祖冲之圆周率
祖冲之(429-500年),我国古代杰出的数学家、天文学家和机械制造家。他在圆周率上的贡献是:利用算筹进行开方运算,将圆周率精确到小数点后7位。
祖冲之曾经写过一本著作《缀术》,记录了他对圆周率的研究过程和成果,但当时由于不受官学重视,后来失传。因此,在2008年出版的《科技导报》上,将“祖冲之究竟是怎样计算出圆周率 值的?”列为公众关注的未解科学难题之一,下面讨论的也仅为各位数学家关于祖率的合理猜想。
根据推测,在前人刘徽工作的基础上,祖冲之意识到可以通过增加割圆次数,提高圆周率的精度。但是π的精度不会超过边长的有效数字,而有效数字随着边长的不断增加而减小,或许这就是刘徽计算圆周率精度受到的理论限制。
虽然史书上没有他推算圆周率的过程,但根据《隋书·律历志》:“古之九数,圆周率三,圆径率一,其术疏舛。自刘歆、张衡、皮延宗之徒,各设新率,未臻折衷。宋末,南徐州从事史祖冲之更开密法,以圆径一亿为一丈,圆周盈数三丈一尺四寸一分五厘九毫二秒七忽;肭数三丈一尺四寸一分五厘九毫二秒六忽,正数在盈肭二限之间。密率:圆径一百一十三,圆周三百五十五。约率:圆径七,周二十二。”我们可以得知:祖冲之求得3.1415926<π<3.1415927,密率:π=355/113(3.1415929),约率:π=22/7(3.142)。
据推测,祖冲之仍是按照刘徽的割圆术来进行推算的。他采用和刘徽相仿的方法,计算出S12288=3.14 159251方丈,S24576=3.14159261方丈。代入刘徽不等式S2n<S<S2n+(S2n-Sn),即得3.1415926<π<3.1415927。
要得到这一精确度的结果,需要对9位数字的数进行130次以上的各种运算。在祖冲之时代,由于还没有应用小数,因而在实际计算中常用分数来表示圆周率,这在工作量上无疑是一个大工程。因此,用密率355/113表示π的近似值,是一项伟大的贡献。为此,传到日本后,日本数学史家三上一夫1913年建议将祖冲之圆周率的密率数值命名为“祖率”,得到大家的一直赞同。
祖冲之关于圆周率的探索,超过了世界水平1 000多年,在张景中《数学家的眼光》一书中指出:祖率与 的精确值误差不超过0.000 000 267,这无疑是祖率的精妙和伟大之处。