圆的周长怎么算出来的 圆形周长面积公式是啥

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圆形简单、对称、精致 。但是我们到底要怎样去度量它呢?就这个问题而言 , 其实质是我们要怎样去度量弯曲的形状 。

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关于圆形 , 我们需要注意的第一件事情是 , 圆上的任意一点距离圆心的距离都相等 。毕竟 , 只有这样它才能够成为一个圆 。圆上的任意一点距离圆心的距离 , 我们称之为圆的半径 。由于所有的圆其形状都相同 , 因此只有半径能够使一个圆区别于另外一个圆 。圆的周长 , 我们称之为圆周(circumference , 拉丁语“随身携带”的意思) 。我想 , 对于圆而言 , 最自然的度量便是其面积和圆周 。
让我们从做一些近似开始吧 。如果我们在圆上放置一定数目的等距离的点 , 然后连接各点 , 由此我们就会得到一个正多边形 。
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这个正多边形的面积和周长的值比圆的相应值要小一些 , 但这两对值相当接近 。如果我们放置更多的点 , 则可以使这两对值更加接近 。假定我们所使用的点的数目很大 , 比方说为n 。于是 , 我们就得到一个正 n边形 , 且其面积和周长与圆的真实面积和周长非常接近 。关键的一点是 , 随着正 n边形边数的增多 , 正n边形也会越来越近似于圆 。那么 , 此正多边形的面积又是多少呢?让我们将它切分成 n个相同的三角形吧 。
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这样 , 每个三角形的底边长度就等于正多边形的边长 , 令其为 s 。而三角形的高度则是从圆心到正多边形边的距离 , 我们称该高度为 h 。因此 , 每个三角形的面积为1/2hs , 而正多边形的面积则为1/2hsn 。注意到 sn正好是正多边形的周长 , 因此我们可以得出如下等式:
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其中的 p为正多边形的周长 。就这样 , 使用周长和圆心到边长的距离 , 我们将正多边形的面积精确地表示了出来 。
然而 , 随着边数 n无限地增大 , 情况又会怎样呢?显然 , 正多边形的周长 p将会和圆的周长 C越来越接近 , 而高度 h也将会逼近圆的半径r 。这说明正多边形的面积必然会逼近1/2rC , 而同时正多边形的面积也一直在逼近圆的真实面积 A 。那么 , 唯一的结论只可能是 , 这两个数值必然相等 , 即
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这表明 , 圆的面积刚好等于半径与圆周的乘积的一半 。
一种思考该结论的好方法是 , 设想将圆周展开成一条直线 , 则该直线和圆的半径刚好形成一个直角三角形 。
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我们所得出的公式表明 , 圆形所占据的面积刚好和这个直角三角形的面积相等 。
这里 , 有一种很重要的方法 。仅仅通过做一些近似 , 我们就不经意地得出了圆的面积的精确表示 。关键的一点是 , 我们并不只是做了几个精确程度很高的近似 , 而是做了无穷多个近似 。我们构造了一个精确程度越来越高的无穷近似序列 , 这无穷多个近似已经足以让我们看出其中的模式并得到它们的极限 。换句话说 , 我们可以从一个有模式的无穷近似序列中得知真理 。因此 , 将这视为迄今为止人类所产生的最伟大的想法 , 是有一定道理的 。
这种奇妙的方法 , 我们一般称之为穷竭法 , 它是由古希腊数学家欧多克索斯(Eudoxus , 柏拉图的一位学生)于公元前 370年左右发明的 。它让我们可以通过构造无穷的直线近似序列来度量弯曲的形状 。运用穷竭法构造无穷近似序列的诀窍是 , 所构造出的无穷序列必须具有某种模式——一个无穷的随机数序列并不能告诉我们什么有价值的信息 。因此 , 只有一个无穷的序列是不够的 , 我们还必须能够发现其中的模式从而理解该序列 。