03.04 請問誰有橢圓周長的精確計算公式?這對天體運算會有大的作用?

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圓的周長非常容易計算,因為圓的周長與其直徑之比為恆定的圓周率,所以圓的直徑乘以圓周率就能算出周長。在某種意義上,圓是橢圓的一種特殊形式,兩個焦點重合、半長軸(a)等於半短軸(b)的橢圓就是圓。

雖然圓的周長有初等函數表達式,但橢圓的周長卻沒有簡單的計算公式。不過,這並不意味著橢圓沒有周長計算公式。事實上,橢圓周長公式可以用積分形式精確表達出來:

其中e為橢圓的離心率:

只不過這是第二類完全橢圓積分,沒有解析解,這意味著它不能用初等函數表示,只有在是圓的情況下才能。但藉助計算機,通過插值法等數值方法可以算出一定精度的橢圓周長。或者,可以藉助其他近似的初等函數公式來計算橢圓的周長。

拉馬努金在短暫的一生中發現了許多經典的公式,其中包括收斂速度非常快的圓周率公式,也包括橢圓周長的近似公式,比較有代表性的是下式:

其中h表示:

這個公式的誤差很小,即便圓周率只取3.14,也能得到不錯的精度。

如果對第二類完全橢圓積分進行展開,橢圓的周長公式還有無窮級數的形式:

在上式中,取的項數越多,計算結果越精確。

在現實中,天體的運動軌道沒有完美的圓形,大都是橢圓形。利用橢圓周長的無窮級數公式來計算能夠得到極高的精度,這足夠用於天體運動的計算。

另外,由於引力作用引起的近日點進動,天體的每個公轉軌道其實也不是重合的。例如,地球每年的近日點和遠日點的位置和日地距離都在發生變化;水星的近日點進動是八大行星中最大的那個,因為它最為靠近太陽。


火星一號


橢圓周長是有公式的,只不過確實不是精確的。

在我國的基礎教育中儘管對橢圓有相關的教學內容,比如很多高考生的噩夢——圓錐曲線,但對於橢圓的周長公式在現在的基礎教育教科書裡卻沒有出現過。

一個重要原因就是橢圓並沒有直接的像圓周長那樣的簡潔公式,而是一個無窮級數:

在求證上還涉及到參數方程,座標變換,多重積分的運用,這些都是大學作為理工科學生才會稍微系統地學習的內容。

上式中橢圓的周長只和變量半長軸a和橢圓偏心率ε,以及i值的精確度有關係,i值越大,求出的橢圓周長越精確,但永遠不是一個精確值。

天體的運動和橢圓什麼關係?

宇宙中,可以說所有的天體運動軌道都有一定的偏心率,這意味著它的運動軌道就是一個橢圓,只不過“橢”的程度不同而已,而正圓的偏心率恰為0。

比如我們地球的公轉軌道為0.01627,十分接近一個圓了,而冥王星的偏心率高達0.2401,彗星的軌道更是出奇的偏。

對於天體的運動軌跡,除去中心天體以外星體的影響,我們幾乎可以通過超算將它的軌跡描繪的很精確。

這很容易理解,級數儘管是無窮的,但億萬位的精度我們是可以用計算機做到的,億萬位之後的精度對天體的影響可以說微乎其微。

所以有沒有精確的公式並不要緊,對天體的運算精度我們可以做到基本沒什麼誤差了。但實際上的天體除了受中心引力源的影響,還有周圍其他天體引力的影響,這會使得天體產生進動之類的位移,這時候的橢圓將之不“橢”。

對於這麼一個在數學上是沒有確切的空間解的多體問題,精度是不可能很高的。


科學新視野


求橢圓周長,應根據橢圓之圓周度數,先求出橢圓周率,然後將長、短兩直經之和的二分一乘以橢圓周率。

橢圓周率等於橢圓度數乘以三百六十分之一兀(注:因為圓是360`橢圓的圓周度數大於圓。)

設:橢圓周率為兀*,度數為N;a為橢圓之短軸(徑);b為橢圓之長軸(徑);兀為圓周率。




尋蹤追源


橢圓是由不同半徑的弧連接而成的,焦點兩端的弧長半徑相等,焦點中間以對稱軸分為上下共四段弧,其半徑也是相等的,任何半徑的弧,只要知道它的半經和該弧所對的角度,都可用求圓周長的公式C=6.18R求出,完全與求圓周長同樣精確。因為任何圓弧長度,都是構成它同半徑圓周長上的一部分,求到了圓周長,按百分比即可知該段弧是多長,簡易而精確。


長眉1958


其實橢圓面積也沒有,橢圓的面積πab,但是圓周率也是一個不能得到精確值的量。這和橢圓周長其實沒有本質區別。


SunnySGates


橢圓形周長不能計算軌道。近地點和遠地點的速度不一樣,不過其掃過的面積相等,所以近地點速度快,遠地點速度慢,有個微積分可以計算的,忘了公式


簾內書生


《橢圓周長最準公式》

呂百順

我推導的橢圓周長最準公式是:

L=4√[a²+b²+ab(π²-8)/4]——⑨

其中:a——半長軸,b——短半軸,π——圓周率π=3.1415926535897932384626433832795……

就叫作橢圓周長第九公式吧?因為前輩們已經有了八個公式了。

請各位數學專家驗證指導!

我通過多次驗證,其精度可以和目前的圓周率π的精度相等。

也許有誤,旦求證明。



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