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遥遥领先的圆周率

时间:2022-02-14 理论教育 版权反馈
【摘要】: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。我国在两汉时期之前,一般采用的圆周率是“周三径一”。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。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。祖冲之算得小数点后7位准确的圆周率,正是标志着我国古代高度发展的数学水平。

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。同时,为解决圆周率问题,刘徽运用了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,南北朝时期杰出数学祖冲之,把圆周率推算到更加精确的程度,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。他取得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了。

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,可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,不是圆的面积,而是圆内接正十二边形的面积。

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,所求得的圆周率值就越精确这一点。

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,因而逐个算出六边形、十二边形、二十四边形等的边长,这些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。他算到了圆内接正三千零七十二边形,得到圆周率的近似值为3.1416。

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。

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。

拓展阅读

圆周率在生产实践中应用非常广泛,在科学不很发达的古代,计算圆周率是一件相当复杂和困难的工作。因此,圆周率的理论和计算在一定程度上反映了一个国家的数学水平。祖冲之算得小数点后7位准确的圆周率,正是标志着我国古代高度发展的数学水平。

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