圆周率 π 展开 为 无穷级数

圆周率  π  展开 为 无穷级数   其实 很简单,  如图 :

 

 

 

 

 

可以用   黄色小三角形 和 橙色小三角形,  以及 依此类推 下去 的 无数个 小三角形  来 逼近 圆面积,   把 这个 无限逼近 的 圆面积 称为  S,

 

因为 圆面积 =  π  r  ²        ,    所以,  有    S =  π  r  ²   ,       π  =   S / r  ²        。

 

即  用  无限逼近 的 圆面积    S  除以   r  ²    就是   π ,   因为 S 是 无穷级数,   所以,  S / r  ²   就是   π    的 无穷级数    。

 

将  黄色 小三角形  称为  第 1 层 小三角形,    橙色 小三角形  称为  第 2 层 小三角形   ,    以此类推,    有 第 3 层 、 第 4 层  ……   第 n 层 小三角形,  n -> 无穷 。

 

取  扇形 OAB 的 面积,  记为  S_扇OAB  ,   设  圆 O 半径 为 r,  面积 为 S,     则     S_扇OAB = 1/4 * S = 1/4  *  π  r  ²      。

 

则        π  =   4  *  S_扇OAB  /  r  ²         。

 

所以,  只要 求出   S_扇OAB   的 无穷级数 ,   就可以 得到   π    的 无穷级数    。

 

S_扇OAB  =   S△OAB  +  S△1 +   2 * S△2 +  4 * S△3  + …… +  2^(n - 1) * S△n         ,       n -> 无穷

 

S△OAB  是  三角形 OAB 的 面积,   S△1 是  第 1 层 小三角形 的 面积,   S△2 是  第 1 层 小三角形 的 面积,   S△n 是  第 n 层 小三角形 的 面积,

第 1 层 小三角形 有 1 个,   第 2 层 小三角形 有 2 个,  第 3 层 小三角形  有 4 个,   第 n 层 小三角形 有 2^(n - 1)  个   。

 

可以看到,       小三角形  都是  等腰三角形,    第 1 层 小三角形 的 底边 = AB ,    第 2 层 小三角形 的 底边 是  第 1 层 小三角形 的 腰,   以此类推 ,   第 n 层 小三角形 的 底边 是 第 n - 1 层 小三角形 的 腰   。

 

设  第 n 层  小三角形 的   底 为   an ,   腰 为 bn ,   高为  hn ,     为了 叙述方便,   设 m = n - 1,    则 第 n - 1 层 的 小三角形 的 底 为  am , 腰 为 bm,  高 为 hm,         根据 勾股定理 :

 

an = bm =  [  ( 1/2 * am ) ²  +  hm ²  ]  开方

hm =  r -  [  r ²  -   ( 1/2 * am ) ² ]  开方

 

a1 =  ( r ² + r ² )  开方   =   根号 2  *  r

 

于是,           

 

S_扇OAB  =   S△OAB  +  S△1 +   2 * S△2 +  4 * S△3  + …… +  2^(n - 1) * S△n         ,       n -> 无穷

=  1/2  r ²   +   1/2  a1  h1  +   2 * 1/2  a2  h2  +   4 * 1/2  a3  h3  +  ……   +  2^(n - 1)  *  1/2  an hn   ,     n -> 无穷

 

π  =   4  *  S_扇OAB  /  r  ²   

=  4 *  [ 1/2  r ²   +   1/2  a1  h1  +   2 * 1/2  a2  h2  +   4 * 1/2  a3  h3  +  ……   +  2^(n - 1)  *  1/2  an hn  ]  /   r  ²  

=  [ 2 r ²    +   2  a1  h1  +   4 *  a2  h2  +   8 *  a3  h3  +  ……   +   2^n  an hn ]   /   r  ²      ,     n -> 无穷

 

可以 令 r = 1,     则  

 

π  =   2  +   2  a1  h1  +   4  a2  h2  +   8  a3  h3   +  ……  +   2^n  an hn  ,        n -> 无穷

 

a1 = 根号 2

 

这就是   π  的 无穷级数    。

 

应该指出,    这个 级数 的 每一项 都会有 开方 ,   开方 会 产生 无理数,  无理数 是 无限不循环小数,  实际计算 中 只 取 有限 的 位数 会 产生 误差,  而 每一项 又 根据 前面 的 项 计算 而来,   这个 误差 也会 积累 下来   。

 

我用 Html5 + javascript  写了一个  程序,   来 计算 上面给出 的  无穷级数,   项目地址 :   https://github.com/kelin-xycs/PiSeries    。

 

计算结果 是   当  n = 20  时,        π  =  3.14159265358862       。        呵呵呵呵    。

 

javascript   的 浮点数 是 双精度 浮点数,   有效数字 大约 是 15 位 数字,   所以 结果 也是 15 位 数字 的 ,    但 理论上,  根本 的 误差 因素 是 上面说的 每一项 开方 产生 无理数     。

 

原文地址:https://www.cnblogs.com/KSongKing/p/12303911.html