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1.祖沖之和圓周率

祖沖之不但精通天文、歷法,他在數學方面的貢獻,特別對“圓周率”研究的傑出成就,更是超越前代,在世界數學史上放射著異彩。

我們都知道圓周率就是圓的周長和同壹圓的直徑的比,這個比值是壹個常數,現在通用希臘字母“π”來表示。圓周率是壹個永遠除不盡的無窮小數,它不能用分數、有限小數或循環小數完全準確地表示出來。由於現代數學的進步,已計算出了小數點後兩千多位數字的圓周率。

圓周率的應用很廣泛。尤其是在天文、歷法方面,凡牽涉到圓的壹切問題,都要使用圓周率來推算。我國古代勞動人民在生產實踐中求得的最早的圓周率值是“ 3”,這當然很不精密,但壹直被沿用到西漢。後來,隨著天文、數學等科學的發展,研究圓周率的人越來越多了。西漢末年的劉歆首先拋棄“3”這個不精確的圓周率值,他曾經采用過的圓周率是3.547。東漢的張衡也算出圓周率為**=3.1622。這些數值比起π=3當然有了很大的進步,但是還遠遠不夠精密。到了三國末年,數學家劉徽創造了用割圓術來求圓周率的方法,圓周率的研究才獲得了重大的進展。

用割圓術來求圓周率的方法,大致是這樣:先作壹個圓,再在圓內作壹內接正六邊形。假設這圓的直徑是2,那末半徑就等於1。內接正六邊形的壹邊壹定等於半徑,所以也等於1;它的周長就等於6。如果把內接正六邊形的周長6當作圓的周長,用直徑2去除,得到周長與直徑的比π=6/2=3,這就是古代π=3的數值。但是這個數值是不正確的,我們可以清楚地看出內接正六邊形的周長遠遠小於圓周的周長。

如果我們把內接正六邊形的邊數加倍,改為內接正十二邊形,再用適當方法求出它的周長,那麽我們就可以看出,這個周長比內按正六邊形的周長更接近圓的周長,這個內接正十二邊形的面積也更接近圓面積。從這裏就可以得到這樣壹個結論:圓內所做的內接正多邊形的邊數越多,它各邊相加的總長度(周長)和圓周周長之間的差額就越小。從理論上來講,如果內接正多邊形的邊數增加到無限多時,那時正多邊形的周界就會同圓周密切重合在壹起,從此計算出來的內接無限正多邊形的面積,也就和圓面積相等了。不過事實上,我們不可能把內接正多邊形的邊數增加到無限多,而使這無限正多邊形的周界同圓周重合。只能有限度地增加內接正多邊形的邊數,使它的周界和圓周接近重合。所以用增加圓的內接正多邊形邊數的辦法求圓周率,得數永遠稍小於π的真實數值。劉徽就是根據這個道理,從圓內接正六邊形開始,逐次加倍地增加邊數,壹直計算到內接正九十六邊形為止,求得了圓周率是3.141O24。把這個數化為分數,就是157/50

劉徽所求得的圓周率,後來被稱為“徽率”。他這種計算方法,實際上已具備了近代數學中的極限概念。這是我國古代關於圓周率的研究的壹個光輝成就。

祖沖之在推求圓周率方面又獲得了超越前人的重大成就。根據《隋書·律歷誌》的記載,祖沖之把壹丈化為壹億忽,以此為直徑求圓周率。他計算的結果***得到兩個數:壹個是盈數(即過剩的近似值),為3.1415927;壹個是朒數(即不足的近似值),為3.1415926。圓周率真值正好在盈朒 兩數之間。《隋書》只有這樣簡單的記載,沒有具體說明他是用什麽方法計算出來的。不過從當時的數學水平來看,除劉徽的割圓術外,還沒有更好的方法。祖沖之很可能就是采用了這種方法。因為采用劉徽的方法,把圓的內接正多邊形的邊數增多到24576邊時,便恰好可以得出祖沖之所求得的結果。

盈朒 兩數可以列成不等式,如:3.1415926(*)<π(真實的圓周率)<3.1415927(盈),這表明圓周率應在盈朒 兩數之間。按照當時計算都用分數的習慣,祖沖之還采用了兩個分數值的圓周率。壹個是355/119(約等於3.1415927),這壹個數比較精密,所以祖沖之稱它為“密率”。另壹個是了(約等於3.14),這壹個數比較粗疏,所以祖沖之稱它為“約率”。在歐洲,直到1573年才由德國數學家渥脫求出了355/119這個數值。因此,日本數學家三上義夫曾建議把355/119這個圓周率數值稱為“祖率”,來紀念這位中國的大數學家。

