圓面積

圓周長（c）：圓的直徑（D），那圓的周長（c）除以圓的直徑（D）等於π，那利用乘法的意義，就等於 π乘圓的直徑（D）等於圓的周長（C），。而同圓的直徑（D）是圓的半徑（r）的兩倍，所以就圓的周長（c）等於2乘以π乘以圓的半徑（r），。把圓平均分成若干份，可以拼成一個近似的長方形。長方形的寬就等於圓的半徑（r），長方形的長就是圓周長（C）的一半。長方形的面積是，那圓的面積就是：圓的半徑（r）的平方乘以π， 。

如何求圓面積？如今已是非常簡單的問題，利用公式一算，便可得到答案。可在過去，人們為了研究和解決這個問題，花費大量的精力和時間。

4000多年前修建的埃及胡夫金字塔，底座是一個正方形，佔地52900平方米。它的底座邊長和角度計算十分準確，誤差很小，可見當時測算大面積的技術水平已經很高。而圓是最重要的曲邊形。古埃及人把它看成是神賜予人的神聖圖形。如何求圓的面積，是數學對人類智慧的一次考驗。圓面積公式的常規推導思路是：先把一個圓平均分成若干份，然後將其拼成近似的長方形，最後根據長方形與圓的關係推導出圓的面積公式。當時人們認為既然正方形的面積容易求，只需要想辦法做出一個面積恰好等於圓面積的正方形。但是怎樣才能做出這樣的正方形又成為了另外一個難題。古代三大幾何難題其中之一，便是化圓為方。這個起源於古希臘的幾何作圖題，在2000多年裡，不知難倒了多少能人，直到19世紀，人們才證明了這個幾何題，是根本不可能用古代人的尺規作圖法作出來的。

我國古代的數學家祖沖之，從圓內接正六邊形入手，讓邊數成倍增加，用圓內接正多邊形的面積去逼近圓面積。

古希臘的數學家，從圓內接正多邊形和外切正多邊形同時入手，不斷增加它們的邊數，從裡外兩個方面去逼近圓面積。

古印度的數學家，採用類似切西瓜的辦法，把圓切成許多小瓣，再把這些小瓣對接成一個長方形，用長方形的面積去代替圓面積。

眾多的古代數學家煞費苦心，巧妙構思，為求圓面積作出了十分寶貴的貢獻。為後人解決這個問題開闢了道路。

16世紀的德國天文學家開普勒，當過數學老師，他對求面積的問題非常感興趣，曾進行過深入的研究。他想，古代數學家用分割的方法去求圓面積，所得到的結果都是近似值。為了提高近似程度，他們不斷地增加分割的次數。但是，不管分割多少次，幾千幾萬次，只要是有限次，所求出來的總是圓面積的近似值。要想求出圓面積的精確值，必須分割無窮多次，把圓分成無窮多等分才行。

開普勒也仿照切西瓜的方法，把圓分割成許多小扇形；不同的是，他一開始就把圓分成無窮多個小扇形。圓面積等於無窮多個小扇形面積的和，所以在最後一個式子中，各段小弧相加就是圓的周長，所以有。這就是我們所熟悉的圓面積公式。

開普勒運用無窮分割法，求出了許多圖形的面積。1615年，他將自己創造的這種求圓面積的新方法，發表在《葡萄酒桶的立體幾何》一書中。開普勒大膽地把圓分割成無窮多個小扇形，並果敢地斷言：無窮小的扇形面積，和它對應的無窮小的三角形面積相等。他在前人求圓面積的基礎上，向前邁出了重要的一步。《葡萄酒桶的立體幾何》一書，很快在歐洲流傳開了。數學家們高度評價開普勒的工作，稱讚這本書是人們創造求圓面積和體積新方法的靈感源泉。

開普勒創造的求圓面積的新方法，引起了一些人的懷疑。他們問道：開普勒分割出來的無窮多個小扇形，它的面積究竟等於不等於零？如果等於零，半徑OA和半徑OB就必然重合，小扇形OAB就不存在了；如果客觀存在的面積不等於零，小扇形OAB與小三角形OAB的面積就不會相等。開普勒把兩者看作相等就不對了。

面對別人提出的問題，開普勒自己也解釋不清。

卡瓦利里是義大利物理學家伽利略的學生，他研究了開普勒求圓面積方法存在的問題。

卡瓦利里認為，開普勒把圓分成無窮多個小扇形，這每個小扇形的面積到底等不等於圓面積，就不好確定了。但是，只要小扇形還是圖形，它是可以再分的。要是真的再細分下去，那分到什麼程度為止呢？這個問題，使卡瓦利里陷入了沉思。

一天，當卡瓦利里的目光落在自己的衣服上時，他靈機一動：布可以看成面積！布由棉線織成，要是把布拆開，拆到棉線就停止了。我們要是把面積像布一樣拆開，應該拆到直線為止。幾何學規定直線沒有寬度，把面積分到直線就應該不能再分了。於是，他把不能再細分的東西叫做“不可分量”。棉線是布的不可分量，直線是平面面積的不可分量。

卡瓦利里還進一步研究了體積的分割問題。他想，可以把長方體看成為一本書，組成書的每一頁紙，應該是書的不可分量。這樣，平面就應該是長方體體積的不可分量。幾何學規定平面是沒有薄厚的，這樣也是有道理的。卡瓦利里緊緊抓住自己的想法，反覆琢磨，提出了求圓面積和體積的新方法。

1635年，當《葡萄酒桶的立體幾何》一書問世20周年的時候，義大利出版了卡瓦利里的《不可分量幾何學》。在這本書中，卡瓦利里把點、線、面，分別看成是直線、平面、立體的不可分量；把直線看成是點的總和，把平面看成是直線的總和，把立體看成是平面的總和。

卡瓦利里還根據不可分量的方法指出，兩本書的外形雖然不一樣，但是，只要頁數相同，薄厚相同，而且每一頁的面積也相等，那麼，這兩本書的體積就應該相等。他認為這個道理，適用於所有的立體，並且用這個道理求出了很多立體的體積。這就是有名的“卡瓦利里原理”。事實上，最先提出這個原理的，是我國數學家祖暅。比卡瓦利里早1000多年，所以我們叫它“祖暅原理”。

在一個圓里畫一個最大的正方形，正方形占圓面積的約，在一個圓外畫一個最小的正方形，正方形面積是圓形面積的。

在卡瓦利里的觀點上拓展，也可以將曲線看做不可分量。所以圓面積近似於無數個圓周長曲線的拼接，這些圓的半徑是從0到r的連續點，可以看作長度為r的直線，這些圓的半徑之和可以看作直角邊長為r的直角等邊三角形，故可得公式：