外國圓周率公式為高精度圓周率的計算立下了汗馬功勞,並為許多數學人所熟習,但並不適合普通人使用,下面向數學愛好者和中學生們介紹壹組中國人自己研究的普及型圓周率公式:
壹基本公式:
⑴π=180°sinθ∕θ 、
⑵π=180°∕(θ cscθ)、
⑶π=180°tgθ∕θ 、
⑷π=180°∕(θ ctgθ) 、
(θ→0°θ>0°)
此類公式以圓內接或外切直角三角形或正多邊形的邊所對應的圓心角為計算依據,外形簡單,計算方便,對圓周率的概括比較全面系統;同時,既是1弧度公式,又是1角度公式。
二派生公式:
⑸π=(n/2)*sin(360°∕n) 、
⑹π=1∕((2/n)*csc(360°∕n)) 、
⑺π=(n/2)*tg(360°∕n) 、
⑻π=1∕((2/n)*ctg(360°∕n)) 、
(n→∞, n≥5)
此類派生公式可以由基本公式導出或單獨推導,並以圓內接或外切直角三角形數量為計算依據,是專用性、針對性較強的圓周率公式。
三派生公式:
⑼π=nsin(180°∕n) 、
⑽π=n/csc(180°∕n) 、
⑾π=ntg(180°∕n) 、
⑿π=n/ctg(180°∕n) 、
(n→∞,n≥3)
此類派生公式可以由基本公式導出或單獨推導,並以圓內接或外切正多邊形的邊數為計算依據,是中國割圓術公式的典型代表。
四專業公式:
⑴π=2^n√(2-√(2+…√2+)…)
⑵π=3×2^n√(2-√(2+…√(2+√3)…)
⑶π=2×2^n√(2-√(2+…√2+)…)/√(2+√(2+…√2+)…)
⑷π=6×2^n√(2-√(2+…√3)…)/√(2+√(2+…√3)…)
(n→∞,根式中有n個2)
專業公式可由基本公式或倍邊公式推導,它們是割圓術公式的最高形式,是以圓內接或外切正四邊形或正六邊形為基礎,不斷分割至無窮,從而得到適合專家們使用的表達式。
根據以上公式和三角函數間的關系,還可導出更為復雜壹些的圓周率公式。
二、中國圓周率的計算
在圓周率的日常應用中,我們根本不需要對其進行計算,因為數學家已經計算好了,直接拿來運用即可;但對於數學愛好者和中學生來說,親自動手計算圓周率,將會進壹步加深對圓周率的理解。
在計算機發明以前,圓周率的計算主要是靠手工計算和其他簡易工具的計算,今天我們可以直接運用計算機或計算器進行計算,計算器的精度壹般在10位左右,計算機上的計算器精度壹般在30或60位左右,如果需要數以萬計、億計的精度,則需要將三角函數原始公式代入,轉換成專業公式並編制專用程序進行計算即可,這裏只是簡單介紹常規計算。
圓周率公式非常多,我們只取其中幾個最簡單的中國圓周率公式進行講解:
⑴ π=180°sinθ∕θ 、
⑵ π=180°tgθ∕θ 、
(θ→0°θ>0°)
壹模擬計算正24576邊形的圓周率(祖率)
∵ θ=180°∕24576=0.007324219°
∴ ⑴ π=180°sinθ∕θ
=180°×sin0.007324219°∕0.007324219°
=180°×0.0001278317363∕0.007324219°
=3.1415926
∴ ⑵ π=180°tgθ∕θ
=180°×tg0.007324219°∕0.007324219°
=180°×0.0001278317374∕0.007324219°
=3.1415927
如果采用傳統的割圓術公式(倍邊公式)進行祖率計算,運算過程將達上百步,不管是采用手工還是計算器,其運算過程都是十分繁瑣的。
二計算30位精度的圓周率(win系統計算器)
壹般地,θ小數每增加壹位,則π有效值增加兩位。
為了簡化運算,θ取值為1.8°×10^(-15)即可。
∴ ⑴ π=180°sinθ∕θ
=sin(1.8°×10^(-15))×180°∕1.8°×10^(-15)
=3.14159 26535 89793 23846 26433 83279 5×10^(-17)
×180°∕1.8°×10^(-15)
=3.14159 26535 89793 23846 26433 83279 5
∴ ⑵ π=180°tgθ∕θ
=tg(1.8°×10^(-15))×180°∕1.8°×10^(-15)
=3.14159 26535 89793 23846 26433 83279 5×10^(-17)
×180°∕1.8°×10^(-15)
=3.14159 26535 89793 23846 26433 83279 5
三十位或六十位的精度已能滿足大多數科研及專業應用,成千上萬、上億位的精度主要是專家們為了檢驗圓周率公式及程序的優劣和計算機性能的高低等特殊需要而存在的。
三計算100位精度的圓周率(專業軟件)
取π=2^n√(2-√(2+…√2)…)
(n→∞)
該公式的精度壹般為0.56n,即n=100/0.56≈180
π=2^180√(2-√(2+…√2)…)
=3.14159 26535 89793 23846 26433 83279 50288 41971 69399 37510
58209 74944 59230 78164 06286 20899 86280 34825 34211 70679 8
利用計算器、計算機計算圓周率效率極高,相信壹定能夠給數學愛好者和中學生們帶來意想不到的效果。
三、中國圓周率的主要作用
在圓周率的歷史長河中,由於計算工具和計算方法的落後,圓周率公式的推導主要是為手工計算而設計的,其主要作用就是為計算而計算,因而得出的圓周率公式非常復雜,除了專家們能夠掌握使用外,普通人是知其然而不知所以然。所以舊的圓周率公式很不利於大眾普及。
由於計算工具的快速發展,手工計算圓周率已成為歷史。然而,圓周率公式依舊復雜,普通人即使利用計算器或計算機計算圓周率依然很不方便。
值得慶幸的是:中國的許多數學家和眾多的業余數學愛好者們前赴後繼,利用中國古代的割圓術思想與現代數學知識相結合,誕生了今天的中國圓周率公式,該公式正好彌補了圓周率的千古缺陷。
所以,中國圓周率公式現今的主要作用是:
1、簡捷、全面、準確的描述圓周率及相關性質。
2、快速、方便、有趣的計算圓周率。