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。

椭圆长轴和短轴

注意:ab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"):

椭圆周长估计 2pi sqrt((a^2+b^2)/2)

估计 2

著名印度数学家拉马努金找到这个更好的估计:

椭圆周长估计 pi [ 3(a+b) - sqrt((3a+b)(a+3b))]

估计 3

这个也是拉马努金提出的。我们先求 "h":

h = (a-b)^2/(a+b)^2

然后代入:

椭圆周长估计 pi(a+b)(1 + 3h/(10+sqrt(4-3h)))

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。

我们先求 e ("偏心率", 不是 欧拉数"e"):

偏心率公式:e = sqrt(a^2-b^2)/a

然后用这个 "无穷级数" 公式:

椭圆周长估计 2a pi [ 1 - sigma i=1 到无穷大 ( (2i)!^2/(i!2^i)^4 times e^21/(2i-1))]

乍看很复杂,但我们可以把它展开为:

椭圆周长估计 2a pi [ 1 - (1/2)^2 e^2 - (1x3/2x4)^2 e^4 /3 - (1x3x5/2x4x6)^2 e^6 /5 - ... ]

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":

h = (a-b)^2/(a+b)^2

然后代入这个 "无穷级数" 公式:

椭圆周长估计 pi(a+b) sigma n=0 to infinity of (0.5 choose n)^2 h^n

(主要:组合-半-n 是半整数阶乘二项式系数!)

很可怕的公式!但其实可以展开为:

二项式系数 pi(a+b) (1 + (1/4)h + (1/64)h^2 + (1/256)h^3 + ……)

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:

  线
    椭圆 10 10 椭圆 10 5 椭圆 10 3 椭圆 10 1 椭圆 10 0
a:   1010101010
b:   105310
估计 1:   62.83249.67346.38544.6544.429
估计 2:   62.83248.44243.85740.60639.834
估计 3:   62.83248.44243.85940.63939.984
级数 1:   62.83248.87645.17443.20442.951
级数 2:   62.83248.44243.85940.62339.884
精确答案*:   20π 40


* 绝对精确:

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级数 2 的答案接近 40。