数 学 篇

 

文明的标志

圆,这是最简单而又最美丽的几何图形,也是人类最早认识的几何图形。然而,在这个人们最为熟悉的几何图形中,却隐藏着一个神秘的数:圆周率π。

历史上,各国人民为了揭示π的神奇性质,都曾进行过艰苦卓绝的探索。有关л的研究成果,在一定程度上反映了一个民族的数学水平,有人甚至认为它是科学发展的里程碑。例如在日本的高中课本上,就郑重其事地写着:"π是文明的标志。"

在我国最早的几部数学著作中,凡遇到圆的计算,都采用"径一周三"的方法,即把圆的周长看作直径的3倍,相当于取π=3 。这是最粗糙的圆周率,后人称之为"古率"。

古埃及人认为,圆的周长应该是直径的3.16倍,古罗马人认为是3.12倍,而古印度人则认为是 倍……

公元前3世纪,古希腊著名数学家阿基米德,最先在科学的基础上探讨了圆周率问题。他首先在圆内画一个内接正三角形,再在圆外画一个外切正三角形,然后不断地把多边形的边数倍增,因为边数越多,正多边形的周长就越接近于圆的周长。

当他把边数增加到96时,发现圆内接正96边形的周长大于直径的 倍,圆外切正96边形的周长小于直径的 倍,由此得出π的近似值为22/7,相当于取π=3.14,在世界上最先将π值精确到了两位小数。为了纪念阿基米德的这一伟大贡献,人们也常将 3.14叫做"阿基米德数"。

3世纪时,我国数学家刘徽独立创造了"割圆术",开启了我国古代圆周率研究的新纪元。他从圆内接正6边形起,一直算到圆内接正3072边形,求得π的近似值为 3927/1250,相当于取π=3.1416 。这是当时世界上π的最佳近似值,后人称为"徽率"。

200年后,我国著名数学家祖冲之更上一层楼,从圆内接正6边形一直算到圆内接正24576边形。

要完成这样的计算,祖冲之至少需要对9位数字反复进行130次以上的各种运算,其中,仅乘方运算和开方运算就有近50次,有效数字高达18位之多。而且,任何一处计算的些许差池,都会使整个计算归于失败。祖冲之凭借坚韧顽强的意志和严谨细致的作风,出色地完成了这项艰苦卓绝的工程,他算出圆周率在3.1514926与3.1415927之间,最先将π值精确到了6位小数。

祖冲之还用两个分数来表示圆周率,一个是"约率"22/7,一个是"密率"355/133。其中,"密率"不仅便于记忆,还是分子、分母在1000以内时表示圆周率的最佳分数。德国数学家奥托才重新得到355/133这个分数形式的结果。因此,人们将355/133叫做"祖率",以纪念祖冲之为数学发展作出的卓越贡献。

1596年,德国数学家鲁道夫又创造了一个奇迹。他通过计算圆外切与圆内接正230边形,将π值精确到了15位小数,后来,他把正多边形的边数增加到262,算出π的35位小数。这一工作耗费了鲁道夫的大部分生命。鲁道夫去世后,人们为了纪念他,将这一数值铭刻在他的墓碑上,并称之为"鲁道夫数。

1767年,德国数学家兰伯特通过证明π是无理数,从理论上彻底解决了π的精确值问题。他指出π的小数部分一定是无限而又不循环的。

尽管如此,人们仍未放弃π的计算。1841年,英国的卢瑟福将π算到208位小数,其中152位是正确的;1844年,杰出计算家达瑟将π算到200位小数;9年之后,卢瑟福重新计算π值,又将π到了400位小数……

1873年,英国学者威廉·欣克采用无穷级数的方法,经过30年坚持不懈的努力,又将π算到707位小数。在电子计算机问世之前,这可算得上是一项空前的纪录。后来,人们将这一凝聚着欣克毕生心血的数值,铭刻在他的墓碑上,以颂扬他顽强的意志和坚韧不拔的毅力。

有人将欣克算得的π的前608位小数作了一次统计,发现3出现了68次,9和2出现了67次,……而7只出现了44次。各个数字出现的次数如此参差不齐,使得人们对欣克的计算结果产生怀疑。

但是,怀疑归怀疑,谁又愿意再花几十年的时间,去验证欣克的每一步计算呢?

1949年,在世界第一台电子计算机上,几个美国小伙子工作了70个小时,把π算到了2037位数。比较这个最新的计算结果,人们找到了欣克的一处错误。原来π的第528位小数是5,而欣克却错写成了4,由于他当时没有发现,以致他后面的计算全都给一笔勾销了,白白浪费了十多年的功夫。

以后,随着计算机技术的飞速发展,人们求出的圆周率也就愈加精确了。 1973年5月,两位法国女数学家利用一台7600CDC型电子计算机,把圆周率精确到了100万位小数; 1978年,两位日本专家利用一台更加先进的电子计算机,又把圆周率精确到了800万位小数。如果这些数字全都记录下来,印在书上,那么,这本书将比小学的全套数学课本还要厚;如果让一个人用笔来算,那么,算出这个数值至少需要10万年!

1984年,日本的计算机专家在超级电子计算机上工作了24个小时,又将π值算到了1000万位小数,这是当时世界上最精确的圆周率。有消息说,他们已经把π值进一步算到2.0132亿位。

当然,计算如此精确的圆周率,对计算圆的面积已没有实际的意义。在实际生活中,把π取作3.1416也就足够了。因此,有些数学家认为,这种计算纯粹是一种数学游戏;而另一些数学家则认为,可以由此研究π小数出现的规律性,更重要的是,它可以说明人类对自然的认识是无穷无尽的。

 
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