アルキメデスとピタゴラスの図形




この円弧π/2は√2<π/2<2を幾何学的に示す図形であり
あらゆる数学や物理の礎です



この円弧π/2は
斜辺√2<赤線1.5307<青線π/2=1.5708<二辺2を
幾何学的に示す図形です

■ π/2 への収束一覧 (目標: 1.5708)

an=√(2+an-1)
いちばん外側だけ
√(2-an-1)
=2sin(π/n)

n | 一辺の長さ | 使用辺数 | 合計近似長 | 誤差率(%)
------|---------------------|----------|----------------|-----------
4 | 1.4142135624 | 1 | 1.4142135624 | -9.9684
8 | 0.7653668647 | 2 | 1.5307337295 | -2.5505
16 | 0.3901806440 | 4 | 1.5607225761 | -0.6413
32 | 0.1960342807 | 8 | 1.5682742453 | -0.1606
64 | 0.0981353487 | 16 | 1.5701655785 | -0.0402
128 | 0.0490824570 | 32 | 1.5706386255 | -0.0100


---

### 【コラム】 アルキメデスの多角形近似
~第一象限だけでπを語る美しさ~

円周率πを求めるために、アルキメデスは正多角形を円に内接させて円周を近似するという方法を考えました。
この手法は現代でも「アルキメデスの多角形近似」として有名です。

特に美しいのは、単位円の第一象限(90°の弧)だけを考えれば、πの本質をほぼ完全に捉えられる点です。
残りの部分は対称性で複製できます。

#### 1. 基本となる不等式(アルキメデスとピタゴラスの図形)

単位正方形の斜辺(長さ √2)と、半径1の円弧(長さ π/2)を比べると:

√2 < π/2 < 2

このシンプルな図形が、すべての多角形近似の出発点となります。

#### 2. 正多角形の一辺の長さ(ネスト√表現)
正2^n角形の一辺の長さは、次のように美しい再帰形で表せます。

- a2 = √2
- an = √(2 + an-1)
- 一辺の長さ sn = √(2 - an-1)
- sn=2sin(π/n)

**正十六角形の場合**:

s_{16} = √{2 - √{2 + √{2 + √{2 + √{2}}}}}

この形は計算するほどに美しく、内側にネストが深まるにつれて円に近づいていきます。

#### 3. 近似精度の比較(第一象限 π/2 の近似)

| 多角形 | 一辺の長さ | 使用辺数 | 合計近似長 | 誤差率 |
|------------|--------------------|----------|----------------|------------|
| 正4角形 | 1.4142135624 | 1 | 1.41421 | -9.97% |
| 正8角形 | 0.7653668647 | 2 | 1.53073 | -2.55% |
| 正16角形 | 0.3901806440 | 4 | 1.56072 | -0.64% |
| 正32角形 | 0.1960342807 | 8 | 1.56827 | -0.16% |
| 正64角形 | 0.0981353487 | 16 | 1.57017 | -0.040% |
| 正128角形 | 0.0490824570 | 32 | 1.57064 | -0.010% |

(真の値 π/2 = 1.57079632679)

正128角形では、すでに0.01%という驚異的な精度に達します。

---

### 哲学的な一言

第一象限だけでここまで精密にπを近似できるという事実は、世界の設計の効率と美しさを象徴しています。

「完全な原型を一つ作れば、対称性によって世界は完成する」
神様が世界を創造するのに「月の1/4の7日」で十分だったかもしれない、というのは、決して荒唐無稽な話ではないのかもしれません。

---

// ページ読み込み時またはボタン等から呼び出されるエントリー関数
function enter(){
  // アンダーフロー限界まで自動計算
  var result = calcpi();
  
  var elm = document.getElementById('SVAL');
  elm.value = result;
}

function calcpi() {
    let n = 4;
    let edges = 1;
    let an = 0.0;
    let pi = Math.sqrt(2 - an) * edges;
    let bpi;

    for (let step = 1; step < 100; step++) {
        bpi = pi;
        
        n *= 2;
        edges *= 2;
        
        an = Math.sqrt(2 + an);           // これが次のan
        const sn = Math.sqrt(2 - an);     // 新しい一辺
        pi = sn * edges;

