割圆术 (刘徽)

割圆术 (刘徽)

刘徽从半径1尺圆的内接正6边形开始,逐次分割为12边形,24边形,48边形,96边形。反复使用勾股定理求得各多边形的边长,又用刘氏多边形面积公式求多边形面积。

分割6边形为12边形

刘徽割圆术原理

令圆直径为2尺,折半得半径1尺。圆内接正6边形的边长也是1尺。[8]

如图:

半径OA=r=1尺=10寸

6边形单边长AB=M=10寸

从圆心O作AB的垂直平分线OC,将AB平分为二,

AP=BP=M/2,AP+BP=AB

垂直平分线OC和圆周相交于C,

作直线AC

AC就是12边形的一边,OAP是一个直角三角形

弦=半径=r=10寸

勾=AP=M/2=5寸

股OP 可用勾股定理求得:令弦长=X,股长=G, 句长=M/2,则:

G

2

=

r

2

(

M

2

)

2

=

100

25

=

75

{\displaystyle {}G^{2}=r^{2}-\left({\frac {M}{2}}\right)^{2}=100-25=75}

平方寸

G

=

r

2

M

2

4

{\displaystyle {}G={\sqrt {r^{2}-{\frac {M^{2}}{4}}}}}

因为1寸 =100000忽

1平方寸 =10000000000平方忽

G

=

750000000000

=

866025

2

5

{\displaystyle {}G={\sqrt {750000000000}}=866025{2 \over 5}}

忽[9]APC是一个小直角三角形

令小弦AC长度为m,令小句PC长度为j

j

=

r

G

=

1000000

866025

2

5

=

133974

3

5

{\displaystyle {}j=r-G=1000000-866025{2 \over 5}=133974{3 \over 5}}

忽用勾股定理求m:

m

2

=

(

M

2

)

2

+

j

2

{\displaystyle {}m^{2}=\left({\frac {M}{2}}\right)^{2}+j^{2}}

=

(

500000

)

2

+

(

133974.6

)

2

=

267949193445

{\displaystyle {}(500000)^{2}+(133974.6)^{2}=267949193445}

平方忽12边形的一边长度

=

m

=

267949193445

=

517638.09

{\displaystyle =m={\sqrt {267949193445}}=517638.09}

12边形的一边长度的一半

=

m

2

=

517638.09

2

=

258819.045

{\displaystyle ={m \over 2}={517638.09 \over 2}=258819.045}

忽分割12边形为24边形

将上一轮的多边形边长m作为新一轮割圆的开始,

作替换M=m=12边形的一边长度

=

517638.09

{\displaystyle =517638.09}

继续将此多边形的一边平分,周而复始,重复使用[10]:

G

=

r

2

M

2

4

{\displaystyle {}G={\sqrt {r^{2}-{\frac {M^{2}}{4}}}}}

j

=

r

G

{\displaystyle {}j=r-G}

m

2

=

(

M

2

)

2

+

j

2

{\displaystyle {}m^{2}=\left({\frac {M}{2}}\right)^{2}+j^{2}}

=

M

2

4

+

j

2

{\displaystyle {}={\frac {M^{2}}{4}}+j^{2}}

由上M^2已有现成数值

M

2

=

267949193445

{\displaystyle {}M^{2}=267949193445}

M

2

4

=

267949193445

4

=

66987298361

{\displaystyle {\frac {M^{2}}{4}}={267949193445 \over 4}=66987298361}

G

=

r

2

M

2

4

=

1000000000000

66987298361

=

965925

4

5

{\displaystyle {}G={\sqrt {r^{2}-{\frac {M^{2}}{4}}}}={\sqrt {1000000000000-66987298361}}=965925{4 \over 5}}

j

=

r

G

=

1000000

965925

4

5

=

34074

1

5

{\displaystyle {}j=r-G=1000000-965925{4 \over 5}=34074{1 \over 5}}

m

2

=

(

M

2

)

2

+

j

2

=

66987298361

+

(

34074

1

5

)

2

=

68148349466

{\displaystyle {}m^{2}=({\frac {M}{2}})^{2}+j^{2}=66987298361+(34074{1 \over 5})^{2}=68148349466}

