登陆注册
11100600000010

第10章 祖冲之与祖

祖冲之,字文远,祖籍范阳郡道县(今河北省涞水县北)人,生于(429)南朝宋,祖冲之卒于(500)南朝齐,25岁入华林学省从事学术研究。32岁才做了南徐州(今镇江)刺史(相当于州长)刘子鸾手下的一个小官——从事吏。后来刘子鸾任刘宋司徒,祖冲之则在他司徒府里兼任了公府参军。

祖冲之博学多才,在天文历法、数学、器械设计和制造以及历史、文学等方面都有出色的贡献,其中尤以天文学和数学成就最为杰出。在天文历法方面,祖冲之创制了《大明历》,把岁差引进历法,在中国历法史上做出了一项重大改革。他还采用了391年加144个闰月的精密的新闰周,突破沿袭很久的19年7闰的传统方法,是天文历法史上的一个重大的进步。祖冲之的制历工作得到了他儿子祖暅的帮助。祖冲之死后,祖暅三次向梁武帝建议颁行《大明历》。

祖冲之父子的数学成就十分丰富,《缀术》是他们的代表作,唐初被列入“算经十书”之一。据史书零星记载,《缀术》内容十分精妙,“学官莫能究其深奥”。唐朝的算学学生学“算经十书”的时候,花在《缀术》上的时间最多。朝鲜、日本等国也将它用做算学课本。可惜包括《缀术》在内的祖冲之父子的重要文献都已失传,现在所知的祖冲之父子的数学成就都是在旁的著作中留下的记载,其中主要是圆周率、球体积和开带从立方等三个方面。

圆周率计算

现在,圆周率的计算已不是数学上的大问题,但在15世纪以前,圆周率的精度曾作为各时代的数学水平的度量。由于祖冲之的这一方面的工作,使中国数学在这个领域内遥遥领先达1000年之久。

在圆周率的近似值计算方面,原先古希腊是一直走在中国前面的。公元前5世纪,当古希腊数学家阿利亚布哈塔曾算得圆周率3.1416时,我国还停留在“古率”π=3上,而且一直被沿用至汉代。入汉以后,圆周率的计算才为较多数学家所注意,先是刘歆(?~23)算得3.1547或3.166,有效数学为3.1.后来,东汉天文学家张衡(78~139)又用10和9229作圆周率,虽然数字简明但精度仍不高。张衡之后,蔡邕(公元133~192年)、王蕃(219~257)也由于天文研究的需要,计算了π,但有效数字仍只二位。

中国数学史上第一个给圆周率的计算打下坚实基础的是刘徽,而在这个基础上建造大厦的巨匠就是祖冲之。祖冲之运用刘徽的先驱性工作,对圆周率进行了更加细密深入的计算,他不仅使中国取得了圆周率计算的世界领先地位,而且揭开了中国数学史上大放异彩的一页。

祖冲之首先利用刘徽的方法,通过计算圆内接正1536边形的面积算出圆周率3.1416,用分数表示为39271250,这在当时已经是够出色的了,但祖冲之并不满足,他“更开密法”,进一步提出:

3.1415926<π<3.1415927

且不说祖冲之一下子把圆周率的精度提高了万倍,仅就他用“盈二限”的方法给出了一个无理数值的变化范围就十分了不起了,这种方法除了古希腊最大数学家阿基米德曾用过外,用得最出色的就要数祖冲之了,它是现代关于无理数表示的一个基本方法。

由于中国古代惯于用分数表示数值,因此祖冲之又在上述圆周率的基础上,得出了二个圆周率的分数值:227和355113,前者称为约率,后者称为密率。欧洲通常称圆周率的分数值355113,为安托尼斯(1527~1607)率,这是为纪念荷兰工程师安托尼斯于1585年左右得到这个值而命名的。其实,在欧洲,它的更早的发现者是德国的奥托(1550?~1605),他在1573年已经发现了π的这个数值,但是比起祖冲之来,这两人却要晚出十一个世纪之久。

祖冲之的密率是π的一个很好的分数近似值,如以它来计算半径为10公里的圆面积,其误差不会超过几个平方毫米,有人证明,在所有分母小于16604的分数中,355113是最接近π的一个分数,比它更精确的分数将是5216316604.可见,355113不仅精确度高,而且简单。1,3,5三个数字各出现二次(113355),对半后排列于分数线上下,可谓美矣。

