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圓周率是怎樣算出來(lái)的

[ 歷史故事 ]

《九章算術(shù)》成書(shū)于公元四五十年間,集我國(guó)古代數(shù)學(xué)之大成,歷代有不少人曾為它作注,但都碰到一個(gè)難題,那就是圓周率(現(xiàn)在叫π,它是圓周和直徑之比)。很古時(shí)候,人稱“徑一周三”,即π=3。王莽新朝時(shí)精確到3.1547,東漢時(shí)張衡又精確到3.1466,三國(guó)時(shí)劉徽為《九章算術(shù)》作注,則認(rèn)為最精確的應(yīng)是3.14。四百多年來(lái)眾說(shuō)不一。

祖沖之一接觸到圓周率問(wèn)題,便被困擾得坐臥不安。他的住所里,雪白的粉墻上畫(huà)了一個(gè)大大的圓圈,地上也是大圈套著小圈,桌上到處是紛亂的紙。他背著手在房間里踱來(lái)踱去,一會(huì)兒好像自己走進(jìn)了墻上那個(gè)大圓圈中,一會(huì)兒又好像桌上那一堆圓圈一齊涌進(jìn)自己的腦子里,如亂麻一團(tuán)。唉,這周徑之比到底是如何得出的呢?他又回到桌前抽出劉徽注的那本《九章算術(shù)》坐下來(lái)邊讀邊想。

這時(shí)屋里還有一個(gè)十三四歲的男孩,他是祖沖之的兒子,叫祖暅。別看他小小年紀(jì),卻天資聰穎,戲耍之余常愛(ài)在父親身邊推算那些數(shù)字和圖形。今天他看到地上這許多圓圈感到很新鮮,便單腿在地上跳起圈來(lái)。突然聽(tīng)到父親拍案喊道:“有了!”將他嚇了一跳,忙跑過(guò)去拉著父親的衣袖問(wèn)道:“什么有了?”

“辦法有了。暅兒,你看劉徽這里不是明明寫(xiě)著割圓術(shù)嗎?只要將一個(gè)圈內(nèi)接上正多邊形,不斷地割下去,求出多邊形的周長(zhǎng),不就有了圓周率了嗎?暅兒,你會(huì)嗎?”

“我會(huì),用爸爸教過(guò)的勾股定理一一去求就是了?!?/p>

“道理簡(jiǎn)單,算起來(lái)可就費(fèi)勁了。從今天起,咱爺兒倆就來(lái)辦這件事,你可要十分仔細(xì)啊?!?/p>

說(shuō)完,祖沖之到院里搬來(lái)幾根大竹子,操起一把刀破成細(xì)條,又一一斬成短截,整整干了兩天,地上堆起了一座竹棍的小山?,F(xiàn)在聽(tīng)起來(lái)奇怪,搞計(jì)算怎么先干起竹木活來(lái)?原來(lái),當(dāng)時(shí)既沒(méi)有阿拉伯?dāng)?shù)字可以筆算,當(dāng)然更沒(méi)有現(xiàn)在的計(jì)算機(jī),運(yùn)算全靠一種叫算籌的原始工具。它是用竹木削成的一根根小棍,用來(lái)拼擺成各種數(shù)字。擺數(shù)字分縱橫兩式,一切加、減、乘、除全靠用這些木棍在桌上擺來(lái)擺去。擺數(shù)時(shí),一般自左而右第一、三、五位用縱式,二、四、六位用橫式。

再說(shuō),祖沖之將這一切準(zhǔn)備停當(dāng)之后,便在地上畫(huà)了一個(gè)直徑為一丈的大圓,將圓割成六等分,然后再依次內(nèi)接十二邊形、二十四邊形、四十八邊形……他都按勾股定理用算籌擺出乘方、開(kāi)方等式,一一求出多邊形的邊長(zhǎng)和周長(zhǎng)。

