03.04 请问谁有椭圆周长的精确计算公式?这对天体运算会有大的作用?

用户4454867568704364


圆的周长非常容易计算,因为圆的周长与其直径之比为恒定的圆周率,所以圆的直径乘以圆周率就能算出周长。在某种意义上,圆是椭圆的一种特殊形式,两个焦点重合、半长轴(a)等于半短轴(b)的椭圆就是圆。

虽然圆的周长有初等函数表达式,但椭圆的周长却没有简单的计算公式。不过,这并不意味着椭圆没有周长计算公式。事实上,椭圆周长公式可以用积分形式精确表达出来:

其中e为椭圆的离心率:

只不过这是第二类完全椭圆积分,没有解析解,这意味着它不能用初等函数表示,只有在是圆的情况下才能。但借助计算机,通过插值法等数值方法可以算出一定精度的椭圆周长。或者,可以借助其他近似的初等函数公式来计算椭圆的周长。

拉马努金在短暂的一生中发现了许多经典的公式,其中包括收敛速度非常快的圆周率公式,也包括椭圆周长的近似公式,比较有代表性的是下式:

其中h表示:

这个公式的误差很小,即便圆周率只取3.14,也能得到不错的精度。

如果对第二类完全椭圆积分进行展开,椭圆的周长公式还有无穷级数的形式:

在上式中,取的项数越多,计算结果越精确。

在现实中,天体的运动轨道没有完美的圆形,大都是椭圆形。利用椭圆周长的无穷级数公式来计算能够得到极高的精度,这足够用于天体运动的计算。

另外,由于引力作用引起的近日点进动,天体的每个公转轨道其实也不是重合的。例如,地球每年的近日点和远日点的位置和日地距离都在发生变化;水星的近日点进动是八大行星中最大的那个,因为它最为靠近太阳。


火星一号


椭圆周长是有公式的,只不过确实不是精确的。

在我国的基础教育中尽管对椭圆有相关的教学内容,比如很多高考生的噩梦——圆锥曲线,但对于椭圆的周长公式在现在的基础教育教科书里却没有出现过。

一个重要原因就是椭圆并没有直接的像圆周长那样的简洁公式,而是一个无穷级数:

在求证上还涉及到参数方程,坐标变换,多重积分的运用,这些都是大学作为理工科学生才会稍微系统地学习的内容。

上式中椭圆的周长只和变量半长轴a和椭圆偏心率ε,以及i值的精确度有关系,i值越大,求出的椭圆周长越精确,但永远不是一个精确值。

天体的运动和椭圆什么关系?

宇宙中,可以说所有的天体运动轨道都有一定的偏心率,这意味着它的运动轨道就是一个椭圆,只不过“椭”的程度不同而已,而正圆的偏心率恰为0。

比如我们地球的公转轨道为0.01627,十分接近一个圆了,而冥王星的偏心率高达0.2401,彗星的轨道更是出奇的偏。

对于天体的运动轨迹,除去中心天体以外星体的影响,我们几乎可以通过超算将它的轨迹描绘的很精确。

这很容易理解,级数尽管是无穷的,但亿万位的精度我们是可以用计算机做到的,亿万位之后的精度对天体的影响可以说微乎其微。

所以有没有精确的公式并不要紧,对天体的运算精度我们可以做到基本没什么误差了。但实际上的天体除了受中心引力源的影响,还有周围其他天体引力的影响,这会使得天体产生进动之类的位移,这时候的椭圆将之不“椭”。

对于这么一个在数学上是没有确切的空间解的多体问题,精度是不可能很高的。


科学新视野


求椭圆周长,应根据椭圆之圆周度数,先求出椭圆周率,然后将长、短两直经之和的二分一乘以椭圆周率。

椭圆周率等于椭圆度数乘以三百六十分之一兀(注:因为圆是360`椭圆的圆周度数大于圆。)

设:椭圆周率为兀*,度数为N;a为椭圆之短轴(径);b为椭圆之长轴(径);兀为圆周率。




寻踪追源


椭圆是由不同半径的弧连接而成的,焦点两端的弧长半径相等,焦点中间以对称轴分为上下共四段弧,其半径也是相等的,任何半径的弧,只要知道它的半经和该弧所对的角度,都可用求圆周长的公式C=6.18R求出,完全与求圆周长同样精确。因为任何圆弧长度,都是构成它同半径圆周长上的一部分,求到了圆周长,按百分比即可知该段弧是多长,简易而精确。


长眉1958


其实椭圆面积也没有,椭圆的面积πab,但是圆周率也是一个不能得到精确值的量。这和椭圆周长其实没有本质区别。


SunnySGates


椭圆形周长不能计算轨道。近地点和远地点的速度不一样,不过其扫过的面积相等,所以近地点速度快,远地点速度慢,有个微积分可以计算的,忘了公式


帘内书生


《椭圆周长最准公式》

吕百顺

我推导的椭圆周长最准公式是:

L=4√[a²+b²+ab(π²-8)/4]——⑨

其中:a——半长轴,b——短半轴,π——圆周率π=3.1415926535897932384626433832795……

就叫作椭圆周长第九公式吧?因为前辈们已经有了八个公式了。

请各位数学专家验证指导!

我通过多次验证,其精度可以和目前的圆周率π的精度相等。

也许有误,旦求证明。



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