正文 第一章:數學巨匠的故事(1 / 3)

鳧雁問題與割圓術

三國時,魏元帝景元四年(263年)秋末冬初的一天,劉徽仍在書房裏緊張地籌算。窗外,忽然傳來大雁的鳴叫聲,他立起身,走到窗口,看見一行大雁正排成“人”字,向南方飛去。正是雁南飛的時節,劉徽剛巧正在運算一個“鳧雁問題”。

這是《九章算術》中的一個問題:一隻野鴨從南海飛到北海要用7天的時間,一隻大雁從北海飛到南海要用9天,問:若它們同時從兩地起飛,幾天後相遇?在《九章算術》中采取這樣的一種算法:把野鴨和大雁所需的飛行天數相加作為除數,把飛行的天數相乘作為被除數,兩數相除的結果即是相遇的天數。算式是:

7×97+9=6316=31516在《九章算術》中隻說明了解題的方法,沒有說明這樣做的原因。劉徽所做的就是解釋這種解題方法的工作。為求野鴨與大雁相遇的天數,就應求它們能共同飛完全程的天數(最小公倍數),即將野鴨的7天乘以大雁的9天,得出63天的數字。這就是說,在63天中野鴨可全程飛完9次,大雁可全程飛完7次。

如果野鴨和大雁一起飛行這段時間,就一共飛行了7+9次即16次,或者說它們可以相遇16次,這樣野鴨和大雁合作全程飛行一次,就隻需要6316=31516天。按照題意列出算圖:

(天數次數)(97大雁1次野鴨1次)→637639合作→(637+9)“鳧雁問題”是《九章算術》中“均輸”章裏的一個問題。

劉徽是用比例算法來運算的,這說明魏晉時的數學家們認識到:

“比”是數量之間的聯係,“分數”是一種數,“除法”是一種運算方法。

《九章算術》是我國古代最早的數學著作之一,它可能是經過許多人增補刪訂而成的。全書共收集了246個數學問題與解法,並分為“方田”、“粟米”、“衰分”、“少廣”、“商功”、“均輸”、“盈不足”、“方程”、及“勾股”等九章。劉徽見到的《九章算術》存在一些遺殘,也有一些刪補痕跡。於是,他就決心給《九章算術》作注,對其中的問題作詳盡的講解。

劉徽的工作很有價值,並有不少創見:

如在注釋第四章“少廣”時,有幾道問題是由已知的麵積和體積反求一邊之長,這種問題講的是開平方或開立方的方法。運算中,劉徽認為開方開到個位還開不盡,就應當繼續往下開,求其“微數”。這“微數”就是現代數學中的小數,它是我國古代數學研究中對十進位製的成功運用,並采用十進位製分數的方式來標示小數。其微數第一位數以10為分母,第二位數以100為分母,第三位數以1000為分母。如3.1416,劉徽就把它寫成:

3110410011000610000這雖然不是現代小數的標準寫法,但卻也是一種小數的準確表述,比1585年比利時數學家斯蒂文發明的小數概念和記述法要早1300多年。

又如《九章算術》第一章“方田”,在計算圓形田畝的麵積時,采用了傳統的“周三徑一”的說法,將“圓周率”定為3。

劉徽認為,這個數字誤差太大,在注釋時,他創造出一種當時最新最科學的計算圓周率的方法:“割圓術”。他說:“割之彌細,所失彌少。割之又割,以至於不可割,則與圓合體而無所失矣。”

這話的意思是:在圓內作圓內接正多邊形,從正12邊形、正24邊形、正48邊形、正96邊形……邊數越多越接近於圓的周長。