割圆术――刘徽《九章算术注》
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割圆术——刘徽《九章算术注》割圆术(cyclotomic method)所谓“割圆术”,是用圆内接正多边形的周长去无限逼近圆周并以此求取圆周率的方法。
这个方法,是刘徽在批判总结了数学史上各种旧的计算方法之后,经过深思熟虑才创造出来的一种崭新的方法。
中国古代从先秦时期开始,一直是取“周三径一”(即圆周周长与直径的比率为三比一)的数值来进行有关圆的计算。
但用这个数值进行计算的结果,往往误差很大。
正如刘徽所说,用“周三径一”计算出来的圆周长,实际上不是圆的周长而是圆内接正六边形的周长,其数值要比实际的圆周长小得多。
东汉的张衡不满足于这个结果,他从研究圆与它的外切正方形的关系着手得到圆周率。
这个数值比“周三径一”要好些,但刘徽认为其计算出来的圆周长必然要大于实际的圆周长,也不精确。
刘徽以极限思想为指导,提出用“割圆术”来求圆周率,既大胆创新,又严密论证,从而为圆周率的计算指出了一条科学的道路。
在刘徽看来,既然用“周三径一”计算出来的圆周长实际上是圆内接正六边形的周长,与圆周长相差很多;那么我们可以在圆内接正六边形把圆周等分为六条弧的基础上,再继续等分,把每段弧再分割为二,做出一个圆内接正十二边形,这个正十二边形的周长不就要比正六边形的周长更接近圆周了吗?如果把圆周再继续分割,做成一个圆内接正二十四边形,那么这个正二十四边形的周长必然又比正十二边形的周长更接近圆周。
这就表明,越是把圆周分割得细,误差就越少,其内接正多边形的周长就越是接近圆周。
如此不断地分割下去,一直到圆周无法再分割为止,也就是到了圆内接正多边形的边数无限多的时候,它的周长就与圆周“合体”而完全一致了。
按照这样的思路,刘徽把圆内接正多边形的面积一直算到了正3072边形,并由此而求得了圆周率为3.14和 3.1416这两个近似数值。
这个结果是当时世界上圆周率计算的最精确的数据。
刘徽对自己创造的这个“割圆术”新方法非常自信,把它推广到有关圆形计算的各个方面,从而使汉代以来的数学发展大大向前推进了一步。
割圆术——刘徽《九章算术注》割圆术(cyclotomic method)所谓“割圆术”,是用圆内接正多边形的周长去无限逼近圆周并以此求取圆周率的方法。
这个方法,是刘徽在批判总结了数学史上各种旧的计算方法之后,经过深思熟虑才创造出来的一种崭新的方法。
中国古代从先秦时期开始,一直是取“周三径一”(即圆周周长与直径的比率为三比一)的数值来进行有关圆的计算。
但用这个数值进行计算的结果,往往误差很大。
正如刘徽所说,用“周三径一”计算出来的圆周长,实际上不是圆的周长而是圆内接正六边形的周长,其数值要比实际的圆周长小得多。
东汉的张衡不满足于这个结果,他从研究圆与它的外切正方形的关系着手得到圆周率。
这个数值比“周三径一”要好些,但刘徽认为其计算出来的圆周长必然要大于实际的圆周长,也不精确。
刘徽以极限思想为指导,提出用“割圆术”来求圆周率,既大胆创新,又严密论证,从而为圆周率的计算指出了一条科学的道路。
在刘徽看来,既然用“周三径一”计算出来的圆周长实际上是圆内接正六边形的周长,与圆周长相差很多;那么我们可以在圆内接正六边形把圆周等分为六条弧的基础上,再继续等分,把每段弧再分割为二,做出一个圆内接正十二边形,这个正十二边形的周长不就要比正六边形的周长更接近圆周了吗?如果把圆周再继续分割,做成一个圆内接正二十四边形,那么这个正二十四边形的周长必然又比正十二边形的周长更接近圆周。
这就表明,越是把圆周分割得细,误差就越少,其内接正多边形的周长就越是接近圆周。
如此不断地分割下去,一直到圆周无法再分割为止,也就是到了圆内接正多边形的边数无限多的时候,它的周长就与圆周“合体”而完全一致了。
按照这样的思路,刘徽把圆内接正多边形的面积一直算到了正3072边形,并由此而求得了圆周率为3.14和3.1416这两个近似数值。
这个结果是当时世界上圆周率计算的最精确的数据。
刘徽对自己创造的这个“割圆术”新方法非常自信,把它推广到有关圆形计算的各个方面,从而使汉代以来的数学发展大大向前推进了一步。
刘徽的数学贡献1.极限观念与割圆术极限意识在春秋战国时已出现,实际加以应用的是刘徽。
刘徽已领悟到数列极限的要谛,故能有重要创获。
刘徽的杰出贡献首推他在《九章算术注》中创立的割圆术,其所用方法包含初步的极限概念和直线曲线转化的思想。
在一千五百年前能运用这种思想,是难能可贵的。
有了割圆术,也就有了计算圆周率的理论和方法。
圆周率是圆周长和直径的比值,简称π值。
π值是否正确,直接关系到天文历法、度量衡、水利工程和土木建筑等方面的应用,所以精确计算π值,是数学上的一个重要任务。
2.关于体积计算的刘徽定理一般地说,柱体或多面体的体积计算较比容易解决,而圆锥、圆台之类的体积就难以求得。
刘徽经过苦心思索,终于找到了一条途径,他分别做圆锥的外切正方锥和圆台的外切正方台,结果发现:“求圆亭(圆台)之积,亦犹方幂中求圆幂,圆面积与其外切正方形的面积之比为π∶4,由此他推得:圆台(锥)的体积与其外切正方台(锥)的体积之比,也是π∶4。
很显然,如果知道了正方台(锥)的体积,即可求得圆台(锥)的体积。
刘徽这个成果,看似简单,实际起着继往开来的重要作用,故有的现代数学家称之为“刘徽定理”。
在古代没有微积分的时候,这条定理起着微积分的作用,在现代数学中仍有共价值。
刘宋时祖冲之、祖暅父子继承刘徽定理而得出更为进步的祖氏原理。
在西方,直到1635年意大利数学家卡瓦列利才有了与祖氏父子类似的思想,比祖氏父子已晚了一千一百多年,比刘徽更迟了一千三百多年。
3.十进小数的应用在数学计算或实际应用中总不免出现奇零小数,在刘徽以前,一般是用分数或命名制来表示,如“一升又五分升之三”,即升。
或七分八厘九毫五忽”等,在位数较少时,尚可凑合,当小数位数太多时,便很不方便,因之刘徽建立了十进分数制。
他以忽为最小单位,不足忽的数,统称之为微数,开平方不尽时,根是无限小数,这又是无限现象。
他说:“微数无名者以为分子,其一退以十为分母,再退以百为母,退之弥下,其分弥细,则朱幂(已经开出去的正方形面积)虽有所弃之数(未能开出的部分),不定言之也”。
刘徽对数学的贡献三国以前,我国数学要籍,首推《九章算术》。
刘徽在数学上的贡献,主要在其《九章算术注》一书。
《隋书》卷16《律历上》载:“魏陈留王景元四年刘徽注《九章》”。
是知《九章算术注》完成于景元四年(263年)。
《隋书》卷34《经籍志三》有《九章算术》十卷、《九章重差图》一卷,均注明系刘徽撰。
后《九章重差图》失传,唐人将《九章算术注》内有关数学用于测量的《重差》一卷取出,独成一书,因其中第一个问题系测量海岛,故改名为《海岛算经》。
刘徽这两个著作是我国数学史上宝贵的文献,即在世界数学史上也有一定的地位。
今述其主要贡献如下:1.极限观念与割圆术极限意识在春秋战国时已出现,实际加以应用的是刘徽。
刘徽已领悟到数列极限的要谛,故能有重要创获。
刘徽的杰出贡献首推他在《九章算术注》中创立的割圆术,其所用方法包含初步的极限概念和直线曲线转化的思想。
在一千五百年前能运用这种思想,是难能可贵的。
有了割圆术,也就有了计算圆周率的理论和方法。
圆周率是圆周长和直径的比值,简称π值。
π值是否正确,直接关系到天文历法、度量衡、水利工程和土木建筑等方面的应用,所以精确计算π值,是数学上的一个重要任务。
在刘徽以前,已有许多人计算过π值。
最早的π值是3,后来又发展到3.1547或√10。
但如何求得,从未有人加以科学的阐明。
刘徽建立的割圆术,是在圆内接正六边形,然后使边数逐倍增多,他说:“割之弥细,所失弥少,割之又割,以至于不可割,则与圆合体而无所失矣”。
这是因为,圆内接正多边形无限多时,其周长极限即为圆周长,面积即为圆面积。
他算到正192边形时,求得圆周率为3.14的近似值。
他又用几何方法把它化为。
后人即将3.14或叫作“徽率”。
刘徽以为还可继续求,唯他不曾再求。
以上圆周率是当时世界上的最佳数据。
公元前三世纪希腊数学家阿基米得曾提出圆周长于内接圆内多边形而小于圆外切多边形周长,算出了3<π<3的数值。
但阿基米得是用的归谬法,他避开了无穷小和极限,而刘徽应用了极限的概念,且只用圆内接正多边形的面积计算,而省去了计算圆外切正多边形的面积,从而收到了事半功倍之效。
刘徽九章算术注与祖冲之计算圆周率之谜在中国古代,早在约在公元3世纪,刘徽将军发表了一本名叫《九章算术注》的著作,其中包括了一章关于圆周率的计算。
刘徽通过推导和计算,得到了一个近似的圆周率值,约为3.1416,非常接近现代所认可的圆周率值。
