世界上精度最高圓周長初等公式

1、世界上精度最高圓周長初等公 式作者:日期:#世界上精度最高的橢圓周長初等公式成都七中高中遠(yuǎn)程教學(xué)周鈺承159834170817根據(jù)微積分基本原理，可以寫出橢圓周長的定積分公式，但由于被積函數(shù)的原函數(shù)不是初等函數(shù)，所以橢圓周長沒有標(biāo)準(zhǔn)的初等公式。但數(shù)學(xué)家們推導(dǎo)、證明了下面這個橢圓周長標(biāo)準(zhǔn)公式：C (a b) 112?41?32?4?625!88!公式（2）中,這個公式表明,橢圓周長的主要部分為(ab)，我們可以把1 ）中括號里從第二1?32?4?65!8!通常，我們要計算橢圓周長，必須先給出一個精確度。 假如要求我們誤差率低于 d，我們設(shè)需要計算到橢圓率多項式第第n+1項及其以后無窮多項之和必須

2、滿足下列不等式:則橢圓率多項式（2)中,n項，不妨設(shè)n 2，(2n1)!(2n2)!2n 2(2n1)!(2n4)!2n(2n 3)!(2n6)!2n 6因?yàn)椋ㄗ⒁鈔2）：(2n 1)!(2n1)!2n(2n 2)!2(2n 1)!(2n2)!212n 225612n 2256 1212n 22561 222n2n2所以只須:d(2n 4)!(2n 3)!(2n 6)!2n 6(2n 1)!2n(2n 1)!22n 61256(2n22n2)!12562n2n2 22256(12)d(2n 2)!項起稱為橢圓率多項式：212?42In 256(1 )d ,1 ( 3)2lnn取滿足不等式（4）

3、的最小整數(shù)。為此，我們需要一個帶有函數(shù)的學(xué)生計 算器，根據(jù)精確度要求，首先計算出我們應(yīng)該計算到第幾項。計算所得的橢圓周長值在給定f （）第n項，就是標(biāo)準(zhǔn)公式（2）誤差率d的情況下是精確的。注意：計算到橢圓率多項式2 ）中，中括號里應(yīng)該算到4次括號中算到2n次方項；若n為負(fù)數(shù)或者小于2,就算到橢圓率多項式（3）第2項，即公式 （2）中括號里的4次方項。例如：n>-1.86745.則標(biāo)準(zhǔn)公式（方項。因?yàn)檎`差公式證明中n大于或等于2是前提條件。以筆算。需要知道的是，多數(shù)情況下求橢圓周長，只須計算到f（）前兩三項，因而往往可但是，當(dāng)0.95 , d 0.0001 時，算得：n2ln 256(1)

4、157.42,2ln即用到橢圓率多項式第58項即116次方項，才能保證誤差率小于萬分之一。為此，我們可-很小即 很大時的計算問題。a以構(gòu)建一個新的函數(shù)模型，用以解決我們把橢圓率多項式f(）中的系數(shù)簡化得:f（） 4觀察（5），由于01441，所以41 6 25 8 49 10 441 12亍 孕 孑 盯（4）2n隨著n增大而減小；各項系數(shù)逐漸變小，但與等比數(shù)列相比，“小得越來越慢”。根據(jù)（5）式的這些特點(diǎn)，我們構(gòu)造一個多項式函數(shù) g（），使它與f（）前三項相同，同時為了方便運(yùn)算,我們從第二項起各項系數(shù)為等比數(shù)列:g( )4 2 右 4 411 8 1 10 145464712(5)變形為無窮等

5、比數(shù)列求和（其系數(shù)從4項開始為等比數(shù)列）：g()1 24141承4 ?14(1(111(1)242(1 6(1)1(1)8-(當(dāng) n)2時，n0)64 16 244)J14(16 264 1616 23 464 16 216 23 4用g（） 16冒近似代替f（），代入標(biāo)準(zhǔn)公式（“得:C (a b) 1 16 23 2464 16從而得到一個橢圓周長的近似公式:C1(ab) 64 3 2( 6)64 16 2公式（6）中,。這是我們在下一課時計算橢圓周長要用到的近似公式。a b為了突出這個公式，我們稱（6）為橢圓周長一級等比公式。近似公式如果沒有誤差估計是沒有實(shí)際意義的。這個初等公式的精度如何

6、呢？為此,我們介紹一下橢圓周長C滿足下列不等式:(ab)64Wi(ab)(aC2(ab)3 49 8(144 32240)C16 2214(：144 100240)C643 49 8 (14432240)6416 2214(144100240)643 49 8 (14429240)6416 2214(144103240)643 49 8 (14432 21340)6416 2214(14410024)b)是橢圓周長誤差率定理：橢圓周長真值(a b) 64 3 264 16 29 8(144 29 240)214(144 103 2_4°)是橢圓周長的一個下界公式；是橢圓周長的一個上界

