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第131讲 祖冲之是用割圆术推算的圆周率吗?

 陈之秀 2023-09-20 发布于北京

 
上中学的时候,数学老师告诉我们,我国南朝时期的数学家祖冲之利用魏晋时期的数学家刘徽在《九章算术注》中发明的割圆术(即在圆内切割出多边形,进而计算它们的面积,从而无限接近圆周率的近似值。他正确地计算出圆内接正192边形的面积,得到圆周率的近似值157/50,又计算出圆内接正3072边形的面积,得出圆周率的近似值3927/1250),推算出圆周率的值在3.1415926和3.1415927之间,并提出圆周率的约率为22/7,密率为355/113,其中密率比欧洲早了1000多年。但近日读了王翼勋先生《上元积年的源流》一书,彻底颠覆了这一认知。王先生认为,如果要用割圆术推出圆周率的数值是一件非常繁难的事情,因为它要从正六变形算起,需要算到正24576边形,并需要把同一计算过程重复进行12次,每个程序中包括加减乘除及开方等十余个步骤。为此,还需要从九位数字算起,反复进行各种运算130次以上,其中的开平方运算还会出现远远大于九位的数字。即使在今天,我们用纸笔来计算,也绝不是一件轻松的事情,更何况当时的计算都是用算筹进行的。特别是,历代《九章算术》注所记载的割圆术应用,最多只到3072边形,从未割到24576边形。因此,梅荣照先生提出,祖冲之可能是利用调日法、连分数法、求一法和外切法算出的圆周率的约率和密率。
所谓调日法,是指南朝宋时的天文学家何承天用以调节朔望月长度的一种方法,他利用古传的连大月得出朔望月弱率为299/17日,又根据太初历的朔望月长度2943/81,与弱率的分子、分母数分别相加,得出强率26/49。而祖冲之可利用刘徽的近似值157/50和他自己计算出的约率22/7,分子、分母与22/79倍分别相加,得到355/113;还可以圆周率的古率3/1(即“径一周三”)的分子、分母与22/716倍分别相加,得出密率355/113
连分数法是指分子与分母辗转相除得出系列比值得方法。
查有梁先生认为,约率和密率来自分数3927/1250。因为,按连分数方法计算,3927/1250的渐近分数恰为3/122/7355/113
所谓求一法,即大衍术,也就是周易筮法。钱宝琮先生认为,何承天《元嘉历》中平朔月日数中的强率可用求一术得出。已知弱率9/17小于实测数据,假定x/y大于9/17x、y均为正整数),令17x=9y+1,则此不定方程可化为一次同余式17x同余1(mod1250)用求一术即可求得y=113x=355
同样,祖冲之也可能以刘徽圆周率157/50为弱率,假定x/y大于157/50,即可求得x=22y=7
祖冲之的密率还可用求一术修正刘徽的3927/1250而得。已知3927/1250大于圆周率,假定x/y小于3927/1250,令3927y=1250x+1,化此不定方程为一次同余式177y同余1(mod1250),用求一术即可求得y=113x=355
外切法是说不定方程为一次同余式177y同余1(mod1250),用求一术即可求得y=113,再代回不定方程,求出x=355
当然,有关问题如何承天是否发明了调日法、祖冲之是否应用了调日法等,在学术界还存在争议,但总不失为一种可能性。在没有新的史料出现前,我们只能以理性和逻辑来推演。

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