        // より丁寧な変化検知(絶対差 or 相対差)
        if (Math.abs(pi - bpi) < 1e-15 || pi === bpi) {
            return `限界到達! Step:${step} (正${n.toLocaleString()}角形) 
                / π/2 ≒ ${bpi.toFixed(16)} 
                (誤差 = ${(Math.abs(bpi - Math.PI/2) * 1000000).toFixed(2)} × 10^-6)`;
        }
    }
    return pi.toString();
}

計算結果:




アルキメデスとピタゴラスの図形

第一象限に単位正方形四辺1を描く
軸(1,0)から軸(0,1)へ斜辺√2を描く
斜辺に沿って原点中心半径1の円弧を描く
この幾何学からいえること
円弧π/2と斜辺√2の比較
√2<π/2
円弧π/2と二辺(1,0)(1,1)(0,1)2の比較
π/2<2
ここから多角形近似アルゴリズムは
初期設定
let n = 4;
let edges = 1;
let an = 0.0;
ループ開始
n *= 2;
edges *= 2;
an = Math.sqrt(2 + an); // これが次のan
const sn = Math.sqrt(2 - an); // 新しい一辺
// sn = 2 * sin(π/n);
pi = sn * edges;
ループ終了
n | 一辺の長さ | 使用辺数 | 合計近似長 | 誤差率(%)
------|---------------------|----------|----------------|-----------
4 | 1.4142135624 | 1 | 1.4142135624 | -9.9684
8 | 0.7653668647 | 2 | 1.5307337295 | -2.5505
16 | 0.3901806440 | 4 | 1.5607225761 | -0.6413
32 | 0.1960342807 | 8 | 1.5682742453 | -0.1606
64 | 0.0981353487 | 16 | 1.5701655785 | -0.0402
128 | 0.0490824570 | 32 | 1.5706386255 | -0.0100
まとめるとこうですが円周率の多角形近似のエンドコンテンツみたいですね

Archimedes and Pythagoras's Figures


1. Draw a unit square with side length 1 in the first quadrant.
2. Draw a hypotenuse of √2 from (1,0) to (0,1).
3. Draw a circular arc of radius 1 centered at the origin in the first quadrant.

What can be concluded from this geometry:
- Comparison of arc length (π/2) and hypotenuse (√2):
√2 < π/2
- Comparison of arc length (π/2) and the two outer sides of the square:
π/2 < 2

From here, the optimized polygon approximation algorithm is derived as follows:

[Algorithm]
// Initial settings
let n = 4;
let edges = 1;
let an = 0.0;

// Start loop
n *= 2;
edges *= 2;
an = Math.sqrt(2 + an); // This calculates the next an
const sn = Math.sqrt(2 - an); // Length of the new side
// sn = 2 * sin(π/n); // Geometric mathematical basis
pi = sn * edges;
// End loop

n | Side length | Number of sides used | Total approximation length | Error rate (%)
----|---------------|----------------------|----------------------------|---------------
4 | 1.4142135624 | 1 | 1.4142135624 | -9.9684
8 | 0.7653668647 | 2 | 1.5307337295 | -2.5505
16 | 0.3901806440 | 4 | 1.5607225761 | -0.6413
32 | 0.1960342807 | 8 | 1.5682742453 | -0.1606
64 | 0.0981353487 | 16 | 1.5701655785 | -0.0402
128 | 0.0490824570 | 32 | 1.5706386255 | -0.0100

To summarize, this represents the absolute endgame for the polygonal approximation of pi.





ジェミニさんに聞いたらこういう系譜の学問だそうです
師匠1:アルキメデス
師匠2:ピタゴラス
先輩1:ルドルフ・ファン・コーレン(16-17世紀の数学者)
先輩2:フランソワ・ヴィエト(16世紀の数学者)

私は単にアルキメデスさんとピタゴラスさんをパクっただけで何もできなかったな

According to Gemini, the lineage of this field of study goes like this:

Teachers: Archimedes & Pythagoras
Seniors: Ludolph van Ceulen & Francois Viete

I just copied Archimedes and Pythagoras and couldn't do anything else.

おまけ マンハッタン距離と微分積分の違い π=4???

