我国古代数学家的故事

By | 2018年5月4日

       “无穷”作为一个极富迷人魅力的概念,长久以来就深深激励着人们的心灵,彻底弄清这一概念的实质成为维护人类智力资源的一种需要.远在两千多年以前,人们就已经产生了对无穷的萌芽认识.

       著名的《庄子》一书中有言:“一尺之棰,日取其半,万世不竭.”从中就可体现出我国早期对无穷的认识水平.我国人民很早就创造性地将无穷思想应用到数学中,运用相当自如的是魏晋时期著名数学家刘徽.他提出用增加圆内切正多边形边数的方法来逼近圆的“割圆术”,并阐述到:“割之弥细,所失弥少,割之又割,以至于不可割,则与圆周合体而无所失矣.”可见刘徽对无穷的认识已相当深刻,正是以“割圆术”为理论基础,刘徽得出“徽率”,而其后继者祖冲之更是得出了圆周率介于3.1415926与3.1415927之间的领先国外上千年的惊人成果.


       祖冲之(429-500)是我国南北朝时期范阳郡遒县(今属河北保定)人.他从小就阅读了许多天文、数学方面的书籍,勤奋好学,刻苦实践,终于成为杰出的数学家、天文学家.下面把他在圆周率方面的研究过程编成故事,与大家共勉.


       夜很深了.桌上的油灯已经加了两次油.书桌上堆放着已经看完的《周髀算经》竹简和张衡的《灵宪》竹简,祖冲之正在翻阅刘徽给《九章算术》作的注解,他被刘徽在深入学习古人成果、广泛实践的基础上,用高度的抽象概括力建立的“割圆术”与极限观念所折服,不禁拍案而起,连连称赞:“真了不起!”在一边专心致志看书的儿子被这突如其来的声音所震动,忙问:“爸,谁了不起?”“我说刘徽了不起.”祖冲之的眼睛仍然停留在竹简上.“刘徽是谁?”当时只有十一二岁的孩子还不知道刘徽是个什么样的人.“三国时代的科学家.”“他有什么了不起的地方?”“他用极限观念建立了割圆术.”“割圆术?”他茫然地望着父亲.“计算圆面积、圆柱的体积和球的体积都要用圆周率,原来似乎没有科学的方法,可是刘徽提出了割圆术,找到了完善的算法,你看!”祖冲之指着手里拿着的竹简,滔滔不绝地给儿子讲着.“刘徽提出,在园内作一正六边形,每边和半径相等,然后把六边所对的六段弧线一一平分,作出一个正十二边形,这个正十二边形的边长总和比正六边形的边长总和要大,比较接近圆周,但仍比圆周短.刘徽认为,用同样方法,作出正二十四边形,边长总和又增加了,更接近圆周.这样一直把圆分隔下去,割得越细,和圆周相差就越少,割而又割,直到不可再割的时候,这个正无限边形就和圆周密合为一,完全相等了.刘徽用割圆术计算了正六边形、正十二边形、正二十四边形、正四十八边形,一直到正九十六边形的边长之和,得出圆周是直径的3.14倍的结果.”祖冲之把刘徽计算圆周率的“割圆术”讲给儿子听,他虽然似懂非懂,但产生了无限的兴趣.“刘徽真了不起!真行!”祖冲之听着孩子的话,沉思片刻说:“我告诉你吧,刘徽算出的圆周率,其实他自己也不满意.他声明,实际的圆周率应该比3.14稍大.如果他继续“割而又割”地割下去,就会算得更准确.”“那我们来继续‘割而又割’,行吗?”儿子问了一句.“行啊,我们可以算出更精确的圆周率!这就需要我们付出更为艰辛的劳动!”这一夜,父子俩久久未能入睡.枯燥无味的数学,却引起了儿子无限的兴趣和丰富的幻想.祖冲之则盘算着如何尽可能地消化前人智慧的全部结果,开拓数学研究的新路.


       公元461年,一个叫刘子鸾的皇族被任命为南徐州刺史,祖冲之也被调离“华林学省”这个研究学术的机关,派在刘子鸾手下做一个小官.祖冲之虽然离开了华林学省,又承担了繁杂琐碎的行政工作,但他勤奋好学的习惯并没有随着环境变化而有所改变,他始终没有放松对科学技术的钻研.每天早上都得去衙门办事,下午一回来,就一头钻进了书房.有时甚至忘了吃晚饭,忘了休息.年幼的儿子被父亲这种孜孜不倦、废寝忘食的刻苦攻关精神所感动.


       一天,祖冲之早上去衙门办完杂事,就匆匆赶回了家,在书房的地板上画了一个直径一丈的大圆,运用“割圆术”的计算方法,在圆内先作了一个正六边形,他的工作就这样开始了.日复一日,无论是酷暑,还是严寒,不间断地辛勤地计算着……祖冲之为了求出最精密的圆周率,对九位数进行包括加减乘除及开方在内的130次以上的运算.在当时,既没有电子计算机,也没有算盘,只靠一些被称为“数筹”的小竹棍,摆成纵横不同的形状,用来表示各种数目,然后进行复杂的计算,这不仅需要掌握纯熟的技巧,更需要具备踏踏实实、一丝不苟的严谨态度.祖冲之为了求出最精密的圆周率,逐次以圆内接正六边形、正十二边形、正二十四边形、正四十八边形、正九十六边形……的边长之和作为圆周长.计算其与直径的比值,一直割圆到正24576边形,这时边已经和圆周紧贴在一起,不能再割了,于是他算出:正12288边形边长之和为3.14159251丈,正24576边形边长之和为3.14159261丈.


       祖冲之经过艰苦的计算,终于得出圆周率介于3.1415926和3.1415927之间的结论,用现代数学符号写出,就是3.1415926∠ ∠3.1415927.功夫不负有心人.祖冲之求出的圆周率,精确到小数点后七位,这在当时,全世界只有他一人能做到.祖冲之为世界数学史和文明史作出的这一伟大贡献,是我们中华民族的骄傲!