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圓周長
來源:互聯網

圓周長龐巴迪公司:circumference)即圓的周長,是指繞圓一周的曲線的長度,是圓的基本度量屬性之一。在數學定義中,圓作為平面上到定點(圓心)的距離等于定長(半徑)的所有點組成的封閉曲線,其周長的大小由半徑或直徑決定,是描述圓的空間范圍的重要參數。當圓內接與外切正多邊形的邊數無限倍增時,它們的周長的公共極限就叫做這個圓的周長。圓的周長與直徑有著一個常數的比,這個常數就是圓周率,數值約等于3.141592654,常用希臘字母來表示,圓周長也就是:或者(其中是圓的直徑,是圓的半徑)。其中數學常數如今常用在數學、工程學及科學中。

定義

平面解析幾何定義:在平面幾何中,周長是指封閉曲線一周的長度。由于圓是“到定點的距離等于定長的點的軌跡”,因此,這一軌跡(封閉曲線) 的長度就是圓的周長。

解析幾何定義:在解析幾何中,圓被定義為滿足方程產的點的集合。如下圖為笛卡爾坐標系中以 O(a,b)為圓心,r為半徑的圓,圍成圓的曲線長即是圓周長。

正多邊形定義:當圓內接(或外切)正多邊形的邊數無限增加時,內接(或外切)正n邊形的周長就無限接近于一個確定的值,這個值就是圓周長C。

證明過程如下:

如果把一個圓內接正多邊形的邊數加倍,使這樣所得的多邊形仍然是內接于同圓的正多邊形之后,再照樣把它的邊數加倍下去,并且無限地繼續這個加倍邊數的過程,便得出一系列邊數倍增的圓內接正多邊形,這些正多邊形的周長組成一個無限序列:,這個無限序列第二項起每一項都大于它的前一項,是一個遞增的無限序列,另一方面,這個無限序列雖然是遞增的,但它的每一項都不能超過某一個常數,例如,不能超過圓的某外切正多邊形的周長。由此可見,當圓內接正多邊形的邊數無限倍增,而每邊的長趨于零時,這正多邊形的周長便趨于某一個常數,稱之為極限,這個極限就叫做圓的周長。

計算公式

設和,是已知兩個同心圓的半徑,和是兩圓的周長,在第一個圓內作內接正多邊形,第二個圓內作相同邊數的內接正多邊形,使得兩個多邊形相似,周長分別為,且周長之比等于相似比,因此,當邊數n無限倍增時,由圓周長的定義可知,因此,兩個圓的周長之比等于兩圓半徑之比,同時也等于兩圓直徑之比,即圓的周長和直徑的比是一個常數,叫做圓周率。圓周率通常用表示,由此得出,圓周長的計算公式為:或者。與之相似的橢圓,周長等于該橢圓短半徑與長半徑之和與該橢圓系數的積。

圓周率

定義

圓周率是指平面上圓的周長與直徑之比。早在公元兩千多年前,古代的巴比倫、埃及、中國和以色列人就已先后發現了一個事實:不管圓的大小如何,它的周長除以它的直徑總是一個不變的數值(常數),人們把這個常數叫作圓周率。小行星3789古代有“圓率”、“周率”、“周”等名稱。圓周率通常用表示,是希臘語 περιφρεια (圓周)的第一個字母,讀音為 pai。

研究歷史

古代人們在生產和生活實踐時,如制作車輪,木桶,建造圓形建筑等過程中逐漸發現了圓的周長和直徑之間的比例關系。人們通過實驗測量的方法發現圓周率的數值是一個略大于3的固定值。為計算圓的周長,必須計算的值,隨著社會發展和科學技術的進步,在公元前250年,古希臘數學家阿基米德(Archimedes)利用割圓法求得圓周率的近似值為3.1416。此外阿基米德首次通過計算圓的內接和外切正九十六邊形的周長,算得。這種近似π的方法已經使用了幾個世紀,通過使用邊數越來越多的正多邊形來獲得更高的精度。最后一次這樣的計算是在1630年由奧地利天文學家克里斯托夫·格林伯格(Christoph Grienberger)進行的,他使用了正邊形。中國古算書《周髀算經》記載“圓徑一而周三”的結論,也就是等于3,可稱為古率。至三國魏景元四年(公元263年)劉徽在《九章算術》中記載“割圓術”,將圓內接正多邊形的邊數逐次加倍至192邊形,推算出圓周率為3.14,可稱為徽率,“割圓術”的大致方法在中學的數學教材上就有。然而必須看到,它很大程度上只是計算圓周率的方法,而圓周長是C = π * d似乎已經是事實了,這一方法僅僅是定出π的值來。此后南北朝數學家祖沖之使用更精密的方法推算出為3.14159265,稱為祖率。到了微積分出現后,人們開始用分析法將展開為無窮冪級數來求解。1946年世界第一臺計算機制造成功,人類進入計算機時代,不久后電子計算機被用來計算的值,大致過程為:選定計算的公式,編程后輸人計算機,發出計算指令計算、然后打印或存檔,這一階段各數學家開始尋找各種新算法,到1998年,人類所知的圓周率已精確到500億位。

推導過程

利用積分的方法可以推導出圓的周長計算公式,在平面直角坐標下圓的方程是,該圓的參數方程就是,。于是圓周長就是,可得到。

橢圓在平面直角坐標下的方程為,參數方程即為,,令,于是橢圓的周長就是,為第二類完全橢圓積分,為橢圓積分模數。

應用

計算

圓的周長計算公式在數學中可應用于解決多種情境模型的數學問題,如已知直徑,計算鏡子或花壇等圓形物件的周長;已知近圓的運行軌道距地球的距離,計算飛船繞地球運行一周經過的路程;已知汽車車輪直徑以及每分鐘的轉數,計算汽車一分鐘行駛的路程等。

機械運動

圓周長的計算可應用于解決機械運動的相關問題,比如通過使圓周長的連續改變,可以解決某些機械結構在轉速上不能連續改變的問題,例如在機床上采用的無級變速方式,使其操縱更加方便,結構也更簡單。

參考資料 >

Decimal expansion of Pi .OEIS.2023-09-25

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