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中国数学家对圆周率的计算做出了怎样的贡献?

圆周率π是一个众所周知的数学常数。π的计算,是古代各大文明都会遇到的问题。

据文献记载,中国在公元前1200年时使用的圆周率π≈3,这就是所谓“周三径一”。

人们认识到用3作为圆周率有较大的误差。西汉末的刘歆曾使用3.1547作圆周率,东汉的张衡则使用了 这已经比“周三径一”精确了许多。但这些数值只是一些估计,并非通过数学方法推导出来的。

中国,对圆周率计算做出重大贡献的首推魏晋时期大数学家刘徽。他在给《九章算术》作注时,创造了计算圆周率的“割圆术”。

刘徽首先指出,“周三径一”实为圆内接正六边形的周长与直径之比,而非真圆周率。他接着指出,正六边形的边长乘以半径再乘以3,就得到内接正十二边形的面积;同样道理,将正十二边形的边长乘以半径再乘以6,得到内接正二十四边形的面积;如此下去,“割之弥细,所失弥少,割之又割,以至于不可割,则与圆周合体而无所失也”。而边长可以反复运用勾股定理和开方术求得,刘徽计算了正96边形的边长以及相应186边形的面积,算出π≈157/50=3.14,被称为“徽率”。进一步用其改进算法求得他自己满意的数值π≈3.1416。

用现代的数学语言表示,如果记圆半径为r,内接正n边形的边长为Sn、面积为An,刘徽出了如下正多边形面积公式:

当n越来越大,以至于无穷大时,正2n边形的面积A2n变成了圆面积A,正n边形的周长nSn就变成了圆周长L,这就得到面积公式 取r=1,就得到圆周率的下界估计π=A>A2n。为了得到圆周率的上界估计,刘徽注意到圆面积A与内接正n边形的面积An之差不超过2倍的内接正2n边形面积内接正n边形面积之差A2n-An,因此,有

π<An+2(A2n-An)=2A2n-An

这样就得出刘徽计算圆周率的公式:

A2n<π<2A2n-An

刘徽计算圆周率的贡献在于:他提出的割圆术是计算圆周率π的一般性科学方法,其中蕴含了朴素的极限思想。利用割圆术,只要你掌握了一定计算技能并有足够的毅力,就可以计算出任意精度的圆周率。尽管刘徽不是提出计算π值一般方法的第一人,阿基米德比刘徽要早5个世纪,但刘徽计算内接正多边形面积方法具有其特殊的优越性。用正多边形面积逼近圆面积更加直观,更加容易理解。阿基米德要分别计算圆的内接和外切正多边形的周长才能求得π的上下界,而基于面积方法刘徽仅用了内接正多边形就可求得π的上下界。比较阿基米德的公式

我们看到,刘徽计算公式更简洁,精度更高。刘徽割圆术确实是一项伟大的创造。

200多年后,南北朝时期的伟大数学家祖冲之又进一步计算得到3.1415926<π<3.1415927,并给出了两个近似分数:约率22/7和密率355/113。祖冲之的圆周率精确到小数点后7位,远远超出了当时世界数学水平,这一精度领先世界长达1000多年,直到15世纪才被阿拉伯数学家卡西超越。一般认为祖冲之所用的方法就是刘徽割圆术,只要运用割圆术算至正24576边形,就能达到祖冲之的计算精度。

密率355/113=3.1415929…,前六位和π的真值完全相同,作为π的近似分数极为精确,是分母在16604以内逼近圆周率的最佳分数。在西方,355/113作为π的近似分数直到1000多年后的1573年才为德国人奥托重新得到