椭圆的周长计算方法
椭圆是一个平面上离心率小于1的闭合曲线,其周长的计算方法如下:
1. 将椭圆分成若干个小段,每个小段当作圆弧来计算周长。
2. 对于每个小段,可以用勾股定理求出其长度,再乘以该小段所占比例得到小段长度。
3. 将所有小段的长度相加,即为椭圆周长的近似值。随着小段数量的增加,近似值会越来越接近真实值。
4. 如果需要更精确的值,可以使用积分的方法进行计算。
椭圆计算历史
对于椭圆的研究历史可以追溯到古希腊时期,欧多克索斯就曾通过几何推导得出了椭圆的基本性质。但是,直到16世纪,德国数学家开普勒才通过对行星运动的观测,发现了行星轨道是椭圆形状,并提出了三个行星定律。这些工作为后来的椭圆形状的研究奠定了基础。
在计算椭圆的过程中,人们使用的方法也在不断发展和完善。17世纪,伯努利兄弟提出了使用积分的方法计算椭圆周长和面积。【伯努利兄弟提出的方法是把椭圆划分成一系列的小扇形,然后将每个小扇形的弧长近似看作半径为 $acostheta$ 的圆的弧长(其中 $a$ 是椭圆的长半轴,$theta$ 是该扇形对应的角度),使用三角函数代换和分部积分等技巧,将圆的弧长转化为函数 $f(theta)=sqrt{1-e^2sin^2theta}$ 的反导数形式。例如,对于一段包含在 $theta_0letthetaleq theta_0+Deltatheta$ 中的弧长,圆的半径应近似为 $acostheta_0$,弧长近似为 $a cos theta_0 int_{theta_0}^{theta_0+Deltatheta}f(theta)operatorname dtheta$。
最终得到的椭圆周长公式为:
$$L=4aint_0^{frac{pi}{2}}sqrt{1-e^2sin^2theta},operatorname{d}theta$$
其中 $a$ 是椭圆的长半轴长度,$e$ 是椭圆的离心率。这个公式也叫做椭圆第一类积分或者完整椭圆积分。
对于椭圆的面积,伯努利兄弟也提出了一种使用积分计算的方法。他们将椭圆分成无数个小矩形,计算每个小矩形的面积,把所有小矩形面积相加。当小矩形足够小的时候,这个和就趋近于椭圆面积。
最终得到的椭圆面积公式为:
$$S=pi ab$$其中 $a$ 是椭圆的长半轴长度,$b$ 是椭圆的短半轴长度。】
18世纪,欧拉和拉格朗日分别提出了它们自己的计算方法,【欧拉提出了一种新的计算椭圆周长的方法,称为欧拉-马斯刻罗尼积分。这种方法比伯努利兄弟的方法更简便,因为它只需计算一个不定积分即可。
具体来说,欧拉将椭圆曲线表示为参数方程 $x=acos t$,$y=bsin t$,其中 $a$ 和 $b$ 分别是椭圆的长半轴和短半轴,然后将其代入勾股定理,得到:$$frac{operatorname d s}{operatorname d t}=sqrt{a^2sin^2t+b^2cos^2t}=sqrt{a^2-b^2+(b^2-a^2)cos^2t}$$
则有
$$L= int_0^{2pi}sqrt{a^2-b^2+(b^2-a^2)cos^2t},operatorname d t$$
这个积分称为欧拉-马斯刻罗尼积分。如果把积分看作完整椭圆积分的特殊形式,即令 $a = b$,则可以发现这两种方法是等价的。
除了计算椭圆周长,欧拉还对椭圆进行了广泛的研究,并发现了许多椭圆的性质和应用。例如,他研究了椭圆的离心率与长半轴、短半轴的关系,证明了二次共轭曲线(如椭圆和双曲线)之间的对偶性质等等。】
【拉格朗日也研究了椭圆,并提出了许多与椭圆相关的理论和公式。其中,他最著名的贡献之一是发现了椭圆积分的变量分离形式。
具体来说,拉格朗日定义了一个新的变量 $z$,使得原始的椭圆积分可以表示为以下形式:
$$int_0^{frac{pi}{2}} frac{operatorname d theta}{sqrt{1-k^2sin^2theta}}=int_0^z frac{operatorname d t}{sqrt{(1-t^2)(1-k^2t^2)}}$$
