Pi 是永恆 (一)

亞視永恆。但有些東西可以比亞視更永恆。

我們都學過圓周率,而且我們都知道圓周率的名字叫做 \pi。在學校裡,我們必定學過一條公式,就是如何用一個圓形的半徑去計算它的周長,即是圓周:

C=2\pi R

上式告訴我們「圓周 C 除以兩倍半徑 (即直徑) 2R 等於 \pi」,大概就是我們對 \pi 的第一個印象吧!我們在學校也學過,上式中的 \pi 是一個常數。換句話說,無論一個圓形有多大,它的圓周 C 和直徑 2R 之間的比例都是不變的。

有史記載第一個證明 \pi 是常數的人,有說是阿基米德。他使用極限 (limit) 的數學概念,以逼近法把 \pi 好像夾三文治一樣夾出來!從而證明它是一個常數,計算出 \pi 在 3.1408 和 3.1429 之間,準確至兩個小數位。事實上,\pi 是無窮無盡的,即是它擁有無限個小數位,怎樣計也永遠計不完。現代的超級電腦,可以把 \pi 計算至萬億個小數位。可是,萬億個小數位距離無限,仍然是無限遠。

我們知道這些都是事實。可是,我們又有沒有想過,為。什。麼?

在這一連幾篇文章中,我會用兩個不同的方法去證明 \pi 是一個常數,即是證明所有圓形的圓周率都是一樣的。換句話說,我們會證明所有圓形的圓周與直徑的比例都是一樣的。然後我會介紹其他與圓形和 \pi 有關的問題和故事。好了,我們開始吧!

首先第一個證明,涉及微積分的概念。注意在此證明之中我並不會用到實際微積分的運算技巧;使用微積分的符號只為證明的完整和方便而已。未學過微積分的讀者不用太過在意,只需要知道記住「積分」只是計算無限短的長度的加法,而「微分」可想成是積分的反向操作而已。 (也可參考上回,微分是計算無限短線段的斜率的方法)

首先,我們有一個半徑為 R 的圓,圓心 O 點放在 (x, y) = (0, 0)。現在於圓形上任意選擇一段長度為 \Delta s 的段落。\Delta s 兩端對應的座標叫做 (x_1, y_1)(x_2, y_2)。如下圖:

Screen Shot 2015-12-16 at 15.11.11

我們問,\Delta s 有多長?假設我們選擇的 \Delta s 非常非常短。當趨向於無限短,那麼 \Delta s 就差不多是一條直線。根據上圖,使用我們討論過的畢氏定理,我們就有 \Delta s= \sqrt{\Delta x^2 + \Delta y^2}。明顯地,如果把很多段 \Delta s 圍繞圓心加起來,就會等於圓周的長度。把很多段無限短的長度加起來的方法,就叫做積分,符號上是這樣寫的:

S=\int \textrm{d}s=\int\sqrt{\textrm{d}x^2+\textrm{d}y^2}

把 \Delta 寫成 \textrm{d} 是為了表示無限短的意思,只是微積分的慣用符號而已。上式可寫成

S=\int\textrm{d}s=\int\sqrt{1+\left(\frac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}\right)^2}\textrm{d}x

這公式告訴我們如何計算任意一段線段的長度。這公式不單止適用於圓形,也適用於所有能夠定義斜率 \frac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x} (即是高度除長度) 的線段。所以現在我們只需要知道圓形的 \frac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x} 就可以計算圓周長度了。懂得微積分運算的讀者可以自行快速計算,但我說過此文中我會不用微積分運算。那麼要如何做呢?原來非常簡單,只需要知道初等幾何學裡的一個定理:兩條互相垂直的直線的斜率相乘等於 -1

Screen Shot 2015-12-16 at 15.17.40

見上圖,沿半徑方向的斜率明顯等於 \frac{y}{x} (其實就是斜率的定義而已),而我們希望找到的沿圓周方向的直線 (即是圓周上的切線) 與半徑互相垂直,所以

