与圆面积相关的数学史和月牙定理

本文将系统地介绍与圆相关的数学史和月牙定理,扫描文末二维码可以阅读”以HPM视角探索圆的面积“的教学案例,该案例系2020年长三角区域初中数学青年教师教学设计大赛三等奖获奖案例。
一、圆面积公式的历史
(一)、阿基米德最早给出了圆面积的准确公式
阿基米德根据安提丰“化圆为方”的方案(如图1)以及在《几何原本》中欧几里得的命题:两个圆的面积之比它们的直径之比,推导出了圆的面积公式。
命题 圆面积等于一条直角边为圆半径,另一条直角边长为圆周长的直角三角面积。

(二)、《九章算术》中对圆面积的推算

中国汉代数学名著《九章算术》中记载了正确的圆面积公式:“半周半径相乘,得积步”。即圆面积等于半周乘以半径,三国时代布衣数学家刘徽给出了证明。

(三)、开普勒推导圆面积公式的方式

17世纪誉满欧洲的天文学家和数学家开普勒在他第二次婚姻的婚礼上,在思考酒桶体积算法时,首先想出了圆面积的计算方法。

如图3,将圆分割成无数个顶点在圆心、高为半径的小“三角形”(其实是小扇形,但圆分割得越细,小扇形越接近三角形)。将这些小“三角形”都转变成等底等高的三角形,最后,它们构成了一个直角三角形。

(四)、圆面积数学史微课

二、圆面积公式的两种推导方法

动态变化:

三、月亮定理

人们在追求“化圆为方”的难题的解决过程中,发现有一些圆以外奇妙的曲边图形的面积会和某个多边形面积相等。这种发现应最早归功于古希腊的几何学家希波克拉底。他首先发现了如下的结论:“以直角三角形两直角边向外作两个半圆,以斜边向内作半圆,则三个半圆所围成的两个月牙形(希波克拉底月牙)面积之和等于该直角三角形的面积”,并给出了如下证明:

再从上面等式中,两边同时减去图中浅红色两个月牙面积S1和S2,便可得出结论:“直角边上两个月牙形的面积之和等于直角三角形的面积。”

希波克拉对几何学的贡献很大,他的《几何纲要》是几何学的第一本教科书,据说包括了欧几里得的《几何原本》的前四卷内容。希波克拉底曾致力于“化圆为方”,他的“月牙定理”曾给数学家很大的鼓舞,认为“化圆为方”的问题也不难解决。

除了月亮定理外,还有很多圆中阴影部分的面积值得我们去求解。

链接:圆中阴影部分面积的求法

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