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1954年(昭和29年)東京大学-数学(一般数学)[1]

[1]半径に等しい長さの円弧に対する中心角を1弧度という.従って1弧度は \dfrac{180}{\pi} 度である.\pi=3.1415926… をなるべく少ない桁数で4捨5入して1弧度の近似値を計算しその誤差を30秒以下にしたい.\pi の近似値を何とすればよいか.

2020.09.24記
1度は60分、1分は60秒なので、30秒は \dfrac{1}{120} 度である.よって 1 radian を度で表したときの誤差が \dfrac{1}{120}^{\circ} 以内の収まるには \pi の近似値をどのようにとれば良いかという問題.

[解答]
\pi の近似値を p とすると,題意から 3\leqq p\leqq 3.15 をみたす.

近似誤差を \pi=p+\varepsilon とおくと,30秒は \dfrac{1}{120} 度であるから,誤差が丁度30秒となるのは
\Bigl|\dfrac{180}{\pi} -\dfrac{180}{p}\Bigr|=\dfrac{1}{120}
つまり
 |\varepsilon| \leqq\dfrac{\pi p}{21600}
をみたすときである.ここで 3\lt \pi,p\lt \sqrt{10} をみたすので,9\lt \pi p \lt 10 であるから,
 |\varepsilon| \leqq\dfrac{10}{21600}=\dfrac{1}{2160}=0.000416\cdots
をみたしていれば誤差は30秒より確実に小さくなり十分であり,
 |\varepsilon| \geqq\dfrac{9}{21600}=\dfrac{1}{2400}=0.000462\cdots
をみたしていれば誤差は30秒より確実に大きくなり不十分である.

ここで,
\piの小数第3位を四捨五入すると、|\varepsilon|=0.0015926… より不十分であり,
\piの小数第4位を四捨五入すると、|\varepsilon|=0.000407… より十分であるから,\pi の近似値を3.142 とすれば良い.

なお,問題分には答が一意に決まるように「なるべく少ない桁数で四捨五入」といあるが、河合出版の72年の解答は、「なるべく少ない桁数で四捨五入」という言葉を忘れており、「3.142またはそれより良い近似値をとれば良い」
という曖昧な解答になっている.

もう少し真面目に評価しようとすると
 |\varepsilon| \leqq\dfrac{\pi (\pi-\varepsilon)}{21600}
から
-\dfrac{\pi^2}{21600-\pi}\leqq \varepsilon \leqq\dfrac{\pi^2}{21600+\pi}
であれば良い.

なお,平均値の定理から
\Bigl|\dfrac{1}{\pi} -\dfrac{1}{p}\Bigl|=\dfrac{|\varepsilon|}{c^2}
をみたすc\pip の間に存在するので,
|\varepsilon| \leqq\dfrac{c^2}{21600}
をみたせば良い、としても良い.




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