他的方法是用正方形的内接多边形逐渐逼近圆。
然而,刘徽的这个计算方法并不是最精确的,因为要得到更加精确的圆周率值还需要用到更多的计算和推导。
直到公元5世纪,中国古代数学家祖冲之提出了一个更加先进的方法来计算圆周率。
祖冲之的方法相较于刘徽的方法来说更为有效和精确,虽然在当时还没有现代的计算工具,但他通过这种较为精确的近似值表明了他对数学的深入研究和才智的发展。
祖冲之的贡献也进一步推动了中国古代数学的发展,为后来的数学家提供了很好的学习和研究材料。
总结起来,刘徽九章算术注和祖冲之的计算圆周率之谜,展示了古代中国数学的发展和突破,并且为后来的数学家提供了良好的研究基础。
他们的方法虽然不是完全精确,但在当时的条件下已经相当出色,为后代研究圆周率的算法提供了很好的启发和借鉴。
他们的努力和成果在数学历史的发展中占有重要的地位,为今天的圆周率计算奠定了基础。
刘徽和割圆术中国向来以文明古国自称,谈到中国古代文明,我们一定会说起以“经世致用”为信条,以筹算为主的中国古代数学史。
在这段曲折发展的历史中,我们的古代数学跟其他古文明一样,在一定程度上获得了发展,特别是在算法的深度和广度上有着卓越的发展。
但我们不得不提及,在中国古代长达2000多年的封建制度统治下,数学研究一直停留在计算层面,理论的严谨和系统却不尽如人意,这同时也导致了一些错误的结果的出现。
在这样的数学背景下,刘徽可谓是中国数学史上的一朵奇葩,他有着“为数学而数学”的价值观,曾令中国古代数学的严谨与系统达到前所未有的高度。
下面我将主要介绍刘徽及其最耐人寻味的一段成就——割圆术。
刘徽,生于公元250年左右,是魏晋时人。
他的一生为数学刻苦探求,虽然地位低下,但人格高尚。
他所撰的《九章算术注》是中国最宝贵的数学遗产。
刘徽思想敏捷,方法灵活,既提倡推理又主张直观,是中国最早明确主张用逻辑推理的方式来论证数学命题的人。
他不是沽名钓誉的庸人,而是学而不厌的伟人。
由于篇幅有限,对刘徽卓越的成就不能一一介绍,只能介绍其最耐人寻味的割圆术。
割圆术可谓是中国古代数学的奇迹,在后面与阿基米德求圆面积方法的比较中,您将发现割圆术的精妙与美丽。
在《九章算术》中曾提到“圆田术”---半周半径相乘得积步。
这就是著名的圆面积公式:(1) 其中S 表示圆面积,C 表示周长,R 表示半径。
我们今天可以得出这个公式是正确的,但在《九章算术》中只是提到了这一结论,却未给出严谨的证明。
在刘徽之前人们以圆内接正六边形的周长代替圆周长C ,以圆内接正十二边形的面积代替圆面积S ,用出入相补原理将正十二边形拼补成一个以正六边形的周长的一半作为长,以圆半径作为宽的长方形来推证上述公式。
在今天,我们可以看出用圆内12S CR接正六边形和圆内接正十二边形来近似代替圆是相当粗糙的,但在当时很少有人能指出这一算法的不严谨性,而刘徽却说此方法“合径率一而外周率三也”,一针见血的指出了这一方法的不严格性。
割圆术3世纪中期,魏晋时期的数学家刘徽首创割圆术,为计算圆周率建立了严密的理论和完善的算法,所谓割圆术,就是不断倍增圆内接正多边形的边数求出圆周率的方法.“圜,一中同长也”.意思是说:圆只有一个中心,圆周上每一点到中心的距离相等.早在我国先秦时期,《墨经》上就已经给出了圆的这个定义,而公元前11世纪,我国西周时期数学家商高也曾与周公讨论过圆与方的关系.认识了圆,人们也就开始了有关于圆的种种计算,特别是计算圆的面积.我国古代数学经典《九章算术》在第一章“方田”章中写到“半周半径相乘得积步”,也就是我们现在所熟悉的公式.为了证明这个公式,我国魏晋时期数学家刘徽于公元263年撰写《九章算术注》,在这一公式后面写了一篇1800余字的注记,这篇注记就是数学史上著名的“割圆术”. 利用圆内接或外切正多边形,求圆周率近似值的方法,其原理是当正多边形的边数增加时,它的边长和逐渐逼近圆周.早在公元前5世纪,古希腊学者安蒂丰为了研究化圆为方问题就设计一种方法:先作一个圆内接正四边形,以此为基础作一个圆内接正八边形,再逐次加倍其边数,得到正16边形、正32边形等等,直至正多边形的边长小到恰与它们各自所在的圆周部分重合,他认为就可以完成化圆为方问题.到公元前3世纪,古希腊科学家阿基米德在《论球和圆柱》一书中利用穷竭法建立起这样的命题:只要边数足够多,圆外切正多边形的面积与内接正多边形的面积之差可以任意小.阿基米德又在《圆的度量》一书中利用正多边形割圆的方法得到圆周率的值小于三又七分之一而大于三又七十分之十,还说圆面积与外切正方形面积之比为11:14,即取圆周率等于22/7.公元263年,中国数学家刘徽在《九章算术注》中提出“割圆”之说,他从圆内接正六边形开始,每次把边数加倍,直至圆内接正96边形,算得圆周率为 3.14或157/50,后人称之为徽率.书中还记载了圆周率更精确的值3927/1250(等于3.1416).刘徽断言“割之弥细,所失弥少,割之又割,以至于不可割,则与圆合体,而无所失矣”.其思想与古希腊穷竭法不谋而合.割圆术在圆周率计算史上曾长期使用.1610年德国数学家柯伦用2^62边形将圆周率计算到小数点后35位.1630年格林贝尔格利用改进的方法计算到小数点后39位,成为割圆术计算圆周率的最好结果.分析方法发明后逐渐取代了割圆术,但割圆术作为计算圆周率最早的科学方法一直为人们所称道.。
割圆术3世纪中期,魏晋时期的数学家刘徽首创割圆术,为计算圆周率建立了严密的理论和完善的算法,所谓割圆术,就是不断倍增圆内接正多边形的边数求出圆周率的方法.“圜,一中同长也”.意思是说:圆只有一个中心,圆周上每一点到中心的距离相等.早在我国先秦时期,《墨经》上就已经给出了圆的这个定义,而公元前11世纪,我国西周时期数学家商高也曾与周公讨论过圆与方的关系.认识了圆,人们也就开始了有关于圆的种种计算,特别是计算圆的面积.我国古代数学经典《九章算术》在第一章“方田”章中写到“半周半径相乘得积步”,也就是我们现在所熟悉的公式.为了证明这个公式,我国魏晋时期数学家刘徽于公元263年撰写《九章算术注》,在这一公式后面写了一篇1800余字的注记,这篇注记就是数学史上著名的“割圆术”. 利用圆内接或外切正多边形,求圆周率近似值的方法,其原理是当正多边形的边数增加时,它的边长和逐渐逼近圆周.早在公元前5世纪,古希腊学者安蒂丰为了研究化圆为方问题就设计一种方法:先作一个圆内接正四边形,以此为基础作一个圆内接正八边形,再逐次加倍其边数,得到正16边形、正32边形等等,直至正多边形的边长小到恰与它们各自所在的圆周部分重合,他认为就可以完成化圆为方问题.到公元前3世纪,古希腊科学家阿基米德在《论球和圆柱》一书中利用穷竭法建立起这样的命题:只要边数足够多,圆外切正多边形的面积与内接正多边形的面积之差可以任意小.阿基米德又在《圆的度量》一书中利用正多边形割圆的方法得到圆周率的值小于三又七分之一而大于三又七十分之十,还说圆面积与外切正方形面积之比为11:14,即取圆周率等于22/7.公元263年,中国数学家刘徽在《九章算术注》中提出“割圆”之说,他从圆内接正六边形开始,每次把边数加倍,直至圆内接正96边形,算得圆周率为3.14或157/50,后人称之为徽率.书中还记载了圆周率更精确的值3927/1250(等于3.1416).刘徽断言“割之弥细,所失弥少,割之又割,以至于不可割,则与圆合体,而无所失矣”.其思想与古希腊穷竭法不谋而合.割圆术在圆周率计算史上曾长期使用.1610年德国数学家柯伦用2^62边形将圆周率计算到小数点后35位.1630年格林贝尔格利用改进的方法计算到小数点后39位,成为割圆术计算圆周率的最好结果.分析方法发明后逐渐取代了割圆术,但割圆术作为计算圆周率最早的科学方法一直为人们所称道.。
