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圓周率是誰發(fā)明的
問題:圓周率是誰發(fā)明的?
答案:圓周率是祖沖之發(fā)明的。
解析:
據(jù)《隋書·律歷志》記載,祖沖之確定了圓周率的不足近似值是3.1415926,過剩近似值是3.1415927,真值在這兩個近似值之間。透過現(xiàn)代計算驗證,如果按照割圓術(shù)計算,要得到3.1415926到3.1415927,務(wù)必求出圓內(nèi)接12288邊形的邊長和24576邊形的面積。這樣求出的圓周率才能準確到小數(shù)點后7位。我國古代是用算籌計算的,因此,對9位數(shù)做上百次加、減、乘、除和開方運算,還要適當選取有效數(shù)字,保證準確的誤差范圍,這是一項十分艱巨復(fù)雜的計算工作,顯然只有掌握純熟的理論和技巧,具備踏踏實實、一絲不荀的研究精神,才能取得這樣杰出的成就。祖沖之圓周率的不足近似值和過剩近似值,準確到小數(shù)點后7位,成為世界歷史上第一次把圓周率的準確數(shù)值算到小數(shù)點后7位數(shù)字的人。用這兩個近似值計算,能夠滿足必須精度的要求,并且十分簡便,這在當時世界上十分先進,標志著我國古代高度發(fā)達的數(shù)學(xué)水平,在世界數(shù)學(xué)史上放射著異彩。直到1000年以后,1427年阿拉伯數(shù)學(xué)家阿爾·卡西在《算術(shù)之鑰》、法國數(shù)學(xué)家維葉特于1540年至1603年才求出更精確的數(shù)值。
按照當時計算都用分數(shù)的習(xí)慣,祖沖之還采用了兩個分數(shù)值的圓周率。一個是355/113,這一個數(shù)比較精密,所以祖沖之稱它為“密率”。另一個是22/7,這一個數(shù)比較粗疏,所以祖沖之稱它為“約率”。其中密率是分子分母在1000以內(nèi)的最佳值。在歐洲,直到1573年德國數(shù)學(xué)家鄂圖和荷蘭人安托尼茲才得出同樣結(jié)果。因此,日本數(shù)學(xué)家三上義夫曾推薦把355/113這個圓周率數(shù)值稱為“祖率”,來紀念這位中國的大數(shù)學(xué)家。
圓周率在生產(chǎn)實踐中應(yīng)用十分廣泛,在科學(xué)不很發(fā)達的古代,計算圓周率是一件相當復(fù)雜和困難的工作。因此,圓周率的理論和計算在必須程度上反映了一個國家的數(shù)學(xué)水平。5世紀,我國南北朝時期杰出數(shù)學(xué)家祖沖之,應(yīng)用劉徽創(chuàng)立的割圓木,把圓周率推算到更加精確的程度,取得了極其光輝的成就。
祖沖之在科學(xué)發(fā)明上是個多面手,他造過一種指南車,隨便車子怎樣轉(zhuǎn)彎,車上的銅人總是指著南方;他又造過“千里船”,在新亭江(在今南京市西南)上試航過,一天能夠航行一百多里。他還利用水力轉(zhuǎn)動石磨,舂米碾谷子,叫做“水碓磨”。
祖沖之(429-500)的祖父名叫祖昌,在宋朝做了一個管理朝廷建筑的長官。祖沖之長在這樣的家庭里,從小就讀了不少書,人家都稱贊他是個博學(xué)的青年。他個性愛好研究數(shù)學(xué),也喜歡研究天文歷法,經(jīng)常觀測太陽和星球運行的狀況,并且做了詳細記錄。
宋孝武帝聽到他的名氣,派他到一個專門研究學(xué)術(shù)的官署“華林學(xué)省”工作。他對做官并沒有興趣,但是在那里,能夠更加專心研究數(shù)學(xué)、天文了。
