嗨,来场π狂欢

2018-04-17 03:30
发明与创新·小学生 2018年3期
关键词:祖冲之鲁道夫阿基米德

3月14日是什么日子?数学迷们特别是π迷会告诉你,这天是π日,也就是国际圆周率日。

圆周率,这个有趣的数值,曾经众多科学家為推算它而殚精竭虑,如今世界各地的π迷对它痴迷,在专属于它的π日里用各种方式疯狂庆祝。

如果你之前没有听说过π日,那么在3月14日这个特殊的日子里不妨“洋气”一回,加入到π狂欢中来吧!

圆周率是圆的周长与直径的比值,用希腊字母π表示。为了使它以真面目现身,资深、刻苦的π迷们数十年如一日乃至穷极一生埋头苦算,才有了如今精确到小数点后几千万亿位的π值。

我们一起来看看π迷们的辉煌成绩吧!

张衡:理论求得π值

早在公元前2世纪,中国古算书《周髀算经》中就有“径一而周三”的记载,意为“π=3”,显然这个π值不够准确。

岁月如梭,转眼到了东汉,天文学家、数学家张衡铸造了浑天仪。在铸造过程中,他不可避免地要演算关于球的各种数值,如外切正方体体积、内接正方体体积以及球的体积等,因此,当浑天仪被安放在灵台大殿的密室中时,“副产品”——我国历史上第一个理论求得的π值产生了。

利用渐进分数法,张衡算出π为10的平方根,即为3.162。和后世的刘徽、祖冲之相比,张衡的计算显然不够精确,但比印度和阿拉伯的数学家早了五到七个世纪!

刘徽:“割圆术”

刘徽是我国魏晋时期伟大的数学家,也是个资深π迷。他通过不断研究,在当时十分简陋的条件下提出了“割圆术”,进而推算出了π值。

何为割圆术?

割圆术就是不断倍增圆内接正多边形的边数以求出圆周率的方法。

刘徽从圆内接正六边形开始切割圆,然后是正12边形、正24边形……直到切割到正96边形,得出圆周率的近似值为3.14。然而他对这个数值并不满意,继续计算,得出了当时世界上最精确的圆周率——3.141 6。

在著作《九章算术注》中,刘徽分三部分对圆周率的计算进行了翔实的阐述,给出了一个完整而成熟的推算圆周率的算法。

祖冲之:算得最精准π值

作为我国最知名的π迷,祖冲之早在南北朝时期就求得当时世界上最精准的圆周率:3.141 592 6<π<3.141 592 7,这项纪录保持了一千年。一千年在圆周率的推算史上绝对是漫长的。

至今人们仍不清楚这个π值在测算工具相当简陋的年代是怎样推算出来的。有人推测,祖冲之用的是刘徽的“割圆术”,不过如果按照那种方法去算的话,要计算到圆内接正24 576多边形,那得花费多少时间和付出多么辛苦的劳动啊。

祖冲之对π值的贡献如此大,有些外国数学史家建议把圆周率π叫做“祖率”。

阿基米德:第一个计算π值

提起古希腊著名的数学家阿基米德,人们最熟知的应该是他的这句名言:“给我一个支点,我就能撬起整个地球。”显然,阿基米德对球有着无比的热爱,他算出了球面积、球体积、抛物线等。

他还吸取前人经验,通过计算圆的内接正12、24、38、96边形和外切正多边形的周长,算得π值在223/71与22/7之间,取值为3.14。

阿基米德开创了理论计算π值的先河,后人在推算π值时多沿用他的计算方法。

欧拉:使π作为圆周率代称

欧拉是瑞士数学家和物理学家,在微积分领域成就斐然。

微积分刚创立时,心思巧妙的前沿数学家们尝试用微积分来求圆的面积,进而推导出π的表达式。欧洲许多数学家就得出了诸多π的解析表达式,其中欧拉贡献最突出,提出了著名的欧拉级数。

而关于欧拉与π之间的关系,不仅仅在于欧拉级数,更值得一提的是,欧拉敏锐地预测了圆周率在微积分乃至整个数学领域的重要地位。他在1748年出版的一本微积分教材中建议用符号“π”来表示圆周率。

“π”是希腊文圆周的首字母。虽然英国数学家威廉·琼斯曾经用过,但是由于欧拉的积极倡导,π才最终成为圆周率的代名词。

鲁道夫:名字用来称呼π

荷兰数学家鲁道夫·范·科伊伦是个非常倔的家伙。他从西班牙统治下的安特卫普出逃,来到宗教宽容的尼德兰,在莱登大学工程系任教,对计算有着超乎寻常的热情。

他计算π的方法与阿基米德的算法基本相同,就是通过计算圆的内接正多边形和外切正多边形的周长来推算π值。1610年,正值古稀的鲁道夫终于成功地将π值计算到了小数点后35位。他为此颇感自豪,自知身体大限将至,于是当即留下遗言,叫后人把这个π值刻在他的墓碑上。这一数值为3.141 592 653 589 793 238 462 643 383 279 502 88。仔细看鲁道夫的墓碑,上面真的刻着这个数值呢。

为了纪念他,德国人将π称为“鲁道夫数”,这对一个数学家而言无疑是莫大的荣誉。

尚克斯:算错数值

英国数学家威廉·尚克斯对π值的计算可以用走火入魔来形容。他吃饭时在算,睡梦中还在算,耗费20年光阴终于在1873年将π值算到了小数点后707位。他以此为荣,死后,人们也将他算得的π值刻在了他的墓碑上。

悲哀的是,1945年,他的老乡弗格森证明了他计算出的π值从小数点后第528位开始都是错误的。还好,已含笑九泉的尚克斯无从得知,所以有人说,他是最悲催的π迷,也是最幸运的。

电子计算机诞生后,计算π值这种事情自然就交给了它,人工推算π值的热潮渐渐消退。2010年,日本一名男子将π值精确到了小数点后5万亿位,雅虎公司一名研究员运用“云计算”将π值精确到了小数点后2千万亿位。

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