2.牛頓和微積分

大多數現代歷史學家都相信,牛頓與萊布尼茨獨立發展出了微積分學,並為之創造了各自獨特的符號。根據牛頓周圍的人所述,牛頓要比萊布尼茨早幾年得出他的方法,但在1693年以前他幾乎沒有發表任何內容,並直至1704年他才給出了其完整的敘述。其間,萊布尼茨已在1684年發表了他的方法的完整敘述。此外,萊布尼茨的符號和“微分法”被歐洲大陸全面地采用,在大約1820年以後,英國也采用了該方法。萊布尼茨的筆記本記錄了他的思想從初期到成熟的發展過程,而在牛頓已知的記錄中只發現了他最終的結果。牛頓聲稱他壹直不願公布他的微積分學,是因為他怕被人們嘲笑。牛頓與瑞士數學家尼古拉·法蒂奧·丟勒(Nicolas Fatio de Duillier)的聯系十分密切,後者壹開始便被牛頓的引力定律所吸引。 1691年,丟勒打算編寫壹個新版本的牛頓《自然哲學的數學原理》,但從未完成它。壹些研究牛頓的傳記作者認為他們之間的關系可能存在愛情的成分。 不過,在1694年這兩個人之間的關系冷卻了下來。在那個時候,丟勒還與萊布尼茨交換了幾封信件。

在1699年初,皇家學會(牛頓也是其中的壹員)的其他成員們指控萊布尼茨剽竊了牛頓的成果,爭論在1711年全面爆發了。牛頓所在的英國皇家學會宣布,壹項調查表明了牛頓才是真正的發現者,而萊布尼茨被斥為騙子。但在後來,發現該調查評論萊布尼茨的結語是由牛頓本人書寫,因此該調查遭到了質疑。這導致了激烈的牛頓與萊布尼茨的微積分學論戰,並破壞了牛頓與萊布尼茨的生活,直到後者在1716年逝世。這場爭論在英國和歐洲大陸的數學家間劃出了壹道鴻溝,並可能阻礙了英國數學至少壹個世紀的發展。

3.歐幾裏德與《幾何原本》

關於他的生平,現在知道的很少。早年大概就學於雅典,深知柏拉圖的學說。公元前300年左右,在托勒密王(公元前364~前283)的邀請下,來到亞歷山大,長期在那裏工作。他是壹位溫良敦厚的教育家,對有誌數學之士,總是循循善誘。但反對不肯刻苦鉆研、投機取巧的作風,也反對狹隘實用觀點。據普羅克洛斯(約410~485)記載,托勒密王曾經問歐幾裏得,除了他的《幾何原本》之外,還有沒有其他學習幾何的捷徑。歐幾裏得回答說: “幾何無王者之路。”意思是, 在幾何裏,沒有專為國王鋪設的大道。 這句話後來成為傳誦千古的學習箴言。斯托貝烏斯(約 500)記述了另壹則故事,說壹個學生才開始學第壹個命題,就問歐幾裏得學了幾何學之後將得到些什麽。歐幾裏得說:給他三個錢幣,因為他想在學習中獲取實利。

歐幾裏得生於雅典,是柏拉圖的學生。他的科學活動主要是在亞歷山大進行的,在這裏,他建立了以他為首的數學學派。

歐幾裏得,以他的主要著作《幾何原本》而著稱於世,他的工作重大意義在於把前人的數學成果加以系統的整理和總結,以嚴密的演繹邏輯,把建立在壹些公理之上的初等幾何學知識構成為壹個嚴整的體系。

歐幾裏得建立起來的幾何學體系之嚴謹和完整,就連20世紀最傑出的大科學家愛因斯坦也不能對他不另眼相看。

愛因斯坦說:“壹個人當他最初接觸歐幾裏得幾何學時,如果不曾為它的明晰性和可靠性所感動,那麽他是不會成為壹個科學家的。”

《幾何原本》中的數學內容也許沒有多少為他所創,但是關於公理的選擇,定理的排列以及壹些嚴密的證明無疑是他的功勞,在這方面,他的工作出色無比。

歐幾裏得的《幾何原本》***有13篇,首先給出的是定義和公理。比如他首先定義了點、線、面的概念。

他整理的5條公理其中包括:

1.從壹點到另壹任意點作直線是可能的;

2.所有的直角都相等;

3.a=b,b=c,則a=c;