一、选择题1.在ABC 中,内角A 、B 、C 所对的边分别为a 、b 、c ,若()sin sin sin c C a A b a B =+-,角C 的角平分线交AB 于点D,且CD =,3a b =,则c 的值为( )A .72BC .3D.2.在ABC 中,a ,b ,c 分别为内角A ,B ,C 所对的边,b c =且sin 1cos sin cos B BA A-=,若点O 是ABC 外一点,()0AOB θθπ∠=<<,2OA =,1OB =.则平面四边形OACB 的面积的最大值是( )ABC .3 D3.我国古代数学家刘徽在《九章算术注》中提出割圆术:“割之弥细,所失弥少,割之割,以至于不可割,则与圆合体,而无所失矣”,即通过圆内接正多边形细割圆,并使正多边形的面积无限接近圆的面积,进而来求得较为精确的圆周率.如果用圆的内接正n 边形逼近圆,算得圆周率的近似值记为n π,那么用圆的内接正2n 边形逼近圆,算得圆周率的近似值加2n π可表示成( )A .360sinnnπ︒ B .360cosnnπ︒ C .180cosnnπ︒ D .90cosnnπ︒ 4.在△ABC 中,若b =2,A =120°,三角形的面积S = AB.C .2 D .45.在ABC 中,a ,b ,c 分别为内角A ,B ,C所对的边,若b =60B =︒,若ABC 仅有一个解,则a 的取值范围是( )A.({}2⋃B .30,2C .{}30,22⎛⎤⋃ ⎥⎝⎦D .26.ABC ∆的内角A ,B ,C 的对边分别为a ,b ,c ,已知2b =,6B π=,4Cπ,则ABC ∆的面积为( ) A.2+B1C.2-D17.ABC 的三个内角,,A B C 的对边分别为,,a b c ,若ABC 的面积为S ,且222()S a b c =+-,a =tan C 等于( )A .34B .43C .34-D .43-8.在ABC 中,a ,b ,c 分别为角A ,B ,C 的对边,若3a =,2b =,45B =︒,则A =( )A .30B .30或150︒C .60︒或120︒D .60︒9.海洋蓝洞是地球罕见的自然地理现象,被喻为“地球留给人类保留宇宙秘密的最后遗产”我国拥有世界上最深的海洋蓝洞,现要测量如图所示的蓝洞的口径A ,B 两点间的距离,在珊瑚群岛上取两点C ,D ,测得80CD =,135ADB ∠=︒,15BDC DCA ∠=∠=︒,120ACB ∠=︒,则A 、B 两点间的距离为( )A .80B .803C .160D .80510.在ABC ∆中,30,10B AC =︒=,D 是AB 边上的一点,25CD =ACD ∠为锐角,ACD ∆的面积为20,则BC =( ) A .25B .35C .45D .6511.在ABC 中,tan sin 2A BC +=,若2AB =,则ABC 周长的取值范围是( ) A .(2,2B .(2,4⎤⎦C .(4,222+D .(222,6⎤+⎦12.已知a 、b 、c 分别是ABC 内角A 、B 、C 的对边,sin sin 3sin A B C +=,cos cos 2a B b A +=,则ABC 面积的最大值是( )A .2B .22C .3D .23二、填空题13.在ABC 中,角A ,B ,C 的对边a ,b ,c 为三个连续偶数,且2C A =,则a =______.14.在△ABC 中,若2,23,30,a b A ===︒则角B 等于______ .15.在ABC 中,内角A 、B 、C 所对应的边分别是a ,b ,c .若()224c a b =-+,23C π=,则ABC 的面积是________. 16.在ABC 中,3A π∠=,D 是BC 的中点.若34AD BC ≤,则sin sin B C 的最大值为____________.17.在ABC 中,角A ,B ,C 所对的边分别为a ,b ,c ,其中23a c ==,,且满足(2)cos cos a c B b C -⋅=⋅,则AB BC ⋅=______.18.凸四边形ABCD 中,已知AB =4BC =,5CD =,1tan 2B =-,3cos 5C =,则sin D =__________.19.在三角形ABC 中,a ,b ,c 分别是角A ,B ,C 的对边,222a c b ac +-=,b =2ac +的最大值为______.20.若钝角三角形ABC 的三边长a ,8,b ()a b <成等差数列,则该等差数列的公差d 的取值范围是________.三、解答题21.在ABC 中,内角A ,B ,C 所对的边分别为a ,b ,c ,且()sin sin sin b c CB A b a-=-+.(1)求A ; (2)若2a =,求11tan tan B C+的最小值. 22.△ABC 中,角A ,B ,C 的对边分别为a ,b ,c ,已知b +c =2a ,3c sin B =4a sin C . (1)求cos B ; (2)求sin(2)6B π+的值.23.ABC 中,内角A ,B ,C 所对的边分别为a ,b ,c ,已知sin cos b A B ,sin 4sin C A =.(1)求B ;(2)在ABC 的边AC 上存在一点D 满足4AD CD =,连接BD ,若BCD △的面积为b . 24.现有三个条件①sin()sin ()sinc A B b B c a A +=+-,②tan 2sin b aB A=,③(1cos )sin a B A +,请任选一个,填在下面的横线上,并完成解答. 已知ABC 的内角,,A B C 所对的边分别是a ,b ,c ,若______. (1)求角B ;(2)若a c +=,求ABC 周长的最小值,并求周长取最小值时ABC 的面积. 25.已知ABC 的三个内角A ,B ,C 的对边分别是a ,b ,c ,且cos cos 2cos b C c B a A +=.(1)求角A ;(2)若a =ABC 的面积为b c +的值.26.如图,观测站C 在目标A 的南偏西20方向,经过A 处有一条南偏东40走向的公路,在C 处观测到与C 相距31km 的B 处有一人正沿此公路向A 处行走,走20km 到达D处,此时测得,C D 相距21km ,求,D A 之间的距离.【参考答案】***试卷处理标记,请不要删除一、选择题 1.B 解析:B 【分析】利用正弦定理边角互化以及余弦定理求出角C 的值,由ABC ACD BCD S S S =+△△△可得出ab a b =+,结合3a b =可求得a 、b 的值,再利用余弦定理可求得c 的值.【详解】()sin sin sin c C a A b a B =+-,由正弦定理可得()22c a b a b =+-,可得222a b c ab +-=,由余弦定理可得:2221cos 22a b c C ab +-==,0C π<<,所以3C π=,由ABC ACD BCD S S S =+△△△,有111sin sin sin 232626ab a CD b CD πππ=⋅+⋅,得ab a b =+,所以234b b =,0b >,43b ∴=,34a b ==,由余弦定理可得c ===. 故选:B. 【点睛】方法点睛:在解三角形的问题中,若已知条件同时含有边和角,但不能直接使用正弦定理或余弦定理得到答案,要选择“边化角”或“角化边”,变换原则如下: (1)若式子中含有正弦的齐次式,优先考虑正弦定理“角化边”; (2)若式子中含有a 、b 、c 的齐次式,优先考虑正弦定理“边化角”; (3)若式子中含有余弦的齐次式,优先考虑余弦定理“角化边”; (4)代数式变形或者三角恒等变换前置;(5)含有面积公式的问题,要考虑结合余弦定理求解;(6)同时出现两个自由角(或三个自由角)时,要用到三角形的内角和定理.2.A解析:A 【分析】由条件整理可得ABC 是等边三角形,利用OACB AOBABC S SS=+可化简得2sin 3OACB S πθ⎛⎫=- ⎪⎝⎭. 【详解】在ABC 中,sin 1cos sin cos B BA A-=, sin cos cos sin sin B A B A A ∴+=,即sin()sin()sin sin A B C C A π+=-==A C ∴=,b c =, ∴ABC 是等边三角形,OACB AOBABCS SS∴=+211||||sin ||222OA OB AB θ=⋅+⨯)22121sin ||||2||||cos 2OA OB OA OB θθ=⨯⨯⨯+-⋅sin 1221cos )θθ=++-⨯⨯⨯sin 4θθ=+2sin 34πθ⎛⎫=-+⎪⎝⎭,0θπ<<,2333πππθ∴-<-<, 则当32ππθ-=,即56πθ=时,sin 3πθ⎛⎫- ⎪⎝⎭取得最大值1,故四边形OACB 面积的最大值为538532++=. 故选:A.【点睛】本题考查两角差的正弦公式,考查三角形的面积公式,考查余弦定理,考查三角恒等变换的应用,解题的关键是利用三角形面积公式结合三角恒等变换化简得532sin 3OACB S πθ⎛⎫=- ⎪⎝⎭ 3.C解析:C 【分析】设圆的半径为r ,由内接正n 边形的面积无限接近圆的面积可得:180180sincosn n n nπ⨯=⨯,由内接正2n 边形的面积无限接近圆的面积可得:2180sinn n nπ⨯=,问题得解. 