我國歷代都有研究天文的官,并且根據(jù)研究天文的結(jié)果來制定歷法。到了宋朝的時候,歷法已經(jīng)有很大進步,但是祖沖之認為還不夠精確。他根據(jù)他長期觀察的結(jié)果,創(chuàng)制出一部新的歷法,叫做“大明歷”(“大明”是宋孝武帝的年號)。這種歷法測定的每一回歸年(也就是兩年冬至點之間的時間)的天數(shù),跟現(xiàn)代科學(xué)測定的相差只有五十秒;測定月亮環(huán)行一周的天數(shù),跟現(xiàn)代科學(xué)測定的相差不到一秒,可見它的精確程度了。
公元462年,祖沖之請求宋孝武帝頒布新歷,孝武帝召集大臣商議。那時候,有一個皇帝寵幸的大臣戴法興出來反對,認為祖沖之擅自改變古歷,是離經(jīng)叛道的行為。祖沖之當場用他研究的數(shù)據(jù)回駁了戴法興。戴法興依仗皇帝寵幸他,蠻橫地說:“歷法是古人制定的,后代的人不就應(yīng)改動。”祖沖之一點也不害怕。他嚴肅地說:“你如果有事實根據(jù),就只管拿出來辯論。不要拿空話嚇唬人嘛。”宋孝武帝想幫忙戴法興,找了一些懂得歷法的人跟祖沖之辯論,也一個個被祖沖之駁倒了。但是宋孝武帝還是不肯頒布新歷。直到祖沖之死了十年之后,他創(chuàng)制的大明歷才得到推行。
盡管當時社會十分動亂不安,但是祖沖之還是孜孜不倦地研究科學(xué)。他更大的成就是在數(shù)學(xué)方面。他以前對古代數(shù)學(xué)著作《九章算術(shù)》作了注釋,又編寫一本《綴術(shù)》。他的最杰出貢獻是求得相當精確的圓周率。經(jīng)過長期的艱苦研究,他計算出圓周率在3.1415926和3.1415927之間,成為世界上最早把圓周率數(shù)值推算到七位數(shù)字以上的科學(xué)家。
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古今中外,許多人致力于圓周率的研究與計算。為了計算出圓周率的越來越好的近似值,一代代的數(shù)學(xué)家為這個神秘的數(shù)貢獻了無數(shù)的時間與心血。十九世紀前,圓周率的計算進展相當緩慢,十九世紀后,計算圓周率的世界紀錄頻頻創(chuàng)新。整個十九世紀,能夠說是圓周率的手工計算量最大的世紀。
進入二十世紀,隨著計算機的發(fā)明,圓周率的計算有了突飛猛進。借助于超級計算機,人們已經(jīng)得到了圓周率的2061億位精度。
歷史上最馬拉松式的計算,其一是德國的魯?shù)婪,他幾乎耗盡了一生的時間,計算到圓的內(nèi)接正262邊形,于1609年得到了圓周率的35位精度值,以至于圓周率在德國被稱為魯?shù)婪驍?shù);其二是英國的威廉·山克斯,他耗費了15年的光陰,在1874年算出了圓周率的小數(shù)點后707位,并將其刻在了墓碑上作為一生的榮譽。可惜,后人發(fā)現(xiàn),他從第528位開始就算錯了。
把圓周率的數(shù)值算得這么精確,實際好處并不大,F(xiàn)代科技領(lǐng)域使用的圓周率值,有十幾位已經(jīng)足夠了。如果用魯?shù)婪蛩愠龅?5位精度的圓周率值,來計算一個能把太陽系包起來的一個圓的周長,誤差還不到質(zhì)子直徑的百萬分之一。以前的人計算圓周率,是要探究圓周率是否循環(huán)小數(shù)。自從1761年蘭伯特證明了圓周率是無理數(shù),1882年林德曼證明了圓周率是超越數(shù)后,圓周率的神秘面紗就被揭開了。
此刻的人計算圓周率,多數(shù)是為了驗證計算機的計算潛力,還有,就是為了興趣。
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