1913年,日本著名数学史家三上义夫建议称祖冲之的密率为“π的祖冲之分数值”,后来又改称“祖率”,以表彰祖冲之的功绩,这一创议很快得到人们的赞同。

球体积计算

自从刘徽得出V球=π4V牟之后,一直没有人算出牟合方盖的体积V牟,所以球体积的计算也一直没有解决。问题最终还是由祖暅解决的。为算出牟合方盖的体积,祖暅深入分析了牟合方盖的八分之一。立方体之内有一块称为外棋的立体,设立方体边长为D2,在OP=Z处过P作立方体的水平截面,截得正方形PQRS和折角矩形QRST。其中正方形外棋立体PQRS的面积是牟合方盖的一个水平剖面的面积的四分之一,由勾股定理得PS2=PQ2=(D2)2-Z2,而在同一位置上折角矩形QRST的面积是(D2)2-[(D2)2-Z2]=Z2.这说明外棋有这样性质:在高度为Z处的截面面积正好等于Z2.这个性质也是倒置的正方锥体所具有的。倒置的正方锥体这就是说,外棋与底面积为(D2)2的倒置正方锥在等高处的截面面积相等。于是,根据刘祖原理,外棋的体积与底面为(D2)2正方锥体积相等,即V外=13(D2)2·D2=D324,将以D2为边长的正方体体积减去外棋的体积,就是八分之一牟合方盖的体积,即18V牟=(D2)3-D324=D312

所以V牟=2D33

于是,V球=π4×V牟=π4(23D3)=π6D3

这就是球体体积的正确公式。当时祖氏父子取π=227入算,所以公式记为V球=1121D3开带从立方

所谓开带从立方是指求方程x3 px q=m数值解的一种方法。中国数学称求x3=N的数值解的方法为开立方,由于在x3之后跟了一个一次项即所谓的“从法”,所以解这种方程就叫做“开带从立方”。《隋书·历律志》在叙述了祖冲之的圆周率之后,说他“又设开差幂,开差立、兼以正负参之。指要精密算氏之最者也。”其中开差幂指开带从平方法,开差立则指开带从立方法。《隋书·历律志》虽未记有祖冲之所创方法的具体内容,但它对这一方法的评论却是明确的:“指要精密、算氏之最者也。”而且在求根过程中考虑到了正负数的问题。遗憾的是,如此精彩的内容却失传了。

同类推荐
  • 人体怪象百科(科学探索百科)

    人体怪象百科(科学探索百科)

    人类社会和自然世界是那么丰富多彩,使我们对于那许许多多的难解之谜,不得不密切关注和发出疑问。人们总是不断地去认识它,勇敢地去探索它。虽然今天科学技术日新月异,达到了很高程度,但对于许多谜团还是难以圆满解答。人们都希望发现天机,破解无限的谜团。古今中外许许多多的科学先驱不断奋斗,一个个谜团不断解开,推进了科学技术的大发展,但又发现了许多新的奇怪事物和难解之谜,又不得不向新的问题发起挑战。科学技术不断发展,人类探索永无止境,解决旧问题,探索新领域,这就是人类一步一步发展的足迹。
  • 超级恐龙之谜

    超级恐龙之谜

    本套书主要介绍古今中外关于人类诸多未解的社会、自然现象,包括《中国自然遗产之谜》、《星球宇宙之谜》、《巨兽异兽之谜》等20个分册。
  • 不能不知的1000个最基本的文化常识

    不能不知的1000个最基本的文化常识

    《不能不知的1000个最基本的文化常识》可以让你轻松获得丰富知识,开拓你的人生境界,浓缩古今中外文化精粹1000条中外优秀文化常识。无论是朋友聚会,还是在社交场合;无论是谈情说爱,还是商务交际;懂得这些常识,将会加倍彰显你的文化底蕴,提升你的档次!
  • 行星撞地球的传说

    行星撞地球的传说

    天体与地球的撞击危害着地球上的生命物种,在人类文明期间地球被强烈撞击事件也曾有发生。本书站在科学的角度全面地介绍了行星和地球之渊源、宇宙天体遇到的所有不幸、流星、陨星和不明飞行物的来访,以及火山、地震事件和地球未来的命运等天文知识。希望让广大青少年和天文爱好者学习更加丰富全面的天文知识,掌握开启天文世界的智慧之门!
  • 化学常识速读(速读直通车)

    化学常识速读(速读直通车)

    本书基于向青少年们介绍化学常识的基础,将古往今来无数中外化学家的化学科学研究和实践的成就汇集在一起。并且分别介绍了许多科学家的优秀品质和他们对事业实事求是的科学态度、严谨的学风。同时,还介绍了化学在生活中的实际运用,体现出化学对工农业生产、国防和科学技术现代化以及人们的衣、食、住、行的重要意义。
热门推荐
  • 都市仙王

    都市仙王

    九霄大陆一代灵宗百里云霄,死后重生三百年前,重返都市年少之时,改写人生,重登世界之巅,天上地下,有我无敌!重返学堂,拾起年少轻狂,一手绝世医术,一身至尊功法,一生挚爱相随,勇斗富少,揭露黑医,国难当头冲阵在前,以重生之躯,再闯九天云外,报血海深仇。
  • 逆天修真

