数学史与数学教育(HPM)的一个案例———刘徽的“割圆术”与微
刘徽割圆术
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（二）圆周率的定义
指平面上圆的周长与直径之比。早 在一千四百多年以前，我国古代著名 的数学家祖冲之，就精密地计算出圆 的周长是它直径的3.1415926--3.1415927倍之间。这是当时世界上 算得最精确的数值----圆周率。
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（三）圆周率的发展
“圆周率”是说一个圆的周长同它的直径有一个 固定的比例。我们的祖先很早就有“径一周三”的 说法，就是说，假如一个圆的直径是1尺，那它的 周长就是3尺。后来，人们发现这个说法并不准确。 东汉的大科学家张衡认为应该是3.162。三国到西 晋时期的数学家刘徽经过计算，求出了3. 14159的 圆周率，这在当时是最先进的，但是刘徽只算到这 里就没有继续算。祖冲打算采用刘徽“割圆术” （在圆内做正6边形，6边形的周长刚好是直径的3 倍，然后再做12边形、24边形……边数越多，它的 周长就和圆的周长越接近）的方法算下去。
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第四，圆面积S满足不等式 S2n＜S＜S2n＋（S2n－Sn）。
如图所示，四边形 OADB的面积和△OAB 的面积的差等于以AD和 DB为弦的两个直角三角 形面积，而OADB的面 积再加上这样两个直角 三角形的面积，就有一 部分超出圆周了。
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第五，刘徽指出：“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。”（《九章算术》 方田章圆田术刘徽注）这就是说，圆内 接正多边形的边数无限增加的时候，它 的周长的极限是圆周长，它的面积的极 限是圆面积。
因为《缀术》失传了，祖冲之究竟是用什么方法将π算 到小数点后第七位，又是怎样找到既精确又方便的密 率的呢？这至今仍是困惑数学家的一个谜。
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祖冲之曾写过一本数学著作《缀术》，记录了他 对圆周率的研究和成果。但当时“学官莫能究其 深奥，是故废而不理”，以致后来失传。
刘徽割圆术和定积分方法
刘徽割圆术和定积分方法刘徽是中国古代数学家、天文学家和地理学家，他的著作《九章算术》在中国数学史上有着非常重要的地位。
刘徽在数学领域的贡献众多，其中包括刘徽割圆术和定积分方法两个重要的成就。
刘徽割圆术是刘徽在几何学中的一项杰出成就。
在中国数学史上，刘徽被尊为“割圆术”之祖。
刘徽割圆术是指通过逐步不断地用正多边形来逼近圆周，从而求出圆周的长度。
刘徽发现，如果一个正多边形的边数不断增加，那么它的周长就会趋向于圆的周长。
这样，他便构造出一个近似于圆周长的方法，成为了一种割圆的技术。
刘徽在这一方法中首次提出了极限思想，也就是不断地逼近某个值。
这种思想在现代数学中被称为极限思想，极限思想被广泛应用于微积分和数学分析等学科领域。
刘徽在割圆术的发展过程中，提出了许多新的思想和概念，对后世的数学发展产生了深远的影响。
在数学中，刘徽的定积分方法是他在微积分领域的又一杰出贡献。
定积分是微积分的一个重要概念，是将一个函数在一个区间上的取值进行求和得到近似于该函数在整个区间上取值的一个方法。
刘徽在其著作中提出了用“无限小”思想来解决问题的方法，并且这种思想在现代数学中得到了广泛的运用。
刘徽的定积分方法为后世的微积分学发展提供了重要的理论基础。
通过刘徽的方法，人们可以将一个问题进行分割，然后逐步求和，得到最终的结果。
这种思想成为了微积分学中的核心思想之一，也被应用于多个领域，包括物理学、工程学和经济学等。
刘徽在割圆术和定积分方法的研究中，提出了许多开创性的思想和概念，为数学的发展作出了巨大的贡献。
他开拓了数学的新领域，丰富了数学的内涵，对后世的数学学科发展起到了关键的作用。
刘徽的割圆术和定积分方法不仅在当时产生了深远的影响，而且对现代数学学科的发展具有重要的启发作用。
刘徽割圆术