【详解】设圆的半径为r ,将内接正n 边形分成n 个小三角形, 由内接正n 边形的面积无限接近圆的面积可得:221360sin2r n r n π≈⨯⨯,整理得:1360sin 2n nπ≈⨯⨯, 此时1360sin 2n n n π⨯⨯=,即:180180sin cosn n n nπ⨯=⨯ 同理,由内接正2n 边形的面积无限接近圆的面积可得:2213602sin22r n r n π≈⨯⨯,整理得:13601802sin sin 22n n n nπ≈⨯⨯=⨯ 此时2180sinn n nπ⨯=所以2180sin180cos nn n nnππ==⨯ 故选C 【点睛】本题主要考查了圆的面积公式及三角形面积公式的应用,还考查了正弦的二倍角公式,考查计算能力,属于中档题.4.C解析:C 【解析】12sin1202S c ==⨯︒ ,解得c =2. ∴a 2=22+22−2×2×2×cos 120°=12, 解得a =,∴24sin a R A === , 解得R =2.本题选择C 选项.5.A解析:A 【分析】根据b =60B =︒,由正弦定理得到sin 2sin sin b Aa A B==,然后作出函数2sin =y A 的图象,将问题转化为y a =与2sin =y A 的图象只有一个交点求解. 【详解】因为b =60B =︒, 由正弦定理得sin sin a b A B=, 所以sin 2sin sin b Aa A B==, 因为()0,120∈︒A ,2sin =y A 的图象如图所示:因为ABC 仅有一个解,所以y a =与2sin =y A 的图象只有一个交点, 所以03a <≤或2a =, 故选:A 【点睛】本题主要考查正弦定理的应用以及三角函数的图象的应用,还考查了数形结合的思想方法,属于中档题.6.B解析:B 【解析】试题分析:根据正弦定理,,解得,,并且,所以考点:1.正弦定理;2.面积公式.7.D解析:D 【分析】首先根据正弦定理面积公式和余弦定理得到sin 2cos 2C C -=,再利用同角三角函数关系即可得到答案. 【详解】由题知:222()S a b c =+-,所以222sin 2=++-ab C a b ab c ,整理得:222sin 222-+-=C a b c ab,即sin 2cos 2C C -=. 所以()2sin 2cos 4C C -=, 23cos 4sin cos 3-=C C C .2223cos 4sin cos 3sin cos -=+C C CC C,234tan 3tan 1-=+C C ,得23tan 4tan 0C C +=. 因为0C π<<,所以4tan 3C =-. 故选:D 【点睛】本题主要考查余弦定理解三角形,同时考查了正弦定理面积公式和同角的三角函数,属于中档题.8.C解析:C 【解析】∵45a b B ===︒∴根据正弦定理sin sin a b A B=,即sin sin 2a B A b ===∵a b =>=∴()45,135A ∈︒︒ ∴60A =︒或120︒ 故选C9.D解析:D 【分析】如图,BCD △中可得30CBD ∠=︒,再利用正弦定理得BD =ABD △中,由余弦定理,即可得答案; 【详解】如图,BCD △中,80CD =,15BDC ∠=︒,12015135BCD ACB DCA ∠=∠+∠=︒+︒=︒,∴30CBD ∠=︒, 由正弦定理得80sin135sin 30BD =︒︒,解得BD =ACD △中,80CD =,15DCA ∠=︒,13515150ADC ADB BDC ∠=∠+∠=︒+︒=︒,∴15CAD ∠=︒,∴==80AD CD ,ABD △中,由余弦定理得2222cos AB AD BD AD BD ADB =+-⋅⋅∠2280280cos135=+-⨯⨯︒ 2805=⨯,∴805AB =,即A ,B 两点间的距离为805.故选:D. 【点睛】本题考查正余弦定理的运用,考查函数与方程思想、转化与化归思想,考查逻辑推理能力、运算求解能力.10.C解析:C 【分析】先利用面积公式计算出sin ACD ∠,计算出cos ACD ∠,运用余弦定理计算出AD ,利用正弦定理计算出sin A ,在ABC ∆中运用正弦定理求解出BC . 【详解】解:由ACD ∆的面积公式可知,11sin 1025sin 2022AC AD ACD ACD ∠=∠=, 可得sin 5ACD ∠=,ACD ∠为锐角,可得4cos 155ACD ∠=-=在ACD ∆中,21002021025805AD =+-=,即有45AD =由sin sin AD CDACD A =∠可得225sin 5sin 455CD ACD A AD ⨯∠=, 由sin sin AC BC B A=可知10sin 55sin 2AC ABC B ⨯===.故选C . 【点睛】本题考查正弦定理与余弦定理在解三角形中的应用,考查方程思想,属于中档题.11.C解析:C 【解析】由题意可得:cos2tan tan 2sin cos 22222sin 2CA B C C C Cπ+⎛⎫=-== ⎪⎝⎭, 则:21sin22C =,即:1cos 1,cos 0,222C C C π-=∴==. 据此可得△ABC 是以点C 为直角顶点的直角三角形,则:()()222224222a b a b a b ab a b +⎛⎫=+=+-≥+-⨯ ⎪⎝⎭,据此有:a b +≤△ABC的周长:2a b c ++≤+ 三角形满足两边之和大于第三边,则:2,4a b a b c +>∴++>, 综上可得:ABC周长的取值范围是(4,2+. 本题选择C 选项.12.B解析:B 【分析】由cos cos 2a B b A +=,利用余弦定理代入化简解得2c =,再根据sin sin 3sin A B C +=,利用正弦定理得到36a b c +==,即62CA CB AB +=>=,得到点C 的轨迹是以A ,B 为焦点的椭圆,再利用椭圆的焦点三角形求解. 【详解】∵cos cos 2a B b A +=,∴222222222a c b b c a a b ac bc+-+-⋅+⋅=,∴2c =,∵sin sin 3sin A B C += ∴36a b c +==,即62CA CB AB +=>=,∴点C 的轨迹是以A ,B 为焦点的椭圆,其中长半轴长3,短半轴长 以AB 为x 轴,以线段AB 的中点为原点,建立平面直角坐标系,其方程为22198x y ,如图所示:则问题转化为点C 在椭圆22198x y 上运动求焦点三角形的面积问题.当点C 在短轴端点时,ABC 的面积取得最大值,最大值为22故选:B . 【点睛】本题主要考查正弦定理,余弦定理以及椭圆焦点三角形的应用,还考查了转化求解问题的能力,属于中档题.二、填空题13.8【分析】根据大边对大角可得可设由已知条件利用正弦的二倍角公式和正余弦定理得到关于的方程求解即可【详解】由题意可得又角ABC 的对边abc 为三个连续偶数故可设由由余弦定理得所以即解得故故答案为:【点睛解析:8 【分析】根据大边对大角,可得a c <, 可设22,2,22a n b n c n =-==+,由已知条件,利用正弦的二倍角公式和正余弦定理得到关于n 的方程求解即可. 【详解】由题意可得A C <,a c ∴<,又角A ,B ,C 的对边a ,b ,c 为三个连续偶数,故可设22,2,22,a n b n c n =-==+由2,sin sin 2,sin 2sin cos ,C A C A C A A =∴=∴=sin sin a b A B=,()sin 1cos 2sin 221C c n A A a n +∴===-,由余弦定理得()()()()()()22222224414144cos 222222121n n n b c a n n n A bc n n n n n ++--+-++====+++. 所以()()142121n n n n ++=-+,即()()()2114,n n n +=-+ 解得5n =,故228a n =-=.故答案为:8. 【点睛】本题考查正余弦定理在解三角形中的综合运用,关键是熟练使用二倍角公式,正弦定理角化边,正余弦定理联立得到方程求解.14.或【解析】∵∴由正弦定理得:∵∴或故答案为或解析:060或0120 【解析】∵2,30a b A ===︒∴由正弦定理sin sin a b A B=得:1sin 2sin 2b A B a ===∵b a > ∴60B =︒或120︒ 故答案为060或012015.【分析】利用余弦定理结合求出利用即可求出三角形的面积【详解】由可得:在中由余弦定理得:即所以即所以故答案为:【点睛】本题主要考查了余弦定理面积公式的应用属于中档题【分析】利用余弦定理,结合()224c a b =-+,23C π=求出43ab =,利用1sin 2ABCS ab C =,即可求出三角形的面积. 