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祖冲之 不仅仅是神奇的圆周率 领先西人千余年

 

每年3月14日,是数学界专门庆祝的"圆周率日",这是以圆周率3.14谐音的纪念日。而在圆周率史上,南朝祖冲之的成就,更是古老中国科技文明的典范之一。

圆周率是个很奇妙的数字,它小数点后的数字,既不循环、又没尽头,有许多数学家求算过,也都有更精确的数值会继续出现,有人认为它标记着一个国家和民族的数学的科技水平,有人把它当作比赛记忆力的字串考题,还有人把圆周率3.1415926535897932384626翻译成为"山巅一寺一壶酒,尔乐苦煞吾,把酒吃,酒杀尔,杀不死,乐而乐"。不过,圆周率的背后可是埋藏了许许多多人前仆后继、穷毕生之努力,也想要破解的故事。

 

在古代很多国家,很早就知道圆周率是3。《周髀》(髀读作必)已记载了"周三径一";用绳子量测车轮的圆周和直径,也可以发现二者存在着近似3比1的关系。

到了三国时代末期,魏国的刘徽(生卒不详)首先指出,3是圆内接正六边形与半径的比,而不是的圆周和直径的比,因此他采用圆内接正多边形的周长来逼近圆周长,也就是利用直角三角形的性质,把圆内接正6边形逐次加倍、分割,到了正192边形时,求出圆周率精确到小数点后两位3.14。这也就是所谓的"徽率 "。


二百多年后,南朝祖冲之(429~500)再接再厉,用圆内接24576边形的面积,求得圆周率介于3.1415926与3.1415927 之间,使圆周率精确到小数点后7位。为了便于使用,祖冲之还给了两个近似分数值:一个是精确度较小的22/7(3.142857),称为"约率";另一个是精确度较高的355/113(3.1415929),称为"密率",精确度到达小数点后6位。而法国数学家维业特(Franciscus Vieta, 1540~1603)把圆周率推到小数点后10位,已经是1000多年后的事了。

有了精确的圆周率,祖冲之和儿子祖暅之(暅读作宣)进一步得出球体体积的公式,并在计算过程中,总结出的"祖氏原理"(所有等高处的横截面积相等,则二个立体的体积也必然相等),比义大利数学家卡瓦列利(Franeesco Bonaventura Cavalieri, 1598~1647)得出同样结论早了一千多年。也就是说,在当时中国的数学成就是遥遥领先的。

其实,在古代中国,数学是附属在天文历算之下,是讲实用的。因为有了好的数学基础,除了可以计算圆形谷仓的容量、梯形城郭所需的建材,更可以用来推算出天上星宿的轨道、下次出没的时空,制定出更精确的历书,不论是给帝王择时祭天、农民播种收成,都十分需要。因此,历代帝王对于当朝的历制都不敢轻忽,而后人也可以从历制的变革,窥出当时的数学水平。祖冲之凭藉其才智与努力,在南朝刘宋孝武帝(刘骏)大明6年(462 AD)推出了《大明历》中,把几项重大的改革纳入,包含"岁差"、"闰数"、"交点月"等项(详注释)。生活在今天科技文明的现代人,依旧很难想像当年祖冲之怎么能够在没有望远镜、没有飞机、没有电脑的情况下,只凭观察和纪录,依旧能创造出如此辉煌的成绩。

更令人惊讶的是,祖冲之在机械制造上的表现,也是在科技史上占有一定的地位。他除了仿造出木牛流马、指南车外,还制造出千里船、水碓磨、漏壶等器物。此外,祖冲之还精通音律,也写过小说《述异记》十卷、注解经典《九章算术注》九卷。可惜他的诸多著述,绝大多数已经失传,不过从《隋书》记载他在各领域的成就中,可以推论祖冲之的博学、多才的背后,蕴藏着无比严谨、刻苦的功夫。

为纪念这位伟大的古代科学家,俄国人将月球背面的一座环形山命名为"祖冲之环形山",中国人将小行星1888命名为"祖冲之小行星",还有日本人将"密率"命名为"祖冲之圆周率"(简称"祖率"),以纪念祖冲之的各种贡献。
祖冲之在公元 500年去世,享年71岁。

【注释】
(注1)"岁差"∶是指"太阳绕地球旋转,从今年冬至到次年冬至满一周天时,并未绕到原出发点,二者相差的距离即为岁差",这些"零头"的累积,就会产生"闰月"的需要。

(注2)减少"闰数"∶祖冲之把沿袭近千年的"19年7闰",改成更精确地"391年有144闰",。

(注3)"交点月"∶是指月球连续两次向北通过黄道所需时间,其长度为27.21223平太阳日,与目前天文界所测得的27.21222平太阳日相差甚微。这也是古人推估日月蚀很重要的依据。

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