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,受到的。