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为什么在公历中安排复杂的闰法?

中国目前使用的历法是国际通用的公历,也叫作阳历,它纯粹是由地球围绕太阳公转决定的。公历中有平年和闰年,平年一年365天,其中二月是28天;而闰年是366天,其中二月是29天。公历中的闰法是这样规定的:“四年一闰,百年少一闰,四百年加一闰。”为什么要这样规定呢?我们可以用“连分数”验证它的科学合理性。

已知地球绕太阳公转一周是365天5时48分46秒,而一个平年只有365天,因此必须把误差5时48分46秒,折算成天数,再通过加闰(二月的28天改成29天)的方法吸收这些积累误差。以天为单位,把这个误差写成分数形式是

这表明43200年中应该有10463个闰年,想要消除误差,最好是均匀加闰,但这样既不便操作也不好记忆。用连分数近似可以提供便于记忆的闰法

用辗转相除法不难得到误差a的连分数表示式为

由第一个渐近分数a1=1/4=0.25知道,每隔四年应该加一天,这就是“四年一闰”。当然,它是近似值,不够精确,还需要修正。由第三个渐近分数

知道,每隔33年加8天,即每隔99年加24天更接近于实际。这说明100年(近似于99年)应该加24天而不应该加25天,也就是说应该“百年少一闰”。

但是如果始终是每100年加24天,那么过了43200年,一共加了

432×24=10368(天).

可是由a=10463/43200知道,过了43200年应该加10463天,少加了95天。这可不行!于是又进一步修正为“四百年加一闰”。

然而,按这种规定,可以算出在43200年中,一共加了10463天,又多加了13天,平均每3323年多加了一天。这就需要在历法中进行修正了。

由此可见,一方面,现行的历法是相当精确的,另一方面,还需要随时修正,而这一切都离不开数学。

【知识点】连分数

连分数是一种用特殊形式表示的分数。例如,考虑分数a=31/219。用辗转相除法可得如下分式:

把这两个分式合并可以得到一个连分数形式

为了节省篇幅,我们把上述连分数缩写成

这里我们把加号写在下面而不是中间,表示加号后面的分数是加在分母上的。

连分数的好处是:对于一个复杂的分数a,可以通过其连分数的各个截断值,快速地求出用较简单分数表示的a的满意的近似值。

例如,a=31/219≈0.14155的逐个近似值为

发现有关系式a2<a<a1。

无理数也有连分数表示法,只不过像小数表示一样,是一个无穷连分数。连分数的研究内容丰富,并有广泛的实际应用。