自人类发现圆周率之后,如何求出更精确的圆周率(π)成了数学史上最重要的课题之一,因为圆形对我们制造和使用的物品十分重要,从齿轮到航天飞机,π的身影无处不在。
纵观历史长河,这个令无数数学家着迷的常数,“准确”似乎与它无关,千百年来,很多人都在努力探索它的精确值。中国古代数学家对圆周率的研究非常早,数千年前的《周髀算经》和《九章算术》中就有“周三径一”的记载,即“圆的周长与直径的比值为3”。虽然祖冲之在很小的时候就从长辈和老师那里知道了这个比值,但是他不明白其中的道理,好奇心极强的他便思考检验的方法。
一天,祖冲之边想问题边坐在门前的石墩上出神。“吁——”爷爷乘坐的马车停在了门口。祖冲之脑海中突然有了主意,他跳下台阶,顾不得跟爷爷打招呼,就蹲在车轮旁忙活起来。祖冲之先在车轮与地面接触的位置做上标记,然后请车夫沿直线向前慢慢赶车,让车轮滚动一圈,待标记处再次与地面接触时停止。祖冲之按这种方法反复测量了车轮的周长,又去测量了车轮的直径。他仔仔细细地计算了很多遍,每次得到的周长和直径的比值都比3要略大一点。后来,他又测量了不同的车轮,得到的结果还是这样。从这时候起,祖冲之就断定书中记载的圆周率数据是不准确的,但那时他还没有找到推算圆周率的方法。
成年后的祖冲之在研究刘徽的著作时,掌握了“割圆术”,他一下子就明白了“周三径一”的错误所在。
圆(直径为1)内接正6边形的边长为0.5,周长为3,小于圆的周长,所以π>3。
祖冲之沿用刘徽的方法,不断加倍圆内接正多边形的边数,正12边形、正24边形、正48边形……在祖冲之生活的时代,算盘还没有出现,他和刘徽一样使用算筹进行计算,计算时产生的数位越多,摆出来的面积就越大。祖冲之与儿子祖暅之一起,开始了漫长的计算之路。当计算出正96边形的边长时,他们的结果比刘徽的结果少了五十万分之一,儿子自信地说:“我们每一步都很仔细,可能是刘徽算错了。”祖冲之摇摇头,说:“无论谁对谁错,我们都必须再验证一次,只有找到错误之处,才能有说服力。”父子俩又辛苦地忙活了十几天,发现刘徽的结果是正确的。多走的这段弯路提醒了祖冲之,计算中难免会出错,必须专心致志。
靠着冷静、精细的头脑和不畏困难、坚忍不拔的毅力,祖冲之父子没日没夜地重复进行了多次运算程序,每次程序中都包括加、减、乘、除四则运算和乘方、开方等运算。历经数载终有成,他们通过计算圆内接正24576边形的边长,推算出圆周率的值在3.1415926和3.1415927之间。为了方便计算,祖冲之用分数(密率和约率)表示圆周率的近似值。1000多年后,15世纪的阿拉伯数学家卡西才得到这一数值。为了纪念祖冲之的贡献,日本数学史家三上义夫将“密率”称为“祖率”。