椭圆的周长
我们在椭圆页面学习了椭圆的定义和一些简单属性,在这里我们会学习怎样较为精确地计算它的周长。
周长
奇怪的是,椭圆的周长是很难计算的!
有很多公式,有些公式相当有趣。
注意:a 和 b 是从中心度量的,就像 "半径" 一样。
估计 1
这个估计与正确的答案只有 5% 的差别,但a不能比b长三倍以上(就是说,椭圆不能太 "扁"):
估计 2
著名印度数学家拉马努金找到这个更好的估计:
估计 3
这个也是拉马努金提出的。我们先求 "h":
然后代入:
无穷级数 1
这是个绝对精确的公式,但需要计算 "无穷的级数" 来得到绝对精确的答案,所以实际上我们只能得到一个近似值。
然后用这个 "无穷级数" 公式:
乍看很复杂,但我们可以把它展开为:
级数一直延续到无穷大,我们也需要计算很多项的和才能得到一个相当精确的答案。
无穷级数 2
我最喜爱的绝对精确公式(因为用几个项就可以得到非常精确的答案)是:
先求 "h":
然后代入这个 "无穷级数" 公式:
很可怕的公式!但其实可以展开为:
相加的越多项,答案就越精确(下一项是 25h4/16384,一个相当小的数,在下一个是 49h5/65536,接着是 441h6/1048576)
比较
做一个比较,我用上面的三个估计方法和两个精确方法(只用了头四项,所以也是个估计)来计算这些椭圆的周长:
圆 | 线 | |||||
a: | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | |
b: | 10 | 5 | 3 | 1 | 0 | |
估计 1: | 62.832 | 49.673 | 46.385 | 44.65 | 44.429 | |
估计 2: | 62.832 | 48.442 | 43.857 | 40.606 | 39.834 | |
估计 3: | 62.832 | 48.442 | 43.859 | 40.639 | 39.984 | |
级数 1: | 62.832 | 48.876 | 45.174 | 43.204 | 42.951 | |
级数 2: | 62.832 | 48.442 | 43.859 | 40.623 | 39.884 | |
精确答案*: | 20π | 40 |
* 绝对精确:
- 如果 a=b,椭圆是个圆,周长是 2πa(在这个例子是 62.832……)。
- 如果 b=0(图形是两条直线重叠),周长是 4a(在这个例子是 40)。
所有方法都计算了精确的圆周,但如果椭圆是直线(b=0),只有估计 2 和 3 及 级数 2 的答案接近 40。