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第三章 中國傳統科學技術的形成 第八節 圓周率和祖沖之

第三章 中國傳統科學技術的形成

第八節 圓周率和祖沖之

南北朝時的祖沖之,在劉徽工作的基礎上,把圓周率的計算推進到古代世界的最高峰。他運用「割圓術」,求出了精確到第七位有效數字的圓周率,3.1415926<π<3.1415927。这一结果的获得,需要对九位数字的大数目进行各种运算(包括开方)130次以上,又是使用筹算方法,其繁复、艰巨可想而知。这一结果领先于世界达1000年之久。祖冲之还得出了两个用分数表示的圆周率数值,一个是355/113,称密率,这是分母、分子在1000以内表示圆周率的最佳渐近分数,欧洲直到1九*九*藏*書6世纪才取得这一结果;一个是22/7,称约率。
圆周率的计算,仅是祖冲之的一项贡献,他的科技成就是多方面的,堪称当时一位卓越的数学家、天文学家和机械制造家。
在天文学方面,祖冲之大胆地指出了前人所制历法的不足,提出了历法改革,于刘宋大明六年(公元462年),完成了新历法“大明历”的制定工作。大明历把岁差首次引入历法,把19年七闰法改为391年144闰,从而使历法更加精密。
同时,祖冲之在机械方面也有辉煌的成就。他曾制造过“圆转不穷九*九*藏*書,而司方如一”(《南齐书·祖冲之传》)的指南车、“日行百余里”(《南齐书·祖冲之传》)的千里船,以及利用水力转动石磨舂米磨谷的水碓磨等。
在漢以前,中國一般用三作為圓周率數值,即「周三徑一」。這在計算圓的周長和面積時,誤差很大。漢時雖有不少數學家和天文學家採用了各自不同的圓周率數值,但都沒有建立嚴謹的科學計算方法。最早提出科學計算方法的數學家是劉徽,他在魏景元四年(公元263年)註釋《九章算術》時,創立了「割圓術」,把圓周率的計算推上了一個新的高度。這九*九*藏*書個方法把極限的概念運用來解決實際的問題,孕育著用有限來逼近無窮的思想,是世界數學史上的一項重要成就。
除了圆周率外,祖冲之在数学方面的另一重要贡献,就是创立了求球体体积的正确公式:球体积=4/3π×(半径)3。这也是在刘徽工作的基础上,祖冲之与他的儿子祖暅〔geng更去〕之共同研究而取得的。在研究过程中,祖氏父子应用了“等高处截面积相等的两个立体,其体积必相等”的公理。这一公理在欧洲直到17世纪才被意大利数学家卡瓦列里所引用。祖冲之还曾著有《缀术》一书,在唐代九九藏書被列为10部算经之一。可惜由于其内容太高深,被学官废置而亡佚。
祖冲之,字文远,祖籍河北范阳遒〔qiu求〕县(今河北涞水县),南北朝时举家南迁建康(今南京)。他生于公元429年,卒于公元500年。他的家庭,从曾祖父起,大都对天文、历法、数学很有研究,在家庭气氛的熏陶下,祖冲之从小就对这些科学很有兴趣,努力学习,亲自观测天象,进行推算,因而造诣很深。
所謂的「割圓術」,就是當圓內接正多邊形邊數不斷增加時,它的周長越來越接近於圓周長,「割之又割,以至於不可割,則與圓周合體read.99csw.com而無所失矣」,當圓內接正多邊形邊數無限大時,其周長就是圓周的周長。這個方法只需用圓內接正多邊形的面積就可求取圓周率,不必計算圓外切正多邊形的面積,大大簡化了計算的過程。劉徽應用這個方法,從圓內接正六邊形算起,邊數逐步加倍,一直算到圓內接正192邊形的面積,得出π的近似值3.14。另一個近似值π=(3927)/(1250)(相當於3.1416)可能也是劉徽算得的,這是當時世界上最佳數據。
为了纪念祖冲之在科技方面的卓越贡献,国际天文学界将月球背面的一座环形山命名为“祖冲之环形山”。