理论教育 圆周率:从希腊饼到祖冲之

圆周率:从希腊饼到祖冲之

时间:2023-07-04 理论教育 版权反馈
【摘要】:无论什么圆,它的周长与直径之比总是一个常数,人们把这个常数叫做圆周率,记为π。在希腊文中,π是饼的头一个字母,饼是圆的,因此,古希腊人用π表示圆周率,恰到好处地反映了圆的本质。早期的人类,用3作为圆周率的近似值。最后,还要说一说祖冲之关于圆周率的计算,他得到这样两项成果:圆周率的小数近似值3.1415926<π<3.1415927。圆周率的近似分数它们都是具有世界历史意义的成果。

圆周率:从希腊饼到祖冲之

无论什么圆,它的周长与直径之比总是一个常数,人们把这个常数叫做圆周率,记为π。

在希腊文中,π是饼的头一个字母,饼是圆的,因此,古希腊人用π表示圆周率,恰到好处地反映了圆的本质。

π是多少?人类探索了几千年,至今仍然是数学家和计算机专家继续探讨的课题。

早期的人类,用3作为圆周率的近似值。

远在上古时期,我国就有“径一周三”的古率(«周髀算经»中有述)。«旧约全书»列王记中也有使用圆周率为3的记载(公元前9世纪前后)。

大约在公元前2000年,巴比伦人认为

在此前后,古埃及人认为直径为9的圆和边长为8的正方形的面积相当,这意味着

由于圆周率是一个无理数,人们无法以当时已知的有理数准确地表示它,但却能不断以有理数越来越精确地逼近它。求更精确的圆周率成为古代数学的一个经久不衰的热门课题,人们对它的研究热情达到了这种程度,以至于人们倾向于认为:“在数学发展的历史上,许多国家的数学家都曾寻找过更精确的圆周率,因此,圆周率的精确程度可以作为衡量某个国家古代数学发展水平的标志。”

从公元前3世纪到公元17世纪这漫长的两千多年里,中外数学家经过不懈努力,主要利用古典方法人工计算π的值。在数学史上留下不朽的篇章。

作为π的计算的最早的科学的尝试看来是阿基米德的工作。公元前240年左右,阿基米德利用计算π的古典方法——计算圆内接正多边形和圆外切正多边形之间。

公元前150年左右,在阿基米德以后的第一个值得提及的π的值是由亚历山大里亚的克罗狄乌斯·托勒密在他的«大辑»里给出的,这是古希腊的最伟大的天文学著作。在这一著作中所给出的π值是3.8'30"——这里所使用的是六十进位制,也即,或3.1416。这个数值是从论著中所刊登的弦表推算出来的。

公元462年,我国的祖冲之给出了π的一个有趣的有理近似值:这一数值准确到了六位小数。

1630年,格林贝格利用斯涅耳的改进方法计算π至39位小数,这是通过多边形的周长去计算π值的最后的重要尝试。

1650年,英国数学家约翰·瓦里斯得出了下面的奇怪的表达式:

皇家学会的第一任主席布隆克爵士,把瓦里斯的结果变为连分数。但这两个表达式都没有被用于π值的大规模计算。1706年,J.麦金利用级数得出了π的100位小数。1841年,英国的威廉·卢瑟福利用级数计算π至208位,后来发现其中的前152位是正确的。

最了不起的π人工计算要算是Z.达什——这是一个闪电般的计算者,他在1844年算出了π的准确的200位数字。他曾在54秒内完成了两个8位数的乘法,在6分钟内完成了两个20位数的乘法,在40分钟内完成了两个40位数的乘法,而在8小时又45分钟内完成了两个100位数的乘法,他也曾在52分钟内算得一个100位数的平方根。(www.daowen.com)

1873年英国的威廉·桑克斯计算π至707位,在很长的时间内,这一直是所曾进行过的关于π的计算中最惊人的结果。1946年,英国的D.F.弗格桑发现桑克斯的计算从528位开始是错误的,他于1947年1月给出了π的准确的701位数字。在同一个月中,美国的J.W.雷恩奇也发表了π的808位数值,但弗格森立即发现了其中在第723位上的错误。1948年1月,弗格森和雷恩奇联合发表了经过检查的正确的π的808位数字。

1777年,德·布丰设计了著名的“小针问题”,借助它可以通过概率的方法来得出π的近似值。1901年,意大利人拉兹瑞尼得出利用这种方法的最佳结果:他只抛了3408次就得出了π的六位准确的小数!但是,由于这一结果远远佳于其他的实验者所得出的结果,因此,人们对此有时是有所怀疑的。此外,也还有其他的计算π的概率方法。

随着计算机的出现,计算π的准确数字的位数快速增加。

1949年,在美国马里兰州阿伯丁的军队炸药研究中心中,用电子计算机计算π至第2037位小数。

1959年,F.谢纽斯在巴黎用计算机计算π至16167位小数。

60年代则达到五十万位。

70年代的最高纪录是一百万位。

80年代后期,已经有人将π精确计算到一亿位数字。

1995年的最高纪录是6,442,450,938位,简直不可思议。

为什么人们要如此精确地计算π的值呢?总起来说有三个方面的原因:一是检查电子计算机硬件软件的完整性以及计算方法的有效性。二是为了研究π的数字分布规律。第三个方面的动机可能最根本,是人类的一种进取精神。创造计算π的世界纪录,如同征服了人类从未攀登过的高山,如同创造了一项新的百米赛跑纪录,令人激动不已。人们在π的演武场,竞显人的智慧与功力,接受着来自最美丽的图形——圆的挑战。

最后,还要说一说祖冲之关于圆周率的计算,他得到这样两项成果:

(1)圆周率的小数近似值

3.1415926<π<3.1415927。

(2)圆周率的近似分数

它们都是具有世界历史意义的成果。第(1)项是具有8位准确数字的圆周率的近似值,其重要之处还在于他由不足和过剩两个方面作了“逼近”性近似,他的这项成果直到1424年前才为阿拉伯学者卡西所超越。第(2)项中的密率是π的一个具有独特性质的近似分数:它是所有分母小于16604的分数中与π值最接近的最佳近似分数!祖冲之的这两大成就在世界上均保持领先地位1000余年。

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