天南地北聊數學 祖沖之與圓周率

維尼老師 |2014.11.06
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文/維尼老師

圓是個完美的形狀,不像其他形狀有稜有角,而是柔和滑順的曲線;而且從圓周上任何一點到圓心的距離都一樣,分毫不差;加上圓形平衡勻稱、完整無缺,所以世界各民族都把圓視為圓滿具足以及美好幸福的象徵。

在幾千年前的古人眼中,太陽是圓的,滿月是圓的,人的眼珠是圓的,很多生活器具也都是圓的。他們開始思考,這些大大小小的圓,除了形狀相同之外,到底還有什麼共同的特徵呢?

說到這兒,不得不讓人感到驚奇:人類文明的發展竟然具有如此高度的共通性!在古代交通不便,不同地區無法互相往來、溝通訊息的時代,世界各民族竟然不約而同的去思考上面所提到的問題,而且都得到相同的答案——圓的周長和直徑的比值是個固定值,這個值就是我們現在所說的「圓周率」。

古代巴比倫人和埃及人曾經用來表示圓周率。西方最早仔細計算圓周率的是古希臘大科學家阿基米德,他證明出圓周率介於和 之間。

而在三千多年前中國周朝的時候,很簡單直接的以整數3來代表圓周率。後來歷代數學家不斷有人提出新的數值來代替,但是,一直到三國時代的數學家劉徽,才提出「割圓術」的方法,科學性的來計算圓周率。

「割圓術」是什麼?簡單的說,就是在圓裡面畫出正多邊形,當正多邊形的邊數愈來愈多的時候,這個正多邊形的周長就會愈接近圓周長,面積也會愈接近圓面積。劉徽運用這個原理,從正六邊形開始,逐步將邊數加倍:12邊、24邊、48邊,直到正96邊(也有人說是正192邊),而算出圓周率等於3.14,這正是現在小學所用的約略值。為了紀念劉徽的成就,於是有人把3.14稱為「徽率」。

劉徽的成就雖然已經很不錯但稱不上偉大,在中國數學家中,真正在圓周率上獲得偉大成就的,是南北朝的數學家祖沖之。祖沖之出身官宦世家,祖父掌管土木建築,了解科學技術,也因此,祖沖之從小就有機會接觸科學知識,啟發他對天文、曆法、機械和數學的愛好。

年輕時的祖沖之在研讀古代數學書籍時,知道劉徽利用割圓術計算圓周率的事,他不但產生了濃厚的興趣,更燃起超越古人的熱情。他認為前人算出來的圓周率數值太粗略,不夠精準,於是決心算出更準確的數值來。

這裡要告訴大家,我們現在要計算數學非常便利,有計算機甚至強大的電腦幫忙,就算手算,也有簡便的運算方法可以使用。但是在祖沖之的時代,不要說計算機、電腦這種科技產品了,連阿拉伯數字和小學的直式四則運算式都沒有,古人想計算,必須使用竹片或其他材質製成的「算籌」,擺放在地上代表數字來進行運算,不但複雜麻煩,如果不小心打亂了,更得從頭開始,過程之艱辛不是我們所能想像的。

總之,祖沖之每天不辭辛勞的與算籌為伍,不知花了多久的時間,一直計算到圓內接正24576邊形(多可怕的數字呀!)而得到一個結論:圓周率介於3.1415926和3.1415927之間。大家知道嗎?這數值的精確度可是整整領先西方一千年之久呢!請你抬起手來為祖沖之鼓鼓掌吧!

祖沖之還以分數形式找到了圓周率的約率和密率。因此,有人把稱為「祖率」來紀念祖沖之的偉大成就。

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