【详解】由()224c a b =-+可得:22224c a b ab =+-+,在ABC 中,由余弦定理得:2222cos c a b ab C =+-, 即222c a b ab =++, 所以24ab ab -+=, 即43ab =,所以114sin 223ABCSab C ==⨯=【点睛】本题主要考查了余弦定理,面积公式的应用,属于中档题.16.【分析】设三角形三条边长分别为先分析得到再利用余弦定理得到最后利用正弦定理即得解【详解】设三角形三条边长分别为那么因为所以故由题意得故答案为:【点睛】本题主要考查正弦定理和余弦定理解三角形意在考查学 解析:1532【分析】设AD x =,三角形三条边长分别为,,a b c ,先分析得到222138b c a +≤,再利用余弦定理得到258bc a ≤,最后利用正弦定理即得解. 【详解】设AD x =,三角形三条边长分别为,,a b c , 那么2243,169x a x a ≤∴≤, 因为cos cos 0ADB ADC ∠+∠= 所以2222422+=+x a b c ,故2222222213168849,8x b c a a b c a =+-≤∴+≤由题意得222222221135cos ,,2288b c a A b c bc a a bc a bc +-==∴+=+≤∴≤255315sin sin sin =88432B C A ∴≤=⨯.故答案为:1532【点睛】本题主要考查正弦定理和余弦定理解三角形,意在考查学生对这些知识的理解掌握水平.17.【分析】由题意利用正弦定理边化角求得∠B 的值然后结合数量积的定义求解的值即可【详解】根据正弦定理得:故答案为【点睛】本题主要考查正弦定理余弦定理的应用等知识意在考查学生的转化能力和计算求解能力 解析:3-【分析】由题意利用正弦定理边化角,求得∠B 的值,然后结合数量积的定义求解AB BC ⋅的值即可. 【详解】()2a c cosB bcosC -=根据正弦定理得:()2sinA sinC cosB sinBcosC -=2sinAcosB sinBcosC sinCcosB =+()2sinAcosB sin B C =+2sinAcosB sinA = 12cosB ∴=, 60B ∴=1||2332AB BC AB BC cosB ⎛⎫∴⋅=-⋅=-⨯⨯=- ⎪⎝⎭故答案为3- 【点睛】本题主要考查正弦定理、余弦定理的应用等知识,意在考查学生的转化能力和计算求解能力.18.【分析】如图设先求出再求出再利用正弦定理求出即得解【详解】如图设在△中因为所以由余弦定理得所以在△中所以在△中由正弦定理得故答案为:【点睛】本题主要考查正弦定理余弦定理解三角形意在考查学生对这些知识 解析:7210【分析】如图,设,ACB ACD αβ∠=∠=,先求出37AC =,再求出cos ,sin 3737αα==,cos ,sin 537537ββ==,32=AD ,再利用正弦定理求出sin D 即得解. 【详解】如图,设,ACB ACD αβ∠=∠=,在△ACB 中,因为1tan 2B =-,所以cos 55B ==由余弦定理得2516254cos 2185(375AC B =+-=-=, 所以37AC =在△ACB中,cos (0,),sin 2πααα==∈∴=所以34cos cos()sin 55DCB βαβ=∠-=+=∴=在△ACD 中,225372518,AD AD =+-⨯=∴=sin D =∴==..【点睛】本题主要考查正弦定理余弦定理解三角形,意在考查学生对这些知识的理解掌握水平和计算能力.19.【分析】由余弦定理可求出角再根据正弦定理即可表示出然后利用消元思想和辅助角公式即可求出的最大值【详解】因为所以而∴∵∴∴其中所以的最大值为当时取得故答案为:【点睛】本题主要考查正余弦定理在解三角形中 解析:【分析】由余弦定理可求出角B ,再根据正弦定理即可表示出2a c +,然后利用消元思想和辅助角公式,即可求出2a c +的最大值. 【详解】因为222a cb ac +-=,所以2221cos 222a cb ac B ac ac +-===,而0B π<<,∴3B π=.∵2sin sin sin sin 3a b c A B C ====,∴2sin ,2sin a A c C ==. ∴222sin 4sin 2sin 4sin 4sin 3a c A C A AA A π⎛⎫+=+=+-=+⎪⎝⎭()A ϕ=+,其中tan ϕ=. 所以2a c +的最大值为2A πϕ=-时取得.故答案为: 【点睛】本题主要考查正余弦定理在解三角形中的应用,以及利用三角函数求解三角形中的最值问题,意在考查学生的转化能力和数学运算能力,属于中档题.20.【分析】由题意结合余弦定理可得再根据三角形三边关系可得即可得解【详解】由题意得且三角形为钝角三角形即即又由三角形三边关系可得即故答案为:【点睛】本题考查了余弦定理的应用和等差数列性质的应用属于中档题 解析:24d <<【分析】由题意结合余弦定理可得22640a b +-<,再根据三角形三边关系可得8b a -<,即可得解. 【详解】由题意得16a b +=且8a b <<, 三角形ABC 为钝角三角形,∴222cos 02a c b B ac+-=<即22640a b +-<,∴2264b a ->即()1664b a ->, ∴4b a ->,又由三角形三边关系可得8b a -<,∴48b a <-<即428d <<, ∴24d <<.故答案为:24d <<.【点睛】本题考查了余弦定理的应用和等差数列性质的应用,属于中档题.三、解答题21.(1)3π;(2 【分析】(1)根据题设条件和正弦定理,化简得到222b c a bc +-=,再利用余弦定理,求得cos A 的值,即可求解;(2)由余弦定理和基本不等式,求得2bc a ≤,在结合正弦定理和三角恒等变换的公式,化简得22sin 22si 11tan tan n 2sin R R A R aR B R C B bcC ⋅⋅==⋅+,即可解. 【详解】 (1)由()sin sin sin b c CB A b a-=-+,可得()()()sin sin sin b c C B A b a -=-+,由正弦定理得()()()b c c b a b a -=-+,即222b c a bc +-=,由余弦定理,得2221cos 22b c a A bc +-==,因为0A π<<,可得3A π=. (2)由(1)知3A π=,设三角形的外接圆的半径为R,可得2sin a R A ==, 又由余弦定理得222222cos a b c bc A b c bc bc =+-=+-≥, 即24bc a ≤=,当且仅当2b c ==时取等号, 又由11cos cos cos sin sin cos tan tan sin sin sin sin B C B C B CB C B C B C++=+= ()sin sin sin sin sin sin B C AB CB C +==22sin 2sin 2sin R R A R B R C ⋅=⋅2R a bc ⋅==≥=, 其中R 是ABC 外接圆的半径, 所以11tan tan B C +的最小值为3. 22.(1)14-;(2) 【分析】(1)由正弦定理化角为边,再结合2b c a +=,把,b c 用a 表示,然后由余弦定理得cos B ;(2)由同角关系求出sin B ,利用二倍角公式求得sin 2,cos 2B B ,再由两角和的正弦公式求得结论. 【详解】(1)因为3c sin B =4a sin C ,由正弦定理得34cb ac =,所以43b a =, 又2b c a +=,所以23c a =,所以222222416199cos 22423a a a a cb B ac a a +-+-===-⋅.(2)因为(0,)B π∈,所以sin B ==sin 22sin cos B B B ==27cos 212sin 8B B =-=-, 所以sin(2)sin 2coscos 2sin666B B B πππ+=+71()82=+-⨯= 【点睛】方法点睛:在解三角形的问题中,若已知条件同时含有边和角,但不能直接使用正弦定理或余弦定理得到答案,要选择“边化角”或“角化边”,变换原则如下:(1)若式子中含有正弦的齐次式,优先考虑正弦定理“角化边”; (2)若式子中含有a 、b 、c 的齐次式,优先考虑正弦定理“边化角”; (3)若式子中含有余弦的齐次式,优先考虑余弦定理“角化边”; (4)代数式变形或者三角恒等变换前置;(5)含有面积公式的问题,要考虑结合余弦定理求解;(6)同时出现两个自由角(或三个自由角)时,要用到三角形的内角和定理. 