    逆天修真

    六转金仙意外陨落,灵魂融进纨绔子弟岳麓飞身上,从此,他的废柴人生变得耀眼起来!入宗门,超强悟性无人能比;炼丹药,极品神丹羡煞旁人!轻松修炼,痛快杀敌,任何困难在他面前都不足为道!他只待有一日重返仙界,夺回曾经属于自己的一切!
  • 黑色破局

    黑色破局

    《黑色破局》是一部关于中日情报战争的长篇谍战小说,讲述了一个有关我地下党情报组长陈克和他的战友当年在隐蔽战线上将黑桃A、木村等老对手所设下的迷局逐一破除的故事。小说情节曲折复杂,悬念迭起。谍影飘忽,将远逝年代里情报大战中的我党地下人员、军统特工和日本间谍之间的残酷斗争,描述得淋漓尽致。全书分为“黑箭”、“黑洞”、“黑影”三篇,将敌特秘密行动梯次展开,栩栩如生地揭示了敌我双方在谍战中的设局、做局、布局、对局、破局等过程,错综迷幻,扣人心弦。
  • 娇妻如云

    娇妻如云

    浴火重生,让他更加强大,四处吸金,建立自己的商业帝国。他穿梭于美女、艳妇之中,迷醉千万少妇,绝对是梦中的理想情人……扑倒校花,调戏空姐,和漂亮迷人的女主播暧昧缠绵,好不快活。
  • 大馋鬼扭曲的童年

    大馋鬼扭曲的童年

    故事发生在东北地区的靠山小镇,一个穷孩子学艺的经历。主人公大馋鬼是个热心率直、朴实无华的男孩。只是因为家里贫穷,他娘才不得已把他送到了镇上的一家小酒馆里学徒。在那里,大馋鬼和大师兄小秃子之间产生许许多多令人啼笑皆非的故事。虽然大馋鬼也曾一度因忍受不了师傅的严厉管教,逃跑到皮匠铺里学徒、戏班子里学艺……但历经坎坷与磨难之后,他终于理解了“严师出高徒”的深刻内涵。于是,他带着对师傅的歉意和发奋向上的决心,重新回到了小吃铺里学徒。他更加积极乐观,勤奋好学,最终赢得了“小东北第一厨”的美名。--情节虚构,请勿模仿
  • 大明仙道劫

    大明仙道劫

    三十年前,一代枭雄朱元璋悟出寻龙剑意,手持天子寻龙剑横扫元朝一统天下,正魔两道望风披靡,三十年后,这位马上皇帝竟要突然封印这柄仙剑,立时在江湖上引起轩然大波。主人公陆风作为一个刚刚修行的小修士,在不经意间卷入这场事件,竟由此触发了自姜子牙封神以来最大的仙道大劫,圣云宗,九江宫,佛印寺,碧波岛......各色人物纷纷出世,一时正魔两道风云涌动,奇人修士再现江湖......一切精彩尽在《大明仙道劫》
  • 幼儿园的小多米:小小男子汉

    幼儿园的小多米:小小男子汉

    从孩子的视角,兼顾亲子共读,用浅显生动的语言,有耐心地讲述四岁的小男孩“多米”的生活。这些小故事侧重生活情境的展现,能让家长和小读者在有趣的故事和游戏中找到各自的参照,给小朋友性格的形成、情商的培养、交流能力的提高、勇敢坚强精神的形成等提供一份心理自助的力量。
  • 我的灵界女友

    我的灵界女友

    自从让我遇到了一个似鬼非鬼似人非人的女孩后,我的生活就发生了翻天覆地的变化,我以往沉着的脸也渐渐多出笑容来。然而,自从打开了那个该死的锦囊后,这一切又再次改变,我和这‘绝美女鬼’合二为一,男女共用一体……
  • 我的学神之路

    我的学神之路

    华夏大陆上,学校林立,每一个学校都有其不平凡的历史。学者,学知识之精华,天地之奥妙。传说,有天资超群之学者,学尽天下,度过语文,数学等数大雷劫,成为传说中的大学生,可上通天文,下知地理,前五百年,后五百年,无所不知。一废材少年,饱受众人欺凌,机缘巧合下,遇到一受到重创的高中生,从而走上了学者的道路,成就一代学神!
  • 超级谋略专家

    超级谋略专家

    博览群书的方重自小就表现出惊人的智慧,他能看破一切骗局,却在成长之路上遇到一个个狡猾多诈的对手,他不是没有挫败过,但是在失败中更坚强起来,心智也越来越纯熟,最终达到料事如神的境界,以计克计,将所有强大的对手一一打败。。。。======================================================================================以前的老书群:12473710(自由幻想之都)47085442(自由幻想之都2)17032481(超级谋略专家一群)大家到进群和我交流,我虽然会保持写作的独立性,但大家的意见到时也会考虑的,对本书以后的进行相信会有所帮助的。强烈推荐精品《光速铁匠》《大明首辅》