你想這祖沖之何等聰明,他知道求圓周率要用直徑除以正多邊形的周長(zhǎng),所以他把直徑的長(zhǎng)定為長(zhǎng)度單位,比如說(shuō)是一丈,計(jì)算多邊形周長(zhǎng)時(shí)也以丈為單位,就可以避免每次的除法運(yùn)算,每個(gè)多邊形周長(zhǎng)的量數(shù)即是圓周率一個(gè)近似值,這樣一次次求多邊形的周長(zhǎng)便一次次逼近圓周率了。

祖暅也在那個(gè)大圓圈里跳進(jìn)跳出地幫他拿算籌,記數(shù)字。就這樣直算得月落烏啼,直算得雞鳴日升,那竹棍擺成的算式從桌上延到地下,又滿地轉(zhuǎn)著圈子,一屋上下全都是些竹碼子。這批算籌又都是些新破的竹子,還沒(méi)有來(lái)得及打磨,祖沖之用手捏著、想著、擺著,不消幾日,漸漸指頭都被磨破,那綠白相間的新竹竟染上了紅紅的血印。

正是:

公式定理雖無(wú)聲,原來(lái)卻是血凝成。

莫言數(shù)字最枯燥,多少前人拼搏情。

他們父子這樣不分晝夜地割著算著。這天,他們割到第四次,圓周已被分為九十六份,真是如攀險(xiǎn)峰,愈登愈難。當(dāng)年劉徽就是到此止步,而將得到的3.14定為最佳數(shù)據(jù)。

夜靜更深,小祖暅早已眼皮沉重,東倒西歪地想睡了。祖沖之想,這些日子也實(shí)在辛苦了這孩子,便忙打發(fā)他去睡覺(jué)。他推開(kāi)窗戶,深吸了幾口這建康城里夜深時(shí)分甜甜的空氣,看了一會(huì)兒星空,又轉(zhuǎn)過(guò)身來(lái)看著地上那個(gè)大圓。那內(nèi)接的九十六邊形,與圓都快接近于重合了。按說(shuō)能算到這一步已經(jīng)實(shí)在不易,用這個(gè)數(shù)字再去為《九章算術(shù)》作注,也就完全可以了。他用拳頭捶了捶酸乏的后腰,又摸摸纏著布條的手指,向墻邊的書(shū)架踱去,忽然背后唰啦啦一陣響聲。

他猛一回頭,哎呀!原來(lái)剛才未關(guān)窗戶,一陣夜風(fēng)吹起窗幔,把竹籌擺起的許多算式掃得七零八落,拋撒一地。這式子剛擺完還沒(méi)有來(lái)得及驗(yàn)算,也未抄下得數(shù),要知每算一遍就要進(jìn)行十一次加減乘除和開(kāi)方,多么繁重的勞動(dòng)?。?/p>

祖沖之一下?lián)湓诘厣?,用還滲著血的十指捧起一掬算籌,對(duì)著沉寂的夜空,低聲喊道:“老天?。∧阋埠痛鞣ㄅd一樣,如此欺人。”他一甩衣袖,索性將桌上的殘式全部拂去,又重新擺布起來(lái)。

就這樣不知又過(guò)了多少天,只知花開(kāi)花落,月缺月圓,父子倆把地上那個(gè)大圓直割到兩萬(wàn)四千五百七十六份,這時(shí)的圓周率已經(jīng)精確到了3.14159261。祖沖之知道這樣不斷割下去,內(nèi)接多邊形的周長(zhǎng)還會(huì)增加,更接近于圓周率,但這已到了小數(shù)點(diǎn)后第八位,再增加也不會(huì)超過(guò)0.00000001丈,所以圓周率必然是3.1415926<>

當(dāng)時(shí)祖沖之就把圓周率定在這“上下二限”之間。這上下限的提法確是祖沖之首創(chuàng),他得出的圓周率精確值在當(dāng)時(shí)世界上已遙遙領(lǐng)先,直到一千年后才有阿拉伯?dāng)?shù)學(xué)家阿爾·卡西的計(jì)算超過(guò)了他,所以國(guó)際上曾提議將圓周率命名為“祖率”。

補(bǔ)充糾錯(cuò)