（四）建议将3月14日定为祖冲之纪念日 建议将 月 日定为祖冲之纪念日
美国麻省理工学院首先倡议将3日 日 寓意3﹒ ） 美国麻省理工学院首先倡议将 日14日（寓意 ﹒14）定为国际 圆周率日(National p Day)。1736年，瑞士数学家歐拉 (Euler， 圆周率日 。 年 ， 1707 – 1783) 提倡以希腊字母 p (音：pi) 来表示圓周率，p是圓周 来表示圓周率， 是圓周 音 的字頭。直到現在， 的希腊文 perijereia (英文为 periphery) 的字頭。直到現在，p 已 英文为 成为圓周率的专用符號。在这一天，学生们会彼此祝福“ 成为圓周率的专用符號。在这一天，学生们会彼此祝福“圆周率日 快乐！ 快乐！”用大家熟悉的生日歌旋律唱起 happy pi day to you！学 ！ 院众多对圆周率有兴趣的人聚在一起讨论圆周率问题，吃馅饼(英 院众多对圆周率有兴趣的人聚在一起讨论圆周率问题，吃馅饼 英 同音)以及其他各种以圆周率为主题的食物 文pie，与圆周率英文 同音 以及其他各种以圆周率为主题的食物， ，与圆周率英文pi同音 以及其他各种以圆周率为主题的食物， 举行圆周率背诵比赛。 举行圆周率背诵比赛。 全球各地的一些著名大学的数学系，也在3月 日举行 日举行Party庆 全球各地的一些著名大学的数学系，也在 月14日举行 庆 在圓周率日當天， 祝。在圓周率日當天，加拿大滑铁庐大学还会以供應免費的餡餅来 庆祝。而3月14日恰好又是著名的物理学家爱因斯坦 (Albert 庆祝。 月 日恰好又是著名的物理学家爱因斯坦 Einstein，1879 – 1955) 的生日。所以他们还会「择时辰」以庆祝 的生日。所以他们还会「择时辰」 ， 圆周率日：选择在下午1時 分开始庆祝 分开始庆祝， 圆周率日：选择在下午 時59分开始庆祝，它代表 3.14159 (准确至 准确至 六位小数) 的圓周率近似值。 六位小数 的圓周率近似值。
刘徽与“割圆术”
刘徽与“割圆术”（数学家）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。
直到后来，魏晋时期的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。
一次，刘徽看到石匠在加工石头，觉得很有趣就仔细观察了起来。
“哇！原本一块方石，经石匠师傅凿去四角，就变成了八角形的石头。
再去八个角，又变成了十六边形。
”一斧一斧地凿下去，一块方形石料就被加工成了一根光滑的圆柱。
谁会想到，在一般人看来非常普通的事情，却触发了刘徽智慧的火花。
他想：“石匠加工石料的方法，可不可以用在圆周率的研究上呢？”于是，刘徽采用这个方法，把圆逐渐分割下去，一试果然有效。
他发明了亘古未有的“割圆术”。
他沿着割圆术的思路，从圆内接正六边形算起，边数依次加倍，相继算出正12边形，正24边形……直到正192边形的面积，得到圆周率兀的近似值为157/50(3。
14)；后来，他又算出圆内接正3072边形的面积，从而得到更精确的圆周率近似值：π≈3927/1250(3。
1416)。
刘徽割圆术简单而又严谨，富于程序性，可以继续分割下去，求得更精确的圆周率，这就是刘徽发明的“割圆术”。
【读史明理】刘徽的“割圆术”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。
这里包含了最早的极限概念和直线曲线转化的思想，对于后世高等数学的极限理论的发展，具有十分重要的意义。
【知识链接】刘徽（约225～约295年），汉族，山东滨州邹平市人，魏晋期间伟大的数学家，中国古典数学理论的奠基人之一。
在中国数学史上作出了极大的贡献，他的杰作《九章算术注》和《海岛算经》，是中国最宝贵的数学遗产。
《刘徽割圆术》课件
割圆术与极限思想的关系
极限思想是数学中一个重要的 概念，它描述了当某量变化时 ，其极限的存在性。
割圆术体现了极限思想的应用 ，即通过不断增加多边形的边 数，使得多边形的周长无限接 近于圆的周长。
这种极限思想的应用使得刘徽 能够利用有限的手段来逼近无 限的数值，从而得到圆周率的 近似值。
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计算机图形学