24边形一边长度

m

=

68148349466

=

261052

2

5

{\displaystyle m={\sqrt {68148349466}}=261052{2 \over 5}}

分割24边形为48边形

将第二轮的多边形边长m作为第三轮割圆的起点[11],

作替换

M

=

m

=

261052

2

5

{\displaystyle M=m=261052{2 \over 5}}

M

2

=

m

2

=

68148349466

{\displaystyle {}M^{2}=m^{2}=68148349466}

M

2

4

=

68148349466

4

=

17037087366

{\displaystyle {\frac {M^{2}}{4}}={68148349466 \over 4}=17037087366}

G

=

r

2

M

2

4

=

1000000000000

17037087366

=

991444

4

5

{\displaystyle {}G={\sqrt {r^{2}-{\frac {M^{2}}{4}}}}={\sqrt {1000000000000-17037087366}}=991444{4 \over 5}}

j

=

r

G

=

1000000

991444

4

5

=

8555

1

5

{\displaystyle {}j=r-G=1000000-991444{4 \over 5}=8555{1 \over 5}}

m

2

=

(

M

2

)

2

+

j

2

=

68148349466

4

+

(

8555

1

5

)

2

=

17110278813

{\displaystyle {}m^{2}=({\frac {M}{2}})^{2}+j^{2}={68148349466 \over 4}+(8555{1 \over 5})^{2}=17110278813}

开平方,得48边形一面

m

=

17110278813

=

130806

{\displaystyle m={\sqrt {17110278813}}=130806}

忽根据刘徽多边形面积公式:

96边形的面积= 48边形的半周长×半径=

m

×

48

2

×

r

{\displaystyle m\times {\frac {48}{2}}\times r}

,所以96边形的面积

A

96

=

130806

×

48

2

×

1000000

{\displaystyle A_{96}=130806\times {\frac {48}{2}}\times 1000000}

=

130806

×

24

×

1000000

=

31393440000000

{\displaystyle ={130806\times 24\times 1000000}=31393440000000}

平方忽

A

96

=

31393440000000

10000000000

=

313

584

625

{\displaystyle A_{96}={\frac {31393440000000}{10000000000}}=313{584 \over 625}}

平方寸分割48边形为96边形

将第三轮的多边形边长m作为第四轮割圆的起点[12]

作替换

M

=

m

=

130806

{\displaystyle M=m=130806}

M

2

=

m

2

=

17110278813

{\displaystyle M^{2}=m^{2}=17110278813}

M

2

4

=

17110278813

4

=

4277569703

{\displaystyle {\frac {M^{2}}{4}}={17110278813 \over 4}=4277569703}

G

=

r

2

M

2

4

=

1000000000000

4277569703

=

997858

9

10

{\displaystyle {}G={\sqrt {r^{2}-{\frac {M^{2}}{4}}}}={\sqrt {1000000000000-4277569703}}=997858{9 \over 10}}

j

=

r

G

=

1000000

997858

9

10

=

2141

1

10

{\displaystyle {}j=r-G=1000000-997858{9 \over 10}=2141{1 \over 10}}

m

2

=

(

M

2

)

2

+

j

2

=

17110278813

4

+

(

2141

1

10

)

2

=

4282154012

{\displaystyle {}m^{2}=({\frac {M}{2}})^{2}+j^{2}={17110278813 \over 4}+(2141{1 \over 10})^{2}=4282154012}

开方得

96边形的一边

m

=

4282154012

=

65438

{\displaystyle m={\sqrt {4282154012}}=65438}

忽根据刘徽多边形面积公式:

192边形的面积

A

192

=

{\displaystyle A_{192}=}

96边形的半周长×半径=

m

×

96

2

×

r

{\displaystyle m\times {\frac {96}{2}}\times r}

所以192边形的面积

A

192

=

65438

×

96

2

×

1000000

{\displaystyle A_{192}=65438\times {\frac {96}{2}}\times 1000000}

平方忽

=

65438

×

48

×

1000000

=

3141024000000

{\displaystyle ={65438\times 48\times 1000000}=3141024000000}

平方忽

A

192

=

3141024000000

10000000000

=

314

64

625

{\displaystyle A_{192}={\frac {3141024000000}{10000000000}}=314{64 \over 625}}

平方寸

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