大师的足迹:从泰勒斯到桑格(公元前624—公元2013年)
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40 刘徽(公元225—295年)

知道刘徽的人不多,但听说过《九章算术注》的人不少。

刘徽,山东邹平人,魏晋时期伟大的数学家,中国古典数学理论的奠基者之一,是中国数学史上最伟大的数学家之一。他的杰作《九章算术注》和《海岛算经》,是中国最宝贵的数学遗产。刘徽思维敏捷,方法灵活,既提倡推理又主张直观。他是中国最早主张用逻辑推理的方式来论证数学命题的人。

《九章算术》是中国古代第一部数学专著,是“算经十书”(1)中最重要的一本,成于公元一世纪左右。该书内容十分丰富,总结了战国、秦、汉时期的数学成就。同时,在数学上还有其独到的成就,不仅最早提到分数问题,也首先记录了盈不足等问题,“方程”章还在世界数学史上首次阐述了负数及其加减运算法则。它是一本综合性的历史著作,是当时世界上最简练有效的应用数学书,它的出现标志着中国古代数学形成了完整的体系。

《九章算术》的作者已不可考。一般认为它是经历代各家的增补修订而逐渐成为现今定本的,西汉的张苍、耿寿昌曾经做过增补和整理,其时大体已成定本。最后成书最迟在东汉前期,现今流传的大多是在公元263年(魏景元四年),刘徽为《九章算术》所作的注本。

《九章算术注》中所蕴涵的科学思想可谓极其深邃,逻辑思想、重验思想、极限思想、求理思想、创新思想、对立统一思想和言意思想等均是其科学思想的真实体现。刘徽集各家优秀思想方法,并加以创新而用于数学研究,使以《九章算术》为代表的中国传统数学发生了根本性的变化,并上升到了一个新的阶段,他是遥遥领先于中国传统数学领域的杰出代表,也堪称世界数学泰斗。

在《九章算术注》中,提出用割圆术计算圆周率的方法,计算出正192边形的面积,得到圆周率的近似值为157/50(即3.14)。在中国,提到圆周率,首先闯入人们脑海的名字无疑是祖冲之,他已经被默认为是中国的“圆周率鼻祖”。但我国古代精确计算圆周率的数学家,应当首推魏晋时期的刘徽,他比祖冲之早入手这个问题两百多年。

刘徽注《九章算术》

在刘徽之前,人们求证圆面积公式时,是用圆内接正十二边形的面积来代替圆面积。应用出入相补原理,将圆内接正十二边形拼补成一个长方形,借用长方形的面积公式来论证《九章算术》的圆面积公式。刘徽指出,这个长方形是以圆内接正六边形周长的一半作为长,以圆半径作为高的长方形,它的面积是圆内接正十二边形的面积。这种论证“合径率一而弧周率三也”,即后来常说的“周三径一”,当然不严密。他认为,圆内接正多边形的面积与圆面积都有一个差,用有限次数的分割、拼补,是无法证明《九章算术》的圆面积公式的。因此刘徽大胆地将极限思想和无穷小分割引入数学证明。他从圆内接正六边形开始割圆,“割之弥细,所失弥少,割之又割,以至不可割,则与圆周合体,而无所失矣”。也就是说将圆内接正多边形的边数不断加倍,则它们与圆面积的差就越来越小,而当边数不能再加的时候,圆内接正多边形的面积的极限就是圆面积。刘徽考察了内接多边形的面积,也就是它的“幂”,同时提出了“差幂”的概念。“差幂”是后一次与前一次割圆的差值,可以用图中阴影部分三角形的面积来表示。刘徽指出,在用圆内接正多边形逼近圆面积的过程中,圆半径在正多边形与圆之间有一段余径。以余径乘正多边形的边长,即2倍的“差幂”,加到这个正多边形上,其面积则大于圆面积。这是圆面积的一个上界序列。刘徽认为,当圆内接正多边形与圆是合体的极限状态时,“则表无余径。表无余径,则幂不外出矣”。就是说,余径消失了,余径的长方形也就不存在了。因而,圆面积的这个上界序列的极限也是圆面积。于是内外两侧序列都趋向于同一数值,即圆面积。

通过这种方法,刘徽证明了:

这一计算结果的精度,已高于阿基米德的估算:

但刘徽并没有止步,在此基础上他又计算出正3072边形的面积,得到近似值为3927/1250(即3.1416)。

刘徽高明的逼近法

对圆周率的探索一直未停止,后来祖冲之计算出

3.1415926(朒数)<π<3.1415927(盈数)

约1500年,印度数学家发现了如下优美公式:

现在,它以欧洲最早的发现者命名,称为格里高利-莱布尼茨公式。1734年,欧拉证明了另一个关于圆周率的优美公式:

约1706年威廉姆·琼斯(William Jones,公元1675—1749年)首用希腊字母π表示圆周率,1737年欧拉也用π表示圆周率后,就一直固定下来。


(1)指汉、唐一千多年间的十部著名的数学著作,这些数学著作曾经是隋唐时代国子监算学科的教科书。十部书的名称是:《周髀算经》《九章算术》《海岛算经》《张丘建算经》《夏侯阳算经》《五经算术》《缉古算经》《缀术》《五曹算经》《孙子算经》。