祖冲之:圆周率与祖暅原理

祖冲之将π算至小数点后七位,并与子祖暅提出等积原理(祖暅原理)。

时代
古代
文明 / 地域
中国古代

背景

祖冲之(公元 429—500 年)生活于南朝,是集数学家、天文学家于一身的学者。他继承刘徽割圆术,把圆周率精度推到前无古人的高度,相关成果载于《缀术》(已佚,赖《隋书·律历志》留存记载)。

详细描述

据《隋书》记载,祖冲之算出

3.1415926<π<3.1415927,3.1415926<\pi<3.1415927,

在世界数学史上首次将 π\pi 精确到小数点后第七位,这一纪录保持约九百年,直到 15 世纪阿拉伯数学家阿尔·卡西才被超越。他还给出两个约定分数:约率 227\frac{22}{7}密率 355113\frac{355}{113}。密率分母小于 16604 的一切分数中,没有比它更接近 π\pi 者,其简洁与精确令人惊叹,欧洲迟至 16 世纪才由奥托等人重新得到。

在立体几何上,祖冲之与其子祖暅提出祖暅原理(“幂势既同,则积不容异”):两立体若在等高处的截面积恒相等,则体积相等。据此他们正确求出球体积 V=43πr3V=\frac{4}{3}\pi r^3,弥补了刘徽留下的空缺。

历法、机械与百科成就

除数学外,祖冲之还是杰出的天文学家与工程师:

  • 《大明历》:他编制更精确的历法,首次把”岁差”引入中国历法计算,并较准确地测定交点月,遭保守势力阻挠多年,直至身后才得以施行;
  • 机械:史载他重造指南车、发明水转连碓与千里船,体现”数—器”结合的实践精神;
  • 百科:他精通音律、注释《易经》《老子》,是名副其实的通才。

其数学方法主要载于《缀术》(已佚,另有专条),圆周率与祖暅原理是其最耀眼的遗产。

求解过程 / 影响

祖冲之父子把刘徽的割圆术与极限思想推向极致,并以祖暅原理确立了等积推理,与西方卡瓦列里原理(17 世纪)不谋而合。π 的纪录与密率至今仍是计算圆周率的东方骄傲,月球与小行星均有以祖冲之命名的纪念。