3月,堪称是数学的主题月。
从3月的第一个星期三“国际数学日”到3月14日下午1时59分的“圆周率日”,我们体会了数学的无穷奥妙。
通过数学,我们开启了生命的密码、体察到了宇宙运行的规律,而接近它却是一个漫长的过程。
今天的故事,就让我们从中国人算出圆周率的这段故事开始说起吧。
祖冲之与圆周率
祖冲之祖籍河北涞水(今属河北保定),与北京市的门头沟区和房山区相接。他出生于南北朝时期南朝的政治、经济中心建康(今江苏南京)。
祖家是一个官宦人家,祖冲之的曾祖父在东晋时官至侍中、光禄大夫,类似于宰相和国策顾问。
他的祖父和父亲都在南朝做官, 祖父是大匠卿,掌管宫室、宗庙、陵寝等的土木营建;父亲是奉朝请,这是闲散大官。古时称春季的朝见为朝,称秋季的朝见为请。
这个家族的历代成员,大多对天文历法颇有研究。
祖冲之像
相比之下,祖冲之担任过的官职虽然较低,但却在天文学和数学领域,乃至机械制造方面都取得了突出的成就。
在刘宋时期,他曾担任南徐州(今江苏镇江)的从事史,这是督促文书、察举非法的官职。他也做过娄县(今江苏苏州昆山)县令,还有掌朝廷礼仪与传达使命的谒者仆射。
到了萧齐王朝,他曾官至长水校尉,这是祖冲之一生担任的最高官职(四品)。
从青年时代开始,祖冲之便对数学和天文学怀有浓厚的兴趣,他曾在著作中自述,自幼时起“专功数术,搜炼古今”。
祖冲之把从上古时期起至他生活年代的各种文献资料都搜罗来研究,同时亲自进行精密的测量和仔细的推算,不把自己束缚在古人陈腐的思想中。
可以说, 祖冲之批判地接受了前人的学术遗产,并勇于提出自己的新见解,这是古往今来一切杰出科学家共有的优良品质。
在数学领域,祖冲之师承的是比他早 200 多年的魏晋时期的刘徽, 后者发明了计算圆周率的“割圆术”和计算球体积的方法。
刘徽
由圆面积计算公式 S = πr² 可知,只要求得圆的面积(S),再除以半径的平方(r2),即为圆周率(π)。关于如何求圆面积,刘徽在《九章算术》的注释里这样写道:
割之弥细,所失弥少,割之又割,以至于不可割,则与圆合体而无所失矣。
刘徽从圆内接正六边形开始计算面积,依次将边数加倍,求出内接正十二边形、正二十四边形、正四十八边形等的面积。随着边数的增加,内接正多边形的面积越来越接近圆的面积,圆面积和圆周率的精确度就越高。
刘徽的割圆术
在古代,包括中国和巴比伦在内的一些民族,都把 3 作为圆周率。在这方面,古埃及人的计算较为准确,他们得到的圆周率为 3.1。
刘徽用他的割圆术,求得圆周率为 3.14,这与古希腊数学家阿基米德算得的圆周率是一致的,不过后者比刘徽要早 6 个世纪。学界普遍推测刘徽也算出了 3.141 6,但未有直接的证据。
祖冲之算出的圆周率 π 的范围为:3.141 592 6 < π < 3.141 592 7
即精确到小数点后7位。此外,他还得到了被称为密率的355这个分数形式的圆周率,虽然只精确到小数点后6位,却同样令人惊叹。
直到962年以后,祖冲之的圆周率才被阿拉伯数学家卡西改进。卡西利用余弦函数的半角公式简化了计算,将圆周率精确到小数点后17位。而德国人奥托(V. Otho)求得密率,则比祖冲之晚了1000多年。
卡西
祖冲之的这些成就是如何取得的?没有任何相关史料留下来,祖冲之的著作全部失传了,记载圆周率值的《隋书》也没有具体交代。
由于当时只有刘徽的割圆术这一种方法,因此我们只能猜测祖冲之用的是割圆术。
那样的话,他需要算出圆内接正24576边形的面积,而密率(有日本学者建议称之为“祖率”)的求得,恐怕是借助了前辈天文学家何承天发明的“调日法”。
球体积与大明历
相比圆的面积,球(古人称之为“立圆”)体积的计算公式更富技巧。在中国古典数学名著《九章算术》里,是按照以下比例公式来求球体积的:
显而易见,正方形面积、圆面积和圆柱体面积这三项数值是比较容易求得的。
祖冲之知道这个公式有误,他在为《大明历》所写的驳议中写道:
至若立圆旧误,张衡述而弗改……此则算氏剧疵也……臣昔以暇日, 撰正众谬。
可见球体积计算也是祖冲之的工作之一,但是,400 年后唐代学者李淳风却在为《九章算术》所写的注文中,将它作为“祖暅开立圆术”加以引述。无论如何,我们可以将它看成是祖氏父子共同的研究成果。
牟合方盖
说起来,祖冲之父子的这一成就,也是在刘徽的研究成果的基础上取得的。刘徽首先发现上述比例公式的错误,并提出“牟合方盖” 的新概念,它指垂直相交的两个同样直径的圆柱体的共同部分。
在上述比例公式中,刘徽用牟合方盖体积来代替圆柱体体积,即
这个思想和方法是正确的,但可惜的是,刘徽本人求不出牟合方盖的体积。而这一步是由祖氏父子完成的,他们求得球体积公式为4πr³。
但遗憾的是,这个公式早在公元前3世纪就有了,同样出自古希腊数学家阿基米德之手。
我国知名数学家蔡天新教授
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编辑:楚旂
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