幾何想像力:從任意圓內包含點的數目推導出萊布尼茲級數

2020-12-11 電子通信和數學

前一篇《萊布尼茲的傑作:萊布尼茲級數背後隱藏的奧秘》一文中詳細討論了萊布尼茲的發現:一個整數能表示成兩個整數平方和有多少種方法,如下是1到49的所有整數能表示成兩個整數平方和的計算方式

繼前面文章《從小學到大學都能看懂的圓周率π的計算方式》一文中得出任意一個圓內所有填充點(晶格點)的數量近似的等於該圓的面積,而每個點都表示一個整數坐標,這個坐標到原點的距離就是坐標點x^2+y^2,那我們如何來統計圓內的點數呢?《勾股定理的妙用:統計任意圓內晶格點數的優美方法》一文中給出了"藥方",下文我們以半徑R=7為例來說明

用點數來計算圓周率π

每一個數所能表示成(兩個整數平方和)的個數都是4的倍數,0到49每個數表示成兩個整數平方和的所有數目就是晶格點數。具體請參閱《勾股定理的妙用:統計任意圓內晶格點數的優美方法》

如下《萊布尼茲的傑作:萊布尼茲級數背後隱藏的奧秘》一文中例舉了18的奇數因子有3個:1,9,3,那麼它能表示成兩個整數平方和的個數就是4x(2-1)=4

例如整數5就有8種方法,正好對應8個晶格點

我們統計半徑為7時的晶格點數(0到49):將奇數分為兩個部分:公差均為4,統計每個整數的奇數因子,如下綠色第一行49個

第二行:間隔是5,綠色點數就是49/5取整數部分,依次類推

根據《萊布尼茲的傑作:萊布尼茲級數背後隱藏的奧秘》一文中的方法,就可以推導出R=7的圓所包含的晶格點數:

最終會得到N(7)=149

如果將半徑R=7換成任意半徑R,就是如下圖

兩邊同除以半徑的平方,結果就是圓周率π

我們化簡得到如下結果

因半徑趨於無窮大,所以最有一項1/r^2=0

最終得到著名的萊布尼茲級數

此篇是建立在萊布尼茲的傑作:萊布尼茲級數背後隱藏的奧秘《勾股定理的妙用:統計任意圓內晶格點數的優美方法》從小學到大學都能看懂的圓周率π的計算方式》三篇文章的基礎上。

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