23.(1)3π;(2【分析】(1)利用正弦定理把sin cos b A B =化为sin sin cos A B A B =,从而可得tan B ,进而可求出角B ;(2)由于4AD CD =,所以51ABC BCDSAC SDC ==,从而可得ABC 的面积为用三角形面积公式可得8ac =,而由sin 4sin C A =得 4c a =,从而可求出,a c 的值,再利用余弦定理可求出b 的值. 【详解】解:(1) ∵sin cos b AB =,∴sin sin cos A B A B=, ∴tan B ∵()0,B π∈ ∴3B π=;(2)依题意可知:51ABC BCDS AC SDC ==,∵BCD △,∴ABC 的面积为∵ABC 的面积为1sin 2S ac B ==∴8ac =, ∵sin 4sin C A =,∴4c a =,c =a=∴b . 24.(1)3π;(2). 【分析】若选①:(1)利用诱导公式和正弦定理化简,再利用余弦定理即可求出角B ;(2)由(1)得到()223b a c ac =+-,再利用基本不等式求出b 的最小值及此时等号成立的条件,再利用面积公式即可求出面积.若选②:(1)利用正弦定理以及同角三角函数的基本关系化简求解即可;(2)由(1)得到()223b a c ac =+-,再利用基本不等式求出b 的最小值及此时等号成立的条件,再利用面积公式即可求出面积. 若选③:(1)利用正弦定理以及辅助角公式化简整理即可求出角B ;(2)由(1)得到()223b a c ac =+-,再利用基本不等式求出b 的最小值及此时等号成立的条件,再利用面积公式即可求出面积. 【详解】若选①:(1)sin()sin ()sin c A B b B c a A +=+-, sin()sin sin sin c C b B c A a A π-=+-, sin sin sin sin c C b B c A a A =+-,222c b ac a =+-, 222a c b ac +-=,2221cos 22a cb B ac +-==,0B π<<, 3B π∴=;(2)由(1)知:()22223b a c ac a c ac =+-=+-,22a c ac +⎛⎫≤ ⎪⎝⎭,当且仅当a c ==()()()()2222231344b ac ac a c a c a c ∴=+-≥+-+=+,又a c +=则()(22211544b ac ≥+=⨯=,又0b >,所以b ≥则ABC 周长的最小值为:=;此时a c b ===所以ABC 的面积为:1sin 602ac ︒=若选②:(1)由tan 2sin b a B A=, 得2sin tan b A a B =, 则sin 2sin cos AsinBAsinB B=, 又0,0A B ππ<<<<, 则sin 0,sin 0A B >>,所以1cos 2B =, 即3B π=;(2)由(1)知:()22223b a c ac a c ac =+-=+-, 22a c ac +⎛⎫≤ ⎪⎝⎭,当且仅当a c == ()()()()2222231344b ac ac a c a c a c ∴=+-≥+-+=+,又a c +=则()(22211544b ac ≥+=⨯=,又0b >,所以b ≥则ABC 周长的最小值为:=;此时a c b ===所以ABC 的面积为:1sin 602ac ︒=若选③:(1)(1cos )sin a B A +=,sin (1cos )sin A B A B +,0A π<<,sin 0A ∴>,1cos +=B B ,2sin 16B π⎛⎫-= ⎪⎝⎭, 1sin 62B π⎛⎫-= ⎪⎝⎭, 66B ππ∴-=或566B ππ-=, 即3B π=或B π=(舍);(2)由(1)知:()22223b a c ac a c ac =+-=+-,22a c ac +⎛⎫≤ ⎪⎝⎭,当且仅当a c == ()()()()2222231344b ac ac a c a c a c ∴=+-≥+-+=+,又a c +=则()(22211544b ac ≥+=⨯=,又0b >,所以b ≥则ABC 周长的最小值为:=;此时a c b ===所以ABC 的面积为:1sin 602ac ︒= 【点睛】思路点睛:本题首先利用正弦定理,同角三角函数的基本关系,诱导公式,辅助角公式以及余弦定理进行化简求角;其次利用余弦定理,基本不等式,三角形面积公式求解. 25.(1)π3A =;(2)6. 【分析】(1)由正弦定理把条件cos cos 2cos b C c B a A +=转化为角的关系,再由两角和的正弦公式及诱导公式得A 的关系式,从而可得结论;(2)首先可根据解三角形面积公式得出8bc =,然后根据余弦定理计算出6b c +=.【详解】(1)因为cos cos 2cos b C c B a A +=由正弦定理得,sin cos sin cos 2sin cos B C C B A A +=所以()sin sin 2sin cos B C A A A +==因为0πA <<所以,sin 0A ≠所以1cos 2A =,所以π3A =(2)因为ABC 的面积为所以1sin 2bc A =因为π3A =,所以1πsin 23bc =, 所以8bc =.由余弦定理得,2222cos a b c bc A =+-,因为a =,π3A =, 所以()()2222π122cos 3243b c bc b c bc b c =+-=+-=+-, 所以6b c +=.【点睛】关键点点睛:解题时要注意边角关系的转化.求“角”时,常常把已知转化为角的关系,求“边”时,常常把条件转化为边的关系式,然后再进行转化变形.26.15公理.【分析】先求出cos BDC ∠,进而设ADC α∠=,则sin ,cos αα可求,在ACD △中,由正弦定理求得AD ,即可得到答案.【详解】由题意知21,31,20CD BC BD ===,在BCD △中,由余弦定理可得2222120311cos 221207BDC +-∠==-⨯⨯, 设ADC α∠=,则1sin 7αα==,可得11sin()sin cos cos sin 33372πππααα+=+=+= 在ACD △中,由正弦定理得21sin()sin 33ADππα=+,所以sin()153AD πα=+=, 即所求的距离为15公理.【点睛】平面图形中计算问题的解题关键及思路 求解平面图形中的计算问题,关键是梳理条件和所求问题的类型,然后将数据化归到三角形中,利用正弦定理或者余弦定理建立已知和所求的关系.具体解题思路:(1)把所提供的平面图形拆分成若干个三角形,然后在各个三角形内利用正弦定理或余弦定理求解;(2)寻找各个三角形之间的联系,交叉使用共同条件,求出结果.。
以《九章算术注》论刘徽数学证明作者:邬岳基徐泽林来源:《新一代》2017年第20期摘要:《九章算术注》是魏晋时期数学家刘徽的代表作,刘徽以对《九章算术》作注的方式对其中的数学内容进行叙述证明,并在其中贯穿着超越这个时代数学家的演绎证明与非演绎证明方式,形成了其独特的数学证明体系。
关键词:刘徽;演绎证明;数学证明;逻辑推理《九章算术》是中国古典数学中现有传本的最古老的数学典籍,其成书于东汉初期。
对于《九章算术》的注释中以魏晋时期刘徽的《九章算术注》被后人研究以及研读的最多。
如钱宝琮、杜石然认为在刘徽的《九章算术注》中“包含了许多关于数学概念、推理和若干证明论方面的思想”[1]。
在此书中,刘徽详尽的解释了《九章算术》中的所有问题并对疑难处着重进行了探讨并给出了具体应用,还增添了实例进行说明。
如果说“作为一名中国的数学工作者,首先应对自己的数学历史有深刻的认识,为此必须首先对《刘注》与《九章》有确切的了解”[2]。
《九章算术注》是中国传统数学的一部代表作,通过对《九章算术注》的研读从而揣摩体会刘徽形成的独特的数学证明体系。
一、刘徽在《九章算术注》中的一些概念引入在《九章算术注》中,刘徽引入了很多前人并未用到的数学概念,并对这些新的概念做出明确的定义,在后面的篇章中通过之前所做出的定义可对《九章算术》中的问题给予证明。
这种证明方式类似于西方的公理化系统中的逻辑演绎推理证明。
在《九章》第一章方田章开篇有原文写到:“方田术曰:广从步数相乘得积步。
”此文含义为:方田算法中说:长方形长与宽相乘的步数相乘得到其面积”。
针对原文当中“积”的含义刘徽对“积”提出定义:“此积谓田幂。