在现代计算机图形学中，刘徽割圆术 的思想被广泛应用于生成平滑的曲线 和曲面，例如在制作动画、游戏、电 影等领域。
数值分析
刘徽割圆术中的数值计算方法也被广 泛应用于现代科学中的数值分析领域 ，例如在计算物理、工程等领域中， 可以利用刘徽割圆术的方法进行数值 模拟和计算。
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刘徽割圆术的局限性与挑战
在数学史上的地位
推动了中国古代数学的发展
刘徽割圆术是中国古代数学发展史上的重要里程碑，它的出现标志着中国古代数学从经验型向理论型的转变。
对世界数学史的影响
刘徽割圆术的提出和应用，不仅对中国古代数学产生了深远影响，也对世界数学史的发展产生了重要影响，为后 来的数学家提供了宝贵的启示和借鉴。
在现代科学中的应用
古代科学技术的局限性
缺乏精确的测量工具
古代科学技术的限制使得刘徽在进行 割圆术时无法获得精确的数值和比例 。
缺乏数学理论支持
受限于经验和实践
由于历史背景和知识体系的限制，刘 徽只能通过直观和实践来验证割圆术 ，这使得其结果的可靠性和准确性存 在一定问题。
当时的数学理论尚未发展到能够完全 支撑刘徽割圆术的证明，这使得该方 法在理论上的可靠性受到质疑。
刘徽割圆术在现代科学中的应用前景
数学建模
刘徽割圆术的基本思想和技巧可以应用 于数学建模中，为解决实际问题提供新 的思路和方法。例如，在物理、工程、 经济等领域中，可以利用刘徽割圆术的 思想来建立数学模型，解决复杂的问题 。
刘徽割圆术求圆面积的过程
刘徽割圆术求圆面积的过程
刘徽首先从圆的内接正六边形开始割圆，然后将边数逐渐增加，照这样一直分割下去，等到不可割的时候，圆的内接正多边形就和圆合二为一了。
然后他将这个正多边形分割成以圆心为原点，以每条边为底的等腰三角形，这些等腰三角形的高和底相乘得出的结果，是它本身面积的两倍。
因此将他们全部相加便是圆的面积的两倍，而这些等腰三角形的底边之和便是圆的周长，因此圆的面积等于圆的周长的一半乘以半径。
刘徽的割补术
刘徽的“割补术”－“出入相补原理”介绍
刘徽，被称作中国数学史上的牛顿，有着相当重要的历史地位。
他著名的割补术解决了一个又一个的数学难题。
用割补术系统的给出了各种图形面积公式的证明。
中国数学家吴文俊先生称刘徽的割补术为“出入相补原理”：一个平面图形由一处移至他处，面积不变。
又若把图形分割成若干块，那么各部分面积和等于原来图形的面积，因而图形移置前后各个面积的和、差有简单的相等关系。
立体图形也是这样。
在这里介绍一下他的“出入相补”原理。
出入相补，也就是“以盈补虚”。
这种以盈补虚出入相补的证明方式从刘徽之后，一直是中国古代数学推导图形面积公式的传统方法。
三角形的面积推导：
梯形的面积推导：。
数学史与数学教育( HPM) 的一个案例———刘徽的“割圆术”与微
数学史与数学教育( HPM) 的一个案例———刘徽的“割圆术〞与微[摘要]刘徽的“割圆术〞是[关键词]刘徽;割圆术;无限;可积?高等数学?[1]在讲授数列极限概念之前,介绍了我国古代数学家刘徽的割圆术中极限思想,进而引入数列极限的描述定义.实际上,刘徽借“割圆术〞方法,凭借其高超的对无限问题的理解和致用的处理方式,以“不可分量可积〞前提、“夹逼准那么〞等知识证明了圆的面积公式,运算中包含着微积分的思想.另外要指出的是,他利用证明圆面积公式所设计出的机械性的算法程序,求得的圆周率的近似值———徽率〔157÷50〕.郭书春先生认为,刘徽在世界上最先把无穷小分割和极限思想用于数学证明.[2]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,那么与圆周合体而无所失矣!觚面之外,犹有余径,以面乘余径,那么幂出弧表.假设夫觚之细者,与圆合体,那么表无余径.表无余径,那么幂不外出矣.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.〞[3]2几点注记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.2.1数列极限的夹逼准那么刘徽利用割圆术证明圆的面积公式时,用了“夹逼准那么〞(squeezethere).