4.若a=b則a+c=b+c等等。

這裏面還有壹條公理是歐幾裏得自己提出的,即:整體大於部分。

雖然這條公理不像別的公理那麽壹望便知,不那麽容易為人接受,但這是歐氏幾何中必須的,必不可少的。他能提出來,這恰恰顯示了他的天才。

《幾何原本》第1~4篇主要講多邊形和圓的基本性質,像全等多邊形的定理,平行線定理,勾股弦定理等。

第2篇講幾何代數,用幾何線段來代替數,這就解決了希臘人不承認無理數的矛盾,因為有些無理數可以用作圖的方法,來把它們表示出來。

第3篇討論圓的性質,如弦、切線、割線,圓心角等。

第4篇討論圓的內接和外接圖形。

第5篇是比例論。這壹篇對以後數學發展史有重大關系。

第6篇講的是相似形。其中有壹個命題是:直角三角形斜邊上的矩形,其面積等於兩直角邊上的兩個與這相似的矩形面積之和。讀者不妨壹試。

第7、8、9篇是數論,即講述整數和整數之比的性質。

第10篇是對無理數進行分類。

第11~13篇講的是立體幾何。

全部13篇***包含有467個命題。《幾何原本》的出現說明人類在幾何學方面已經達到了科學狀態,在經驗和直覺的基礎上建立了科學的、邏輯的理論。

歐幾裏得,這位亞歷山大大學的數學教授,已經把大地和蒼天轉化為壹幅由錯綜復雜的圖形所構成的龐大圖案。

他又運用他的驚人才智,指揮靈巧的手指將這個圖案拆開,分成為簡單的組成部分:點、線、角、平面、立體——把壹幅無邊無垠的圖,譯成初等數學的有限語言。

盡管歐幾裏得簡化了他的幾何學,但他堅持對幾何學的原則進行透徹的研究,以便他的學生們能充分理解它。

據說,亞歷山大國王多祿米曾師從歐幾裏得學習幾何,有壹次對於歐幾裏得壹遍又壹遍地解釋他的原理表示不耐煩。

國王問道:“有沒有比妳的方法簡捷壹些的學習幾何學的途徑?”

歐幾裏得答道:“陛下,鄉下有兩種道路,壹條是供老百姓走的難走的小路,壹條是供皇家走的坦途。但是在幾何學裏,大家只能走同壹條路。走向學問,是沒有什麽皇家大道的,請陛下明白。”

歐幾裏得的這番話後來推廣為“求知無坦途”,成為傳誦千古的箴言。

關於歐幾裏得的壹生的細節,由於資料缺乏,我們知道得很少。有壹個故事說的是歐幾裏得和妻子吵架,妻子很為惱火。

妻子說:“收起妳的亂七八糟的兒何圖形,它難道為妳帶來了面包和牛肉。”

歐幾裏得天生是個憨脾氣,只是笑了笑,說道:“婦人之見,妳知道嗎?我現在所寫的,到後世將價值連城!”

妻子嘲笑道:“難道讓我們來世再結合在壹起嗎?妳這書呆子。”

歐幾裏得剛要分辯,只見妻子拿起他寫的《幾何原本》的壹部分投入火爐中。歐幾裏得連忙來搶,可是已經來不及了。

據說妻子燒掉的是《幾何原本》中最後最精彩的壹章。但這個遺憾是無法彌補的,她燒的不僅僅是壹些有用的書,她燒的是歐幾裏得血汗和智慧的結晶。

如果上面這個故事是真的,那麽他妻子的那場震怒可能並不是歐幾裏得引起來的。因為古代的作家們告訴我們,他是壹個“溫和慈祥的老頭。”

由於歐幾裏得知識的淵博,他的學生們簡直把他當作偶像來崇拜。歐幾裏得在教授學生時,像壹個真正的父親那樣引導他們,關心他們。

然而有時,他也用辛辣的諷刺來鞭撻學生中比較傲慢的,使他們馴服。有壹個學生在學習了第壹定理之後,便問道:“學習幾何,究竟會有什麽好處?”

於是,歐幾裏得轉身吩咐傭人說:“格魯米阿,拿三個錢幣給這位先生,因為他想在學習中獲得實利。”

歐幾裏得主張學習必須循序漸進、刻苦鉆研,不贊成投機取巧的作風,更反對狹隘的實用觀念。後來者帕波斯就特別贊賞他這謙遜的品德。

像古希臘的大多數學者壹樣,歐幾裏德對於他的科學研究的“實際”價值是不大在乎的。他喜愛為研究而研究。

他羞怯謙恭,與世無爭,平靜地生活在自己的家裏。在那個到處充滿勾心鬥角的世界裏,對於人們吵吵鬧鬧所作出的俗不可耐的表演,則聽之任之。

他說:“這些浮光掠影的東西終究會過去,但是,星羅棋布的天體圖案,卻是永恒地巋然不動。”

歐幾裏得除了寫作重要幾何學巨著《幾何原本》外,還著有《數據》、《圖形分割》、《論數學的偽結論》、《光學》、《反射光學之書》等著作。

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