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数学家传记

祖冲之Zu Chongzhi

出生
429年 中国建康(今江苏省南京)
逝世
501年 中国

祖冲之是一位中国数学家和天文学家。他引入了圆周率π的近似值355/113,精确到小数点后6位。

完整传记

祖冲之的名字有时写作祖冲之 Ch'ung 祖冲之。他来自一个著名的家族,原籍中国北方的河北省。他的曾祖父是东晋朝廷的官员,东晋朝廷建立于建康(今南京)。由于朝廷阴谋而削弱,东晋在420年的一次叛乱后被刘宋王朝取代。祖冲之的祖父和父亲都曾担任刘宋王朝的官员,刘宋王朝的朝廷也在建康(今南京)。

祖氏家族是一个极具天赋的家族,连续几代人除了担任朝廷官员外,还是对历法有特殊兴趣的天文学家。在古代中国,有一种信仰,认为皇帝从上天获得统治权。为新皇帝专门制定历法,建立了从上天到特定统治者的联系。这意味着天文学家在朝廷中扮演重要角色,因为他们的技能可以导致皇帝的成功统治。祖氏家族将他们的数学和天文技能从父亲传给儿子,事实上,这是这些技能传播的主要方式之一。

祖冲之按照家族传统,在成长过程中学习了各种技能。特别是,他从才华横溢的父亲那里学习了数学、天文学和历法科学。他从多个来源学习数学,但主要来自刘徽九章算术的注释。祖还学习了其他技能,因为他在工程方面表现出色,并且擅长文学创作,写了十部小说。祖冲之遵循家族传统为皇帝服务。他被孝武帝(在位454年至464年)任命为扬州(江苏省的一个城市)的官员,然后担任建康(今南京)军事参谋部的官员。

在此期间,祖从事数学和天文学工作。特别是,他正在研究一种新的、更准确的历法。一直使用的历法基于19年周期,年份由12个月组成,每月29或30天。在19年中有7年插入一个额外的月份,使其成为基于太阳和月亮的历法,19年中有235个月。这在412年改为基于600年周期的历法,在221年中插入一个额外的月份。这个历法对祖来说不够准确。

公元462年,祖冲之向皇帝提出了一种新历法——《大明历》,它以391年为一个周期。在这391年中有144年插入了一个额外月份,因此391年中共有4836个月。他之所以能制定出如此精确的历法,是因为他计算出回归年(连续两次春分之间的时间)的长度为365.24281481日(与真值365日5小时48分46秒仅差50秒),以及月球的交点月为27.21233日(现代值为27.21222日)。

然而,就他的历法而言,祖在朝廷有一个对手。这是戴法兴,皇帝的一位大臣,他宣称祖:-

……歪曲天理,违反经典教导。

祖回答说,他的历法:-

……不是来自神灵或鬼魂,而是来自仔细的观察和精确的数学计算。……人们必须愿意听取并审视证明,才能理解真理和事实。

尽管有像戴法兴这样强大的对手,祖冲之还是获得了孝武帝对其历法的批准,大明历原定于464年启用。然而,孝武帝在464年历法推行前去世,他的继任者被戴法兴说服,取消了新历法的推行。祖冲之在孝武帝去世后离开朝廷,全身心投入科学研究。

当然,询问数字144和391从何而来并非不合理。准确掌握年和月的长度是必要的,但祖冲之如何将其转化为391年的周期仍不清楚。在5中提出,祖冲之发现一年有365958939491365 \large\frac{9589}{39491}\normalsize天,一个月有1163213939\large\frac{116321}{3939}\normalsize天。这给出

121691772624459363261112 \large\frac{1691772624}{4593632611}\normalsize

一年中的月数。但祖冲之会知道如何通过分子分母同除以最大公约数来将分数化为最简形式。这样做得到

16917726244593632611=144391\large\frac{1691772624}{4593632611}\normalsize = \large\frac{144}{391}\normalsize

因此391年中有144年多出一个月。

在结束对祖冲之天文工作的讨论之前,我们再给出他在这一领域工作的更多细节。他并不是第一个发现岁差的中国天文学家(虞喜在四世纪就发现了),但他是第一个在历法计算中考虑到这一点的人。由于岁差,回归年比恒星年(太阳返回到相对于背景恒星的同一位置所需的时间)短约21分钟。祖冲之对年长的计算精度足以让他区分回归年和恒星年。木星绕其轨道一周约需12年,但祖冲之能给出比这精确得多的值。他发现,在7个12年的周期中,木星完成了七又十二分之一圈轨道,得出其恒星周期为11.859年(精确到四千分之一以内)。

他在其著作Zhui shu(《缀术》)中给出了有理的近似值355113\large\frac{355}{113}\normalsize,精确到小数点后6位。他还证明了

3.1415926<π<3.14159273.1415926 < \pi < 3.1415927

一个引人注目的结果,若能了解更多细节就好了。遗憾的是,祖冲之的著作已失传。据History of the Sui dynasty记载,该书由李淳风等人于7世纪编纂,其中提到(不同译本见[1]或[3]):-

祖冲之进一步设计了一种精确的方法[计算]。取直径为10,000,000丈的圆,他发现该圆的周长小于31,415,927丈,大于31,415,926丈。他从这些结果推断出圆周长的准确值必定介于这两个值之间。因此,圆周长与其直径之比的精确值为355比113,近似值为22比7。

为了将π计算到这一精度,祖必定使用了内接正24,576边形,并进行了极其冗长的计算,涉及数百次平方根运算,全部达到9位小数精度。由于他的著作已失传,我们永远无法确切知道他如何从小数近似值得到有理的近似值355113\large\frac{355}{113}\normalsize。然而,历史学家认为他知道

如果abcd\Large\frac a b\normalsize \le \Large\frac c daba+cb+d\Large\frac a b\normalsize \le \Large\frac {a+c}{b+d}

对任意整数a,b,c,da, b, c, d。他进而知道

3π2273 ≤ \pi ≤ \large\frac{22}{7}\normalsize

因此,近似地,

π=3.1415926=(3x+22y)/(x+7y)\pi = 3.1415926 = (3x + 22y)/(x + 7y)

给出y=16xy = 16x的近似值,所以

π=3x+22×16xx+7×16x=355113\pi = \Large\frac{3x + 22 \times 16x}{x + 7 \times 16x}\normalsize = \Large\frac {355}{113} \\

Martzloff在[3]或[4]中提出了另一种可能的方式,即祖可能凭运气而非数学技巧发现了355113\large\frac{355}{113}\normalsize。然而,鉴于祖的工作被认为非常困难且高深,它是由幸运的数值巧合所发现的可能性不大。

公元656年,经李淳风编辑后,Zhui shuMethod of Interpolation)成为科举考试的教材,并在1084年重印时成为数学十大经典之一。然而,Zhui shu对国子监的学生来说过于高深,因此被从教学大纲中删除。这几乎可以肯定地解释了为什么该文本未能流传下来,在十二世纪初就失传了。

在他的晚年,祖冲之与他的儿子祖暅(或祖暅)合作,后者也是一位杰出的数学家。

参考文献

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延伸资源

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