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祖沖之 不僅僅是神奇的圓周率 領先西人千餘年

 

每年3月14日,是數學界專門慶祝的"圓周率日",這是以圓周率3.14諧音的紀念日。而在圓周率史上,南朝祖沖之的成就,更是古老中國科技文明的典範之一。

圓周率是個很奇妙的數字,它小數點後的數字,既不循環、又沒盡頭,有許多數學家求算過,也都有更精確的數值會繼續出現,有人認為它標記着一個國家和民族的數學的科技水平,有人把它當作比賽記憶力的字串考題,還有人把圓周率3.1415926535897932384626翻譯成為"山巔一寺一壺酒,爾樂苦煞吾,把酒吃,酒殺爾,殺不死,樂而樂"。不過,圓周率的背後可是埋藏了許許多多人前仆後繼、窮畢生之努力,也想要破解的故事。

 

在古代很多國家,很早就知道圓周率是3。《周髀》(髀讀作必)已記載了"周三徑一";用繩子量測車輪的圓周和直徑,也可以發現二者存在着近似3比1的關係。

到了三國時代末期,魏國的劉徽(生卒不詳)首先指出,3是圓內接正六邊形與半徑的比,而不是的圓周和直徑的比,因此他採用圓內接正多邊形的周長來逼近圓周長,也就是利用直角三角形的性質,把圓內接正6邊形逐次加倍、分割,到了正192邊形時,求出圓周率精確到小數點後兩位3.14。這也就是所謂的"徽率 "。


二百多年後,南朝祖沖之(429~500)再接再厲,用圓內接24576邊形的面積,求得圓周率介於3.1415926與3.1415927 之間,使圓周率精確到小數點後7位。為了便於使用,祖沖之還給了兩個近似分數值:一個是精確度較小的22/7(3.142857),稱為"約率";另一個是精確度較高的355/113(3.1415929),稱為"密率",精確度到達小數點後6位。而法國數學家維業特(Franciscus Vieta, 1540~1603)把圓周率推到小數點後10位,已經是1000多年後的事了。

有了精確的圓周率,祖沖之和兒子祖暅之(暅讀作宣)進一步得出球體體積的公式,並在計算過程中,總結出的"祖氏原理"(所有等高處的橫截面積相等,則二個立體的體積也必然相等),比義大利數學家卡瓦列利(Franeesco Bonaventura Cavalieri, 1598~1647)得出同樣結論早了一千多年。也就是說,在當時中國的數學成就是遙遙領先的。

其實,在古代中國,數學是附屬在天文歷算之下,是講實用的。因為有了好的數學基礎,除了可以計算圓形穀倉的容量、梯形城郭所需的建材,更可以用來推算出天上星宿的軌道、下次出沒的時空,制定出更精確的曆書,不論是給帝王擇時祭天、農民播種收成,都十分需要。因此,歷代帝王對於當朝的歷制都不敢輕忽,而後人也可以從歷制的變革,窺出當時的數學水平。祖沖之憑藉其才智與努力,在南朝劉宋孝武帝(劉駿)大明6年(462 AD)推出了《大明曆》中,把幾項重大的改革納入,包含"歲差"、"閏數"、"交點月"等項(詳註釋)。生活在今天科技文明的現代人,依舊很難想像當年祖沖之怎麼能夠在沒有望遠鏡、沒有飛機、沒有電腦的情況下,只憑觀察和紀錄,依舊能創造出如此輝煌的成績。

更令人驚訝的是,祖沖之在機械製造上的表現,也是在科技史上佔有一定的地位。他除了仿造出木牛流馬、指南車外,還製造出千里船、水碓磨、漏壺等器物。此外,祖沖之還精通音律,也寫過小說《述異記》十卷、註解經典《九章算術注》九卷。可惜他的諸多著述,絕大多數已經失傳,不過從《隋書》記載他在各領域的成就中,可以推論祖沖之的博學、多才的背後,蘊藏着無比嚴謹、刻苦的功夫。

為紀念這位偉大的古代科學家,俄國人將月球背面的一座環形山命名為"祖沖之環形山",中國人將小行星1888命名為"祖沖之小行星",還有日本人將"密率"命名為"祖沖之圓周率"(簡稱"祖率"),以紀念祖沖之的各種貢獻。
祖沖之在公元 500年去世,享年71歲。

【注釋】
(注1)"歲差"∶是指"太陽繞地球旋轉,從今年冬至到次年冬至滿一周天時,並未繞到原出發點,二者相差的距離即為歲差",這些"零頭"的累積,就會產生"閏月"的需要。

(注2)減少"閏數"∶祖沖之把沿襲近千年的"19年7閏",改成更精確地"391年有144閏",。

(注3)"交點月"∶是指月球連續兩次向北通過黃道所需時間,其長度為27.21223平太陽日,與目前天文界所測得的27.21222平太陽日相差甚微。這也是古人推估日月蝕很重要的依據。

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