並與正多邊形外切的圓的周長逼近圓的周長,圓接近192多邊形,圓周率約為3.14。

割圓的壹般方法,中學數學課本上都有。但必須註意的是,很大程度上它只是壹種計算圓周率的方法,圓周率為C = π * d似乎是壹個事實,而且這種方法只是為了確定π的值。仔細想想就知道這是有問題的,因為他們並沒有從邏輯上證明圓的周長真的與直徑成正比,更進壹步說,他們的周長概念只是直觀的,非理性的。

從理論上嚴格推導圓周必須依靠現代分析數學,包括微積分的運用。

現在推導圓周最簡單的方法是用積分。

平面直角坐標中圓的方程是x^2+y^2 = r^2.

這可以寫成壹個參數方程。

x = r * Cos t

y = r * Sin t

t∈[0,2π]

所以圓的周長是

C = ∫√ ((x' (t)) 2+(y' (t)) 2) dt,t是0到2π的乘積。

結果自然是

C = 2π * r

(註:三角函數的壹般定義取決於圓的周長或面積。為了避免邏輯上的循環論證,三角函數可以不依賴幾何定義為收斂的冪級數或積分。此時,圓周率並不是圓定義的常數,而是三角函數周期性得到的常數。)

如果不需要更多的理論探討,上面的實踐就足夠了。當然,更確切的說,我們可能需要知道數學上如何定義曲線的周長,以及圓的周長的存在性。在這裏我壹時說不上來。