凡广从相乘谓之幂”针对原文中的“积”刘徽给出定义,凡是长方形面积都用长乘宽即“幂”代替了“积”的含义。
在后文中所有涉及到“积”的相关问题,均由更贴切的“幂”取代。
而在方田章中刘徽还提到了“率”:“凡数相与者谓之率。
率者,自相与通。
有分则可散,分重叠则约也。
刘徽和割圆术中国向来以文明古国自称,谈到中国古代文明,我们一定会说起以“经世致用”为信条,以筹算为主的中国古代数学史。
在这段曲折发展的历史中,我们的古代数学跟其他古文明一样,在一定程度上获得了发展,特别是在算法的深度和广度上有着卓越的发展。
但我们不得不提及,在中国古代长达2000多年的封建制度统治下,数学研究一直停留在计算层面,理论的严谨和系统却不尽如人意,这同时也导致了一些错误的结果的出现。
在这样的数学背景下,刘徽可谓是中国数学史上的一朵奇葩,他有着“为数学而数学”的价值观,曾令中国古代数学的严谨与系统达到前所未有的高度。
下面我将主要介绍刘徽及其最耐人寻味的一段成就——割圆术。
刘徽,生于公元250年左右,是魏晋时人。
他的一生为数学刻苦探求,虽然地位低下,但人格高尚。
他所撰的《九章算术注》是中国最宝贵的数学遗产。
刘徽思想敏捷,方法灵活,既提倡推理又主张直观,是中国最早明确主张用逻辑推理的方式来论证数学命题的人。
他不是沽名钓誉的庸人,而是学而不厌的伟人。
由于篇幅有限,对刘徽卓越的成就不能一一介绍,只能介绍其最耐人寻味的割圆术。
割圆术可谓是中国古代数学的奇迹,在后面与阿基米德求圆面积方法的比较中,您将发现割圆术的精妙与美丽。
在《九章算术》中曾提到“圆田术”---半周半径相乘得积步。
这就是著名的圆面积公式:(1) 其中S 表示圆面积,C 表示周长,R 表示半径。
我们今天可以得出这个公式是正确的,但在《九章算术》中只是提到了这一结论,却未给出严谨的证明。
在刘徽之前人们以圆内接正六边形的周长代替圆周长C ,以圆内接正十二边形的面积代替圆面积S ,用出入相补原理将正十二边形拼补成一个以正六边形的周长的一半作为长,以圆半径作为宽的长方形来推证上述公式。
在今天,我们可以看出用圆内接正六边形和圆内接正十二边形来近似代替圆是相当粗糙的,但在当时很少有人能指出这一算法的不严谨性,而刘徽却说此方法“合径率一而外周率三也”,一针见血的指出了这一方法的不严格性。
数学史话关于圆周率与圆的面积《九章算术》中求圆的面积一律用古法的所失弥少.割之又割以至于不可割则与圆合体而无所失矣.”这几句话反映了他的极限觚面之外,又有余径.以面乘余径则幂若夫觚之细者与圆合体,则表无余径.表无余这里,“觚面”是圆内接正多边形的是边心距与圆半径的差.如图1,设PQ为圆《九章算术注》中的数学思想和方法钱宝琮刘徽宋本《九章算术》中的割圆术图1数学史话当然,这个不等式可以写成:S2n<S<S2n+(S2n-Sn).在割圆术中,刘徽称S2n-S n为“差幂”.当n很大时,“差幂”很小,因而S2n很接近于S,这是可以理解的.刘徽设圆内接正六边形的边长与半径相等,半径OP=1尺=1000000忽,则PT=12PQ=500000忽.OT= OP2-PT2=86605425忽,TR=OR-OT=13394535忽,PR2=PT2+TR2=267949193445方忽,PR就是圆内接正十二边形的边长.依此推算,刘徽求得圆内接正二十四边形、正四十八边形、正九十六边形的边长.刘徽根据S2n=n⋅PQ⋅OR2算出在半径为10寸时,S96=313584625方寸,S192=31464625方寸,“幂差”S192-S96=105625,S192+(S192-S96)=314169625方寸,故31464625< 100π<314169624.刘徽舍弃不等式两端的分数,取100π=314或π=15750.他再三声明这个圆周率不够精确.刘徽又说:“差幂六百二十五分寸之一百五,以十二觚之幂为率消息,当取此分寸之三十六以增于一百九十二觚之幂,以为圆幂三百一十四寸、二十五分寸之四.”这就是说,圆的面积应是31464625+36625= 314425方寸,由此得出π=314425÷100=39271250.这个近似分数化成十进小数是3.1416,自然是更精确了.他又说:“当求一千五百三十六觚之一面,得三千七十二觚之幂而裁其微分,数亦宜然,重其验耳.”据此可知,刘徽曾求得圆内接正3072边形的面积,以证实圆周率39271250的正确性.在实用算术方面,他主张用π=15750来计算圆的面积.当边数无限增加时,圆内接正多边的面积趋近于圆的面积.公元前五世纪,希腊数学家安提丰(Anti⁃phon)最早发现了这个原理,但没有利用它来计算π的近似值.公元前三世纪中叶,阿基米德(Archimedes)以为圆周长介于圆内接多边形的周长和外切多边形的周长之间,算出31071<π<317.刘徽的割圆术思想比古希腊人的思想迟了几百年,而他的成就超过了和他同时代的数学家,这是值得表彰的.需要指出的是:①刘徽的不等式只需用圆内接正多边形的面积而不用外切多边形的面积来求解,所以能够达到事半功倍的效果;②我们的祖先很早就用位值制记数,能迅速地进行乘方、开方,数字计算工作比古希腊人的要容易得多.《九章算术》方田章的弧田术说:“设c为弧田(弓形)的弦,v为矢,则面积为A=12(cv+v2).”这不是一个很精密的近似公式.刘徽以为,在弧田为半圆时用这个公式计算出来的面积与用π=3计算出来的面积相等,如果弧田为劣弧,误差比率(相对误差)更大.在批判了旧法以后,他指出了处理弧田面积的正确方法.他说:“既知直径则弧可割分.”即依据已知的弦和矢,可求弧的直径.按照割圆术,求12弧、14弧、18弧等的弦和矢,并将这些大大小小的弦矢相乘,再折半,就得到相当精密的弧田(弓形)的面积值.但他又说:“若但度田,取其大数,旧术为约耳.”意思是说,在量田地的面积时不需要十分精密的数据,还可以用以前的方法.二、圆锥体积与球体积《九章算术》的商功章中,直立圆锥体与平截头直立圆锥体的体积公式,在假设π=3的条件下,是准确的.刘徽在“委粟依垣”术里注解说:“从方锥中求圆锥之积亦犹方幂求圆幂.”这说明圆锥体的体积和它的外切方锥体的体积之比等于圆的面积和它的外切正方形面积之比.方边为a、高为h的方锥体的体积是13a2h,所以底的直径为a、高为h的圆锥体的体积应是π4⋅13a2h=π12a2h.仿照此方法可得,平截头圆锥体的体积是平截头方锥体体积的π4倍.刘徽在方田章的畹田术注中讨论过直立圆锥的侧面积,他说:“若令其(直立方锥)中容圆锥,圆锥见幂(侧面积)与方锥见幂(侧面积)其率犹方幂之与圆幂也.”因此,他断定:“折径(斜高)以乘下周之半即圆锥之幂(侧面积)也”.若圆锥的底径为a,斜高为l,则它的侧面积应是12πal.刘徽用这种简单明了的方法处理圆锥的体积与侧面积问题,是容易被人们接受的.少广章的开立圆术中说:“置积尺数,以十六乘之,九而一,开立方除之即丸(球)径.”设球的体积为V、球径为D,则由开立圆术可得D =9或V=916D3.九60数学史话图2图3三、关于十进分数少广章开方术:“设整数N为被开方数,a为方根的整数部分,r=N-a2,则N=a+r a.”这当然太不准确.当时人们还用a+r2a+。
简述刘徽的割圆术1、刘徽的“割圆术”我国古代数学经典《九章算术》第一章“方田”中有我们现在所熟悉圆面积公式“半周半径相乘得积步”.魏晋时期数学家刘徽为证明这个公式,于公元263 年撰写《九章算术注》,在这一公式后面写了一篇长约1800 余字的注记——“割圆术”.“割之弥细,所失弥少.割之又割,以至于不可割,则与圆周合体而无所失矣!觚面之外,犹有余径,以面乘余径,则幂出弧表.若夫觚之细者,与圆合体,则表无余径.表无余径,则幂不外出矣. 以一面乘半径,觚而裁之,每辄自倍,故以半周乘半径而为圆幂.”刘徽在证明这个圆面积公式的时候有两个重要思想,一个就是我们现在所讲的极限思想; 第二个是无穷小分割思想.如图:设圆面积为0s ,半径为r ,圆内接正n 边形边长为n l ,周长为n L ,面积为n S .将边数加倍后,得到圆内接正2n 边形,其边长、周长、面积分别为2n l ,2n L ,2n S .刘徽从圆内接正六边形开始割圆,“割之弥细,所失弥少,割之又割,以至不可割,则与圆周合体,而无所失矣.”也就是说将圆内接正多边形的边数不断加倍,则它们与圆面积的差就越来越小,而当边数不能再加的时候,圆内接正多边形的面积的极限就是圆面积.刘徽考察了内接多边形的面积,也就是它的“幂”,同时提出了“差幂”的概念.“差幂” 是后一次与前一次割圆的差值.同时,它与两个小三角形的面积和相等.刘徽指出,在用圆内接正多边形逼近圆面积的过程中,圆半径在正多边形与圆之间有一段余径.