其中 $k^2=b^2/a^2$ 是椭圆的离心率的平方。这个变量 $z$ 称为拉格朗日变量或者椭圆第二类积分。
通过使用部分分式分解和三角函数代换等技巧,可以将椭圆积分转化为对数函数的形式。这个转化过程对于计算椭圆积分的值非常有用,并且在实际应用中经常被使用。
除此之外,拉格朗日还研究了椭圆的性质,证明了许多关于椭圆的基本定理和推论,例如椭圆的切线与法线垂直,椭圆上任意两点之间的最短路径是一个椭圆弧线等等。他的研究成果对于解决许多实际问题,例如轨道力学、天文学、地球物理学等领域的问题都具有重要的意义。】
而高斯则提出了一个新的方法,称为高斯-拉马努金椭圆积分。【高斯也研究了椭圆,并对其做出了一系列重要的贡献。他最突出的成就之一是发现了椭圆积分完全归纳公式,即将椭圆积分从 $n=1$ 逐步推导到 $n=infty$ 的通式表达。
具体来说,高斯利用前人的研究成果,发现了一个重要的递推关系式:
$$int_{0}^{frac{pi}{2}} cos^{2n} theta,mathrm dtheta = frac{1cdot 3cdot 5cdots (2n-1)}{2cdot 4cdot 6cdots (2n)}cdot frac{pi}{2}$$
然后,他将这个递推关系式应用到求解所有椭圆积分上,得到了椭圆积分的通式表达:
$$F(phi,k) = int_{0}^{phi}frac{1}{sqrt{1-k^2sin^2theta}},mathrm dtheta = sum_{n=0}^{infty} binom{2n}{n}^2left(frac{k}{2}right)^{2n}(phi-phi_0)$$
其中 $phi_0$ 是参数 $phi$ 的参考值,具体取值可以根据需要选择。这个完全归纳公式的发现对于椭圆积分的计算和应用都具有重要的意义,并且成为了高斯在数学中的一个重要的贡献之一。
除此之外,高斯还研究了椭圆的其他性质和应用,例如椭圆的辅助角公式、椭圆的离心率和焦距之间的关系、椭圆轨道下的天体运动等等。这些研究成果不仅在数学领域得到了广泛的应用,而且在天文学、物理学、地球物理学等其他领域中也有着非常重要的实际意义。】
除此之外,还有许多数学家对椭圆进行了研究,并提出了不同的计算方法。
现代计算机技术的发展,使得椭圆周长的计算变得更加准确和高效。
椭圆也是圆,所以它和求圆周长方式应该是一样的。可以借助一下我前几天整理出来的方法。
我用一条8㎝的绳子围成一个圆,这个圆的周长为固定的8㎝。
但是如果你用求圆周长公式计算就出问题了!
由于求圆周长公式C=πd,π是无理数,所以你用求周长公式只能接近8㎝,而无法准确的计算出这个圆的周长。
d=8/π,8是圆周长,除以π咱们求直径。
d=2.547770700636942
2.547770700636942就是这个圆的约等于直径。
然后我们再用这个直径乘以π求出的圆周长为:
2.547770700636942*3.14=7.999999999999997
这个7.999999999999997就是圆周长!看没看到,不是8㎝!是接近8㎝!惊不惊讶!
一个极不准确的公式被我们用了这么多年!
如果我们把这个周长8㎝的圆,用三分法或者四分法,就是把这个圆周长改成三角形或者四边形就可以精确地计算出圆周长!惊不惊讶!
比如圆周为1㎝的绳,我们就用4分法,把圆周改成1/4=0.25㎝,就是把圆周长为1㎝的圆改成边长为0.25㎝的正方形就可以精确的计算出圆周长来!
以此类推:
2/4就是边长0.5㎝正方形,就是圆周长为2㎝的也用4分法。
3/3就是把圆周长为3㎝的圆改成边长为1的等边三角形
3.14*100=314/4=78.5/100=0.785
就是把圆周长为3.14㎝的绳改成为边长为0.785㎝的正方形就可以精确地计算出圆周长!
一个圆周长为8㎝的圆,把这个圆改成边长为2㎝的正方形,就能准确地计算出圆周长是8㎝!而你用求圆周长公式却只能约等于8㎝!
条友们,一个只能约等于,一个能精确的计算出来!是不是说明我们的圆周长公式有问题呢?