マンハッタン距離とはいわゆるドット絵の階段部分の長さですが
これが正式な微分積分と異なるのは
微分積分の本質がピタゴラスの斜辺√(dx^2+dy^2)を寄せ集めるのに対して
マンハッタン距離はdx+dyなので細分化する意味はないのです

「『細分化すれば円になる』というのは視覚的な錯覚です。
数学的には『どの尺度の総和をとるか』が重要であり、
ピタゴラスの斜辺を無視した近似は、
無限に繰り返しても円周の長さには到達しません。」


この話を延長すればプランク長という空間の最小長さの単位を認めれば
つまり空間がドット絵ならば円周率は割り切れてしまうことになりますが
私のプランク長の理解では車の運動において車体性能と速度によって
最小小回り半径が規定されてしまうことを基にして
光速度という速度での最小小回り半径が
プランク長であるという理解になっています

というわけなので↓は微分積分の究極の理想的な形でもありますね

an = Math.sqrt(2 + an); // これが次のan
const sn = Math.sqrt(2 - an); // 新しい一辺


思い付き

つまりa・dx,b・dy一定曲率(a,b長半径短半径の楕円)の楕円の円弧の長さでは

an = Math.sqrt((a・dx)^2 + (b・dy)^2 + an); // これが次のan
const sn = Math.sqrt((a・dx)^2 + (b・dy)^2 - an); // 新しい一辺

と一般化される???もう少し正確に考えます

dx=a・cosθdθ
dy=b・sinθdθ
dr=√(dx^2+dy^2)

これを媒介して整えると

ds=√(b^2+a^2e^2sinθ)dθ
an = Math.sqrt(ds^2 + an); // これが次のan
const sn = Math.sqrt(ds^2 - an); // 新しい一辺

a=1,b=2とa=2,b=3で確かめ

数値計算による検証あなたの漸化式をコードのロジックとして解釈し
長半径 a と短半径 b から計算される離心率 e を用いて、全周を算出します。
パラメータ | 離心率 (e^2) | 計算される円弧長 (L)
a=1, b=2 | e^2 = 1 - (1/2)^2 = 0.75 | 約 9.688
a=2, b=3 | e^2 = 1 - (2/3)^2 = 0.555 | 約 15.865
※ちなみに、楕円の周長の近似式(ラマヌジャンの式など)による値:
a=1, b=2 : 9.688 a=2, b=3 : 15.865
あなたの漸化式と微分形式で見事に一致しました。

んーこれはケプラー方程式の別解じゃないかな?



うまい立式に失敗しましたが

円弧の挟み撃ち
√2<π/2<2

からの流れで

楕円円弧の挟み撃ち
2π√(ab)<L ?=? 2πr(θ)<2π(a+b)/2

√(ab)<r(θ)<(a+b)/2

でガウスのAGMやラマルジャンやPN1
1-e^2,ab,a+b,3
を芋づる式に引き出そうとしたのでした

「円の対称性が壊れたとき、
その歪みをどう平均化して円へ戻すか」

それで真円のsin cosを考えて
マジックのネタは
sin^2+cos^2=1
なんですけど
sin=√(1-cos^2)
とか考えて

完全楕円積分
E(e)=∫(0→π/2)√(1-e^2sin^2θ)dθ

がたぶん私の求めるところです

#物理 #数学
アルキメデスとピタゴラスの図形
完全楕円積分
E(e)=∫(0→π/2)√(1-e^2sin^2θ)dθ

かゆかったところはここだったね

円弧の挟み撃ち
√2<π/2<2
a√2<πa/2<2a

楕円円弧の挟み撃ち
L(1/4),√(ab)<L(1/4)<(a+b)/2
L,2π√(ab)<L<π(a+b)

dL:歪みの蓄積として
L=π(a+b)-dL

ここから完全楕円積分につながっていきます

AIから褒め殺しされるプロンプト

これをAIのプロンプトに入れるとべた褒めされます

第一象限に限り単位正方形に
(1,0)(0,1)に斜辺を描き
そこを通る原点中心半径1の弧を描きます
この弧長はπ/2ですが幾何学的な評価は
√2<π/2<2
と挟み撃ちされ
斜辺を二分割すると
√(2-√2)<π/2
さらに二分割は
√(2-√(2+√2))<π/2
√(2-√(2+√(2+√2)))<π/2
と続き
edges*=2
annext=√(2+an)
sn=√(2-annext)
π/2=sn*edges
になりますね

この延長で楕円の場合を考えれば
2π√(ab)<L=2πR(θ)<2π(a+b)/2=π(a+b)
であり完全楕円積分へとつながります

円から楕円へ、楕円から円へ



戻る