\frac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}\times\frac{y}{x}=-1

因此圓周的斜率就是

\frac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=-\frac{x}{y}

把上式放回積分裡,就有

S=\int\sqrt{1+\left(\frac{-x}{y}\right)^2}\textrm{d}x

把開方裡面通分母再化簡,就得到

S=\int\frac{R}{y}\textrm{d}x

在《畢氏定理 X 圓 X 三角學》裡,我們已經知道 y = R\sin\theta。所以

S=\int 1 / \sin\theta\textrm{d}x

現在我們有一個問題,就是要把很多段 1 / \sin\theta 加起來,但是其長度卻用 \textrm{d}x 去表達。就正如計算面積時,我們不可以用米做高度、厘米做長度,單位必須一致。怎麼辦呢?不用擔心,只需要知道每個 \textrm{d}x 等於多少個 \textrm{d}\theta 就可以了!就如只需要知道一米有多少厘米一樣。

在《畢氏定理 X 圓 X 三角學》裡,我們也知道 x = R\cos\theta。所以我們要知道的就是:當 \theta 改變少許的時候 x 改變多少?心水清的讀者已經知道,這正正就是上回講到的斜率了,只不過由計算 \frac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x} 變成計算 \frac{\textrm{d}x}{\textrm{d}\theta},概念一樣。而且從上回的討論中我們已經知道 cosine 的斜率就是負 sine,因此

\textrm{d} x = - R \sin\theta \textrm{d}\theta

原來每個 \textrm{d}x 等於 - R \sin\theta 個 \textrm{d}\theta。所以我們就知道

S=\int -R\textrm{d}\theta

不論 \int -\textrm{d}\theta 等於多少,也與 R 無關。因此圓周上任意長度 S 與直徑的比例就是

S/2R=\int -1/2\textrm{d}\theta

只與角度 \theta 有關。因此無論圓形有多小多大 (由 R 一個變量決定),此比例亦恆等不變。所以我們就證明了無論一個圓形有多大,它的圓周 C 和直徑 2R 之間的比例都是不變的!

最後,我們來證明這個數字等於 \pi。其實這也不可以說是一個「證明」,只是一個定義 \pi 的方法罷了。不過有了這個定義,下回我們就可以計算 \pi 的數值。數學上,我們習慣把角度的 180 度叫做一個 \pi。繞圓周轉一圈是 360 度,所以半個圓周周長就是把上式由 0 度積分至 180 度,即是由 0 積分至一個 \pi

(C/2)/2R=\int^{\pi}_{0} -1/2\textrm{d}\theta = -\pi/2

上式中的負號是因為我們在上面作開方根的時候,沒有考慮正負兩個選擇。長度當然不能是負數,因此這告訴我們在上面的開方步驟中應該選擇負的結果。所以上式就說「半個圓周 C/2 與直徑 2R 的比例是 \pi/2」。換句話說,

C=2\pi R

\pi 是永恆。下回,我們來看看它如何能夠 loop 到下個世紀,仲未埋尾。

延伸閱讀:

三角 X 斜率 X 微積分》- 余海峯

畢氏定理 X 圓 X 三角學》- 余海峯

加菲證明畢氏定理》- 余海峯

By David Yu

David Yu is the father of Simba and an Astrophysicist. He obtained his PhD in Astrophysics from the Max Planck Institute of Extraterrestrial Physics, Germany. He was formerly a postdoc at the KTH Royal Institute of Technology, Sweden, and is currently a lecturer at the University of Hong Kong. He served as the host of the RTHK TV31 programme Science Night, the Depute Editor-in-Chief of the Taiwanese Science Magazine Physics Bimonthly, and the Science Consultant of Stand News. The books he authored include Dr David’s 21 Mysteries of The Universe (2021), Space – A Down-to-Earth Astrophysicist (2021), Time – A Spacetime Journey of Astronomy and Physics (2019), and Secrets from the Stars (2017).

4 comments

  1. 圆周率是定值这一点是欧氏几何的特征,在其他类型的几何里,比如双曲几何,圆周长与直径的比值不一定是一个常数。

    Like

Leave a Reply to 余海峯 David | 物理喵 phycat Cancel reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: