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第11章 遥遥领先的圆周率

刘徽创造的割圆术计算方法,只用圆内接多边形面积,而无需外切形面积,从而简化了计算程序,为计算圆周率和圆面积建立起相当严密的理论和完善的算法。

同时,为解决圆周率问题,刘徽所运用的初步的极限概念和直曲转化思想,这在古代也是非常难能可贵的。

在刘徽之后,我国南北朝时期杰出的数学家祖冲之,把圆周率推算到更加精确的程度,比欧洲人早了800多年,取得了极其光辉的成就。

刘徽是魏晋期间伟大的数学家,我国古典数学理论的奠基者之一。他创造了许多数学方面的成就,其中在圆周率方面的贡献,同样源于他的潜心钻研。

有一次,刘徽看到石匠在加工石头,觉得很有趣,就仔细观察了起来。石匠一斧一斧地凿下去,一块方形石料就被加工成了一根光滑的圆柱。

谁会想到,原本一块方石,经石匠师傅凿去4个角,就变成了八角形的石头。再去8个角,又变成了十六边形。这在一般人看来非常普通的事情,却触发了刘徽智慧的火花。

他想:“石匠加工石料的方法,为什么不可以用在圆周率的研究上呢?”

于是,刘徽采用这个方法,把圆逐渐分割下去,一试果然有效。刘徽独具慧眼,终于发明了“割圆术”,在世界上把圆周率计算精度提高到了一个新的水平。

近代数学研究已经证明,圆周率是一个“超越数”概念,是一个不能用有限次加减乘除和开各次方等代数运算术出来的数据。我国在两汉时期之前,一般采用的圆周率是“周三径一”。很明显,这个数值非常粗糙,用它进行计算,结果会造成很大的误差。

随着生产和科学的发展,“周三径一”的估算越来越不能满足精确计算的要求,人们便开始探索比较精确的圆周率。

虽然后来精确度有所提高,但大多却是经验性的结果,缺乏坚实的理论基础。因此,研究计算圆周率的科学方法仍然是十分重要的工作。

魏晋之际的杰出数学家刘徽,在计算圆周率方面,作出了非常突出的贡献。

他在为古代数学名著《九章算术》作注的时候,指出“周三径一”不是圆周率值,而是圆内接正六边形周长和直径的比值。而用古法计算出的圆面积的结果,不是圆面积,而是圆内接正十二边形面积。

经过深入研究,刘徽发现圆内接正多边形边数无限增加的时候,多边形周长无限逼近圆周长,从而创立割圆术,为计算圆周率和圆面积建立起相当严密的理论和完善的算法。

刘徽割圆术的基本思想是:

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。

就是说分割越细,误差就越小,无限细分就能逐步接近圆周率的实际值。他很清楚圆内接正多边形的边数越多,所求得的圆周率值越精确这一点。

刘徽用割圆的方法,从圆内接正六边形开始算起,将边数一倍一倍地增加,即12、24、48、96,因而逐个算出正六边形、正十二边形、正二十四边形等的边长,使“周径”之比的数值逐步地逼近圆周率。

他做圆内接九十六边形时,求出的圆周率是3.14,这个结果已经比古率精确多了。刘徽利用“幂”和“差幂”来代替对圆的外切近似,巧妙地避开了对外切多边形的计算,在计算圆面积的过程中收到了事半功倍的效果。刘徽首创“割圆术”的方法,可以说他是我国古代极限思想的杰出代表,在数学史上占有十分重要的地位。他所得到的结果在当时世界上也是很先进的。

刘徽所处的时代是社会上军阀割据,特别是当时魏、蜀、吴三国割据,那么在这个时候中国的社会、政治、经济发生了极大的变化,特别是思想界,文人学士们互相进行辩难。

所以当时成为辩难之风,一帮文人学士来到一块,就像我们大专辩论会那样,一个正方一个反方,提出一个命题来大家互相辩论。在辩论的时候人们就要研究讨论关于辩论的技术,思维的规律,所以在这一段人们的思想解放,应该说是在春秋战国之后没有过的,这时人们对思维规律的研究特别发达,有人认为这时人们的抽象思维能力远远超过春秋战国时期。

刘徽在《九章算术注》的自序中表明,把探究数学的根源,作为自己从事数学研究的最高任务。他注《九章算术》的宗旨就是“析理以辞,解体用图”。“析理”就是当时学者们互相辩难的代名词。刘徽通过析数学之理,建立了中国传统数学的理论体系。

在刘徽之后,祖冲之所取得的圆周率数值可以说是圆周率计算的一个跃进。据《隋书·律历志》记载,祖冲之确定了圆周率的不足近似值是3.1415926,过剩近似值是3.1415927,真值在这两个近似值之间,成为当时世界上最先进的成就。

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