以余径乘正多边形的边长,即2倍的“差幂”,加到这个正多边形上,其面积则大于圆面积.这是圆面积的一个上界序列.刘徽认为,当圆内接正多边形与圆是合体的极限状态时,“则表无余径.表无余径,则幂不外出矣.”就是说,余径消失了,余径的长方形也就不存在了.因而,圆面积的这个上界序列的极限也是圆面积.于是内外两侧序列都趋向于同一数值,即,圆面积.即:2n l AD ===知道了内接正n 边形的周长n L ,又可求得正2n 边形的面积:211222n n n l r S n AB OD n L r ⎛⎫=⋅=⋅=⋅ ⎪⎝⎭得2022()n n n n S S S S S <<+-刘徽再把与圆周合体的这个正多边形,就是不可再割的这个正多边形,进行无穷小分割,再分割成无穷多个以圆心为顶点,以多边形每边为底的无穷多个小等腰三角形,这个底乘半径为小三角形面积的两倍,把所有这些底乘半径加起来,应该是圆面积的两倍.那么就等于圆周长乘半径等于两个圆面积.所以一个圆面积等于半周乘半径,所以刘徽说故半周乘半径而为圆幂.那么他的原话就是“以一面乘半径,觚而裁之,每辄自倍.故以半周乘半径而为圆幂”.最后完全证明了圆面积公式.随着圆面积公式的证明,刘徽也创造出了求圆周率精确近似值的科学程序.刘徽在圆内接正六边形把圆周等分为六条弧的基础上,再继续等分,把每段弧再分割为二,做出一个圆内接正十二边形,这个正十二边形的周长就要比正六边形的周长更接近圆周了.如果把圆周再继续分割,做成一个圆内接正二十四边形,那么这个正二十四边形的周长必然又比正十二边形的周长更接近圆周.这就表明,越是把圆周分割得细,误差就越少,其内接正多边形的周长就越是接近圆周.如此不断地分割下去,一直到圆周无法再分割为止,也就是到了圆内接正多边形的边数无限多的时候,它的周长就与圆周“合体”而完全一致了.根据圆周率=圆周长/圆直径,可以求出圆周率.2、割圆术的意义及刘徽对后世数学发展的作用刘徽的“割圆术”是为证明圆面积公式而设计出来的一种方法,割圆术是《九章算术》中作为计算圆的周长、面积以及圆周率的基础.刘徽是中算史上第一次建立可靠的理论来推算圆周率的科学家.刘徽在《九章算术注》的自序中表明,把探究数学的根源,作为自己从事数学研究的最高任务.他注《九章算术》的宗旨就是“析理以辞,解体用图”.“析理”就是当时学者们互相辩难的代名词.刘徽通过析数学之理,建立了中国传统数学的理论体系.众所周知,古希腊数学取得了非常高的成就,建立了严密的演绎体系.然而,刘徽的 “割圆术”却在人类历史上首次将极限和无穷小分割引入数学证明,成为人类文明史中不朽的篇章.。
专题21 割圆术一、单选题1.我国魏晋时期著名的数学家刘徽在《九章算术注》中提出了“割圆术——割之弥细,所失弥少,割之又割,以至不可割,则与圆周合体而无所失矣”.也就是利用圆的内接多边形逐步逼近圆的方法来近似计算圆的面积.如图O 的半径为1,用圆的内接正六边形近似估计,则O若我们运用割圆术的思想进一步得到圆的内接正二十四边形,以此估计,O 的面积近似为( )A.32 B.32 C.3 D.3 2.刘徽的割圆术是建立在圆面积论的基础之上的.他首先论证,将圆分割成多边形,分割越来越细,多边形的边数越多,多边形的面积和圆的面积的差别就越来越小了.如图,阴影部分是圆内接正12边形,现从圆内任取一点,则此点取自阴影部分的概率是( )A .3πB .2π CD3.我国古代数学名著《九章算术》中割圆术:“割之弥细,所失弥少,割之又割,以至于不可割,则与圆周合体而无所失矣.”其体现的是一种无限与有限的转化过程,比如在x,这可以通过方程x 确定出来2x =,类似地不难得到16166+=++⋯( )A .3B .3CD 4.在《九章算术》方田章圆田术(刘徽注)中指出,“割之弥细,所失弥少,制之又割,以至于不可割,则与圆周合体而无所失矣.”注述中所用的割圆术是一种无限与有限的转化+中“…”即代表无限次重复,但原式却是个定值x ,这可以x =确定出来2x =,类比上述结论可得222log 2log (2log ()[]2)+++的正值为A .1BC .2D .45.2011年国际数学协会正式宣布,将每年的3月14日设为国际数学节,来源于中国古代数学家祖冲之的圆周率。
公元263年,中国数学家刘徽用“割圆术”计算圆周率,计算到圆内接3072边形的面积,得到的圆周率是39271250.公元480年左右,南北朝时期的数学家祖冲之进一步得出精确到小数点后7位的结果,给出不足近似值3.1415926和过剩近似值3.1415927,还得到两个近似分数值,密率355113和约率227。
割圆术——刘徽《九章算术注》
割圆术(cyclotomic method)
所谓“割圆术”,是用圆内接正多边形的周长去无限逼近圆周并以此求取圆周率的方法。
这个方法,是刘徽在批判总结了数学史上各种旧的计算方法之后,经过深思熟虑才创造出来的一种崭新的方法。
中国古代从先秦时期开始,一直是取“周三径一”(即圆周周长与直径的比率为三比一)的数值来进行有关圆的计算。
但用这个数值进行计算的结果,往往误差很大。
正如刘徽所说,用“周三径一”计算出来的圆周长,实际上不是圆的周长而是圆内接正六边形的周长,其数值要比实际的圆周长小得多。
东汉的张衡不满足于这个结果,他从研究圆与它的外切正方形的关系着手得到圆周率。
这个数值比“周三径一”要好些,但刘徽认为其计算出来的圆周长必然要大于实际的圆周长,也不精确。
刘徽以极限思想为指导,提出用“割圆术”来求圆周率,既大胆创新,又严密论证,从而为圆周率的计算指出了一条科学的道路。
在刘徽看来,既然用“周三径一”计算出来的圆周长实际上是圆内接正六边形的周长,与圆周长相差很多;那么我们可以在圆内接正六边形把圆周等分为六条弧的基础上,再继续等分,把每段弧再分割为二,做出一个圆内接正十二边形,这个正十二边形的周长不就要比正六边形的周长更接近圆周了吗?如果把圆周再继续分割,做成一个圆内接正二十四边形,那么这个正二十四边形的周长必然又比正十二边形的周长更接近圆周。
这就表明,越是把圆周分割得细,误差就越少,其内接正多边形的周长就越是接近圆周。
如此不断地分割下去,一直到圆周无法再分割为止,也就是到了圆内接正多边形的边数无限多的时候,它的周长就与圆周“合体”而完全一致了。
按照这样的思路,刘徽把圆内接正多边形的面积一直算到了正3072边形,并由此而求得了圆周率为3.14和3.1416这两个近似数值。
这个结果是当时世界上圆周率计算的最精确的数据。
刘徽对自己创造的这个“割圆术”新方法非常自信,把它推广到有关圆形计算的各个方面,从而使汉代以来的数学发展大大向
前推进了一步。
以后到了南北朝时期,祖冲之在刘徽的这一基础上继续努力,终于使圆周率精确到了小数点以后的第七位。
在西方,这个成绩是由法国数学家韦达于1593年取得的,比祖冲之要晚了一千一百多年。
祖冲之还求得了圆周率的两个分数值,一个是“约率”,另一个是“密率”,其中这个值,在西方是由德国的奥托和荷兰的安东尼兹在16世纪末才得到的,都比祖冲之晚了一千一百年。
刘徽所创立的“割圆术”新方法对中国古代数学发展的重大贡献,历史是永远不会忘记的。
利用圆内接或外切正多边形,求圆周率近似值的方法,其原理是当正多边形的边数增加时,它的边长和逐渐逼近圆周。
早在公元前5世纪,古希腊学者安蒂丰为了研究化圆为方问题就设计一种方法:先作一个圆内接正四边形,以此为基础作一个圆内接正八边形,再逐次加倍其边数,得到正16边形、正32边形等等,直至正多边形的边长小到恰与它们各自所在的圆周部分重合,他认为就可以完成化圆为方问题。
到公元前3世纪,古希腊科学家阿基米德在《论球和阅柱》一书中利用穷竭法建立起这样的命题:只要边数足够多,圆外切正多边形的面积与内接正多边形的面积之差可以任意小。
阿基米德又在《圆的度量》一书中利用正多边形割圆的方法得到圆周率的值小于三又七分之一而大于三又七十分之十,还说圆面积与夕卜切正方形面积之比为11:14,即取圆周率等于22/7。
公元263年,中国数学家刘徽在《九章算术注》中提出“割圆”之说,他从圆内接正六边形开始,每次把边数加倍,直至圆内接正96边形,算得圆周率为3.14或157/50,后人称之为徽率。
书中还记载了圆周率更精确的值3927/1250(等于3.1416)。
刘徽断言“割之弥细,所失弥少,割之又割,以至于不可割,则与圆合体,而无所失矣”。
其思想与古希腊穷竭法不谋而合。
割圆术在圆周率计算史上曾长期使用。
1610年德国数学家柯伦用2^62边形将圆周率计算到小数点后35位。
1630年格林贝尔格利用改进的方法计算到小数点后39位,成为割圆术计算圆周率的最好结果。
分析方法发明后逐渐取代了割圆术,但割圆术作为计算圆周率最早的科学方法一直为人们所称道。