7、公式。二級等比公式。10和它以前的所10的系數(shù)為首項,限于篇幅，此處不給出詳細(xì)證明過程，只對證明思路作簡要介紹。證明思路：上界公式與下界公式的級數(shù)展開式與橢圓標(biāo)準(zhǔn)公式相比,有系數(shù)完全相同，稱第一部分。而從12到38的系數(shù)，稱第二部分。103 : 144）為等比數(shù)列相同公比為（100： 144 ）的等比數(shù)列作為下界公式的第二部分，公比為（作為上界公式的第二部分，可用完全歸納法證明：下界公式每項系數(shù)小于標(biāo)準(zhǔn)公式中 次數(shù)的系數(shù)（僅有一項例外，但可用前一項系數(shù)補(bǔ)足），上界公式每項系數(shù)大于標(biāo)準(zhǔn)公式中40項主要作用是相同次數(shù)的系數(shù)。從 40項開始稱為第三部分。上界公式與下界公式中的保持與二級等比公式形式上

8、的統(tǒng)一性，所以它們并不是最佳選配的系數(shù)和次數(shù)?？捎脭?shù)學(xué)歸納法證明上界公式和下界公式第三部分的正確性。注意二級等比公式中，第二個分式的分母中為4，不是40次方，而是4次方，它的出現(xiàn)是從 100 2到103 2漸變過程中產(chǎn)生的。二級等比公式中系數(shù)和次數(shù)是最佳選配的,不可更易。上界公式與下界公式均超過了目前所有的橢圓周長初等公式（包括中國橢圓周長公式） 的精度；用上界公式與下界公式及兩邊夾定理，可以求出橢圓周長的精確值，這是上界公式累加一接近于1時。與下界公式的主要優(yōu)點(diǎn)，它能夠讓我們判斷，我們用程序計算標(biāo)準(zhǔn)橢圓周長公式時， 百萬項后精確度如何，特別是當(dāng)ab一級等比C1真值下界W1兩邊夾得真值C真值上

9、界W2二級等比C210.003.99 244066393.99972239594.000 （舍入值）4.0000 0731924.000025842210.054.017 16545824.01940529694.0194 （不足值）4.0194 7309434.019421366610.104.0631 5100734.06396981664.0640 （過剩值）4.06398 509574.063974164710.154.1257 7971624.12609916884.12610 （不足）4.126102 72354.126100218510.204.2018 8017424.2020

10、0859314.202009 （舍入）4.2020094 5784.202008847410.254.28915 862394.28921079814.289211 （舍入）4.2892110 1354.289210860710.304.38588 891394.38591004464.3859100 （不）4.38591009 834.385910060110.354.490731 13294.49073956614.4907396 （過）4.49073957 934.490739569910.404.602619 23714.60262251744.60262252 （舍）4.602622

11、520 54.602622518310.454.720688 01434.72068924374.720689244 舍4.72068924444.720689243910.504.8442236 7214.84422411024.8442241102 舍4.84422411034.844224110210.554.9726292 5434.97262940044.9726294004 舍4.97262940054.972629400410.605.1053997 285.10539977275.10539977275.10539977275.105399772710.655.24210358

12、 745.24210359965.24210359965.24210359965.242103599610.705.38236897 865.38236898155.38236898155.38236898155.382368981510.755.525873039 65.52587304025.52587304025.52587304025.525873040210.805.67233357775.67233357785.67233357785.67233357785.672333577810.855.82150248025.82150248035.82150248035.821502480

13、35.821502480310.905.97316043255.97316043255.97316043255.97316043255.973160432510.956.12711263666.12711263666.12711263666.12711263666.127112636611.006.28318530726.28318530726.28318530726.28318530726.2831853072ab一級等比C1真值下界W1兩邊夾得真值真值上界W2二級等比C2但不二級等比公式是比上界公式和下界公式精度還高得多的橢圓周長初等公式。筆者預(yù)言 這將是地球上精度最高的初等公式，永遠(yuǎn)不會再出現(xiàn)比這個公式更簡潔、更美麗、更實(shí)用、 精度更高的橢圓周長初等公式。我們可以懷疑用程序累加項名達(dá)公式五百萬項的結(jié)果， 可懷疑這個僅用學(xué)生計算器就可計算橢圓周長的二級等比公式。4.2020085 x 4.2020095 ；4.126100 x 4.12611；4.06390 x 4.06400.因而比此文的上界公式與下界備注：舍入值若為 4