簡單來說就是小學生也能理解的,極限也算初等。現在學生學習數學似乎從來沒能理解數學的嚴謹,圓面積公式就是用似是而非的方法給解釋一下,然後學生從小就是糊裡糊塗地把數學給學了,但是圓面積公式又極為重要,故有此一問,請各位大神解惑


不可能。初等方法連面積(Jordan measure)都定義不出來搞什麼公式哦……


-如何用初等的方法,嚴格證明圓面積公式?

思路是,把一圓分成n個扇形,然後插成一個近似於長方形的東西

https://en.wikipedia.org/wiki/Area_of_a_circle#Using_polygons

我小學時王老師就是這樣教的,但當時還是有疑惑,為啥那個花邊就能當成直線呢

用微積分、三角函數也能證,但有兩個問題,一是不直觀不適合理解,二是三角函數本來就是圓定義的有循環論證的嫌疑,微積分的基礎也很少有人觸及只是把結論拿來用。。。總之那樣證我覺得不夠根本,如同題主所說,不是初等方法

所以這裡嘗試說得更基礎更直觀一些,盡量解除疑惑(不指望能看完,只是告訴你這件事是可以說清楚的):

1. 這個長方形的寬是r,長是圓的半周長 [公式] 所以面積是 [公式]

長方形面積公式,這個實是面積的定義

2. [公式] 的定義是圓周長和半徑r之比

這是個定義不需要證明

3. 當切的份數很多時,插成的形狀的面積趨近於那個長方形的面積

這裡趨近的意思是,給定任意一個正數 [公式] ,存在一個正整數N使得對所有切的份數n&>N,都有:面積的差值小於 [公式]

實是極限的定義,小學雖然碰到了但大概不會說出來以防止零亂

為此,要考慮兩個正n邊形,一個是那個圓的內接正多邊形,另一個是外切正多邊形,把這兩個正多邊形分別像剛開始那樣插成兩個長方形

4. 一開始那個近似長方形的東西的面積介於這兩個長方形之間

這個符合直覺吧?還用展開證明嗎?這用了歐幾(Euclidean Geometry)的第十條公理。https://en.wikipedia.org/wiki/Euclidean_geometry#Axioms

5. 這兩個長方形的面積當n很大時趨近於同一個值

4和5合起來就是所謂的`夾逼原理`,就是用兩條直線去夾那一個花邊,需要證明的是

6. 當n足夠大時,直線所夾的那個區域的面積趨於0

https://en.wikipedia.org/wiki/Area_of_a_circle#Using_polygons

比如 [公式] 是那n個扇形之一 [公式] 是內接正n邊形的一個角, [公式] 是外切正n邊形的一個角,那個大一點的長方形和小一點的長方形的面積的差值~ [公式] ,那 [公式] 是趨於 [公式] 的,一個有限的值

而CP的長度是 [公式] 這個涉及三角函數,但是我們只是用它來表示一下,想說明的是

7. 當n很大時,CP的長度趨於0

這個符合直觀吧?要想嚴格證明的話涉及到一些定義和歐氏幾何的公理,我覺得在這裡應該沒這個必要全寫出來了

然後因為分的份數很多時 [公式] 是有限的,CP卻趨於0,所以 [公式] 的面積趨於0,就夾出了圓的面積是 [公式]

到了這裡大概能看出,看起來簡單的事情深入到一定程度也是不容易理解的。想要嚴格就比較囉嗦而且並不容易,最後還是會歸結到幾個公理和定義上,這些公理有時候挺抽象,小學生不一定能理解。那也已經不是初等數學了。

許多小學老師大概能解釋到第二層(從右往左看),中學大概能到第三四層(但可能已經忘了這是個問題了),我一物理電子博士大概也就能再多挖這幾層。。

這個證明也算不上完全嚴格,還是有一件挺麻煩的事情沒有提。

許多人要的大概是解除疑惑的感覺以及符合直覺,而不是真的挖到底吧

相關問題(貴乎為啥那麼多重複的問題呢?):

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可以用圓內接多邊形面積逼近圓面積,希望能回答你的問題,解答過程如有問題,請諒解。

初等方法連曲線都定義不了,沒法嚴格證明。


不可能。

涉及到曲線及其圍成的面積,初等方法和嚴格性就是一對兒矛盾的東西。我猜題主可能對現代數學的嚴格性有一點誤解,你要知道,真要從嚴格意義上來說,初等方法連曲線長度和麪積都定義不了,更別說嚴格證明圓的面積公式了。

其實做觀察,做發現,做猜想,做計算,比一開始就強調嚴格證明要重要得多。一開始學數學就過分要求嚴格,這既沒必要也做不到。


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