2008年3月16日 星期日

圓周率 (總結)

從之前得出的幾條公式,我們可以知道一個正多邊形(內接、外接)的周長。

相信大家都知道,圓的周長公式是2*π*r,而我們透過阿基米德的方法,就可以精確地求出圓周率π的近似值了。

我們曾經學過: (r = 圓半俓 n = 邊數 A = 360度/n)

圓內接正多邊形的周長: 2nr sin (A/2) 幾何

∵cos (A/2) = h / a

∴h = a cos (A/2)

∵a^2 + b^2 = c^2 (畢氏定理)

∴b/2 = √(a^2 - h^2)

=√{a^2 – [a cos (A/2)] ^2}

∵正多邊形的周長 = b*邊數=b*n

∴正多邊形的周長=n * 2 * √{a^2 – [a cos (A/2)] ^2}

正多邊形的周長=2n√{a^2 – [a cos (A/2)] ^2}

=2na [sin(A/2)]


圓外接正多邊形的周長: 2nr tan (A/2)

∵ tan θ = 對邊 / 鄰邊

∴ 根據圖1,tan (A/2) = (b/2) / a

a tan (A/2) = (b/2)

2a tan (A/2) = b = 正多邊形的邊長

∵ 正多邊形的周長 = 邊數 * 邊長

∴ 周長 = 2a tan (A/2) * n

= 2na tan (A/2)


其中,由於圓的周長公式是2*π*r,所以π = 周長/圓半俓/2

我們先逐步迫近π的最小值,即是:

2nr sin (A/2) / r / 2 = n sin(A/2) = n sin [(360/n)/2] = n sin(180/n)

接着,我們便可以得知π的最大值,即是:

2nr tan (A/2) / r / 2 = n tan(A/2) = n tan (180/n)

邊數

角度=180/n

最小

9 sig .fig

最大

n

180/n

nsin(180/n)

ntan(180/n)

6

30

3

<π<

3.46410162

12

15

3.10582854

<π<

3.21539031

24

7.5

3.13262861

<π<

3.15965994

48

3.75

3.13935020

<π<

3.14608622

96

1.875

3.14103195

<π<

3.14271460

192

0.9375

3.14145247

<π<

3.14187305

384

0.46875

3.14155761

<π<

3.14166275

768

0.234375

3.14158389

<π<

3.14161018

1536

0.1171875

3.14159046

<π<

3.14159703

3072

0.05859375

3.14159211

<π<

3.14159375

6144

0.029296875

3.14159252

<π<

3.14159293

12288

0.0146484375

3.14159262

<π<

3.14159272

24576

0.00732421875

3.14159265

<π<

3.14159267


透過以上的推算,我們利用阿基米德的方法,可以計算出圓周率π的最大最小值及其範圍,從而不斷增大圓周率的準確值,並求得π的值在3.14159265和3.14159267 之間。

圓外接正多邊形的周界

在這之前,我們研究過圓內接正多邊形的周界,現在,就等我們探討一下圓外接正多邊形的周界吧!




由圖1得知,a是該正多邊形的內接圓的半俓,而A則是正多邊形的圓心角,b是正多邊形的邊長,則n是邊數。






目標:透過角A度數和a的長度,求出正多邊形的邊長,從而得到圓外接正多邊形的周界。






方法:



∵ tan θ = 對邊 / 鄰邊



∴ 根據圖1,tan (A/2) = (b/2) / a



a tan (A/2) = (b/2)



2a tan (A/2) = b = 正多邊形的邊長



∵ 正多邊形的周長 = 邊數 * 邊長



∴ 周長 = 2a tan (A/2) * n



= 2na tan (A/2)