他从圆内接正6边形开始割圆,设圆面积为s0,半径为r,圆内接正n边形边长为ln,周长为ln,面积为sn,将边数加倍后,得到圆内接正2n边形的边长、周长、面积分别记为:l2n、l2n、s2n.刘徽用“勾股术〞得[4]:假设知ln,那么可求出圆内接正2n边形的面积:刘徽认为,“觚面之外,犹有余径,以面乘余径,那么幂出弧表〞:s2ns0sn+2(s2n-sn)=s2n+(s2n-sn),“假设夫觚之细者,与圆合体,那么表无余径.表无余径,那么幂不外出矣.〞lin→∞s2ns0lin→∞(sn+2(s2n-sn))=lin→∞(s2n+(s2n-sn)).即在n趋于无穷大时,圆内接正多边形的面积就是圆面积.2.2折中的无限分割方法关于量可分的两种假定,在2.4目的是证明圆面积公式而非求圆周率刘徽费尽周折,殚精竭虑创立包含着朴素微积分的割圆术,目的只是为证明圆的面积公式,从而他说:此以周、径,为至然之数,非周三径一之率也.为此他同样使用割圆术中的数据,提出了求圆周率近似值的程序.于是得到下表:利用,s2ns0sn+2(s2n-sn)=s2n+(s2n-sn),得到:314×64/625s0314×169/625,由s0=1/2lr,得l≈2s2n/r=628.故π=628/200=3.14.2.5hp的思想科学史上的诸多事实都显示出无穷概念的巨大重要性和深远影响.实数系的逻辑根底在十九世纪末叶才被建立的事实之所以令人惊奇,正是因为人们在理解无穷这个概念上所遇到的巨大困难造成的.对无穷的思考并试图理解它和准确地定义它,是对人类智慧的一个挑战.古希腊以降,无穷的概念就引起了先哲们的注意,但它固有的超越人类有限思维的特征,使得人们对它理解的进展十分缓慢.希尔伯特曾说过,无穷是一个永恒的谜.直到19世纪,柯西和魏尔斯特拉斯给出极限的精确定义为止,人们都无法逾越这一思维中的结症.因为极限的“ε2〞〞的辩证法,包含着从有限到无穷的飞跃,包含着纯洁的数学美.个体的认识规律会“重演〞数学史的开展历程,因此在教学中,学生自然会提出的一系列问题:既然极限描述性定义简单明白,为什么要搞个“ε2〞定义?它与描述性定义有什么不同?数学家怎么会想出这种“乖僻而讨厌〞的定义?正如r·柯朗和h·罗宾所说:“初次遇到它时暂时不理解是缺乏为怪的,遗憾的是某些课本的作者故弄玄虚,他们不作充分的准备,而只是把这个定义直接向读者列出,好象作些解释就有损于数学家的身份似的.〞要弄清这些问题,只有翻开数学史,从哲学的角度认识极限法,这样不仅能帮助我们搞清极限的概念,也有助于建立正确的数学观念.极限的精确定义和是微积分的理论基石.但是要在几堂课内讲清楚困扰人类2000余年极限问题,确实是个难题,hp也许是他山之石.比方通过开辟第二课堂,或在课上,介绍刘徽“割圆术〞中的微积分思想,对极限定义的理解将会大有裨益.[参考文献][1]同济大学数学教研室.高等数学(上册,第四版)[].北京:高等教育出版社,2000,33-34.[2]郭书春.。
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数学史与数学教育( HPM) 的一个案例———刘徽的“割圆术”与微
[摘要]刘徽的“割圆术”是中国数学史上的重要成就之一,其中包含着中国数学家对无限问题的独特认识和致用的处理方式.很多高等数学教科书在讲述极限概念时大都提及,但所述,并未体现刘徽本意.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,其融合了庄、墨两家理解和处理无限问题的方法,并且使用了数列极限的“夹逼准则”和不可分量可积的预设.通过这些相关知识的历史考察,试图以HPM的方法来辅助解决极限概念教学的难题. [关键词]刘徽;割圆术;无限;可积《高等数学》[1]在讲授数列极限概念之前,介绍了我国古代数学家刘徽的割圆术中极限思想,进而引入数列极限的描述定义.实际上,刘徽借“割圆术”方法,凭借其高超的对无限问题的理解和致用的处理方式,以“不可分量可积”前提、“夹逼准则”等知识证明了圆的面积公式,运算中包含着微积分的思想.另外要指出的是,他利用证明圆面积公式所设计出的机械性的算法程序,求得的圆周率的近似值———徽率（157÷50）.郭书春先生认为,刘徽在世界上最先把无穷小分割和极限思想用于数学证明.[2] 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”. “。