祖沖之有哪些成就他為什麼能取得這些成就

2021-05-11 15:58:17 字數 4663 閱讀 6271

1樓:卡丁之神

他「按練古今,博採沈臭」的治學方法和精神.堅韌不拔的毅力與不怕吃苦的精神,嚴謹的治學態度

【天文曆法方面貢獻】

祖沖之在天文曆法方面的成就,大都包含在他所編制的《大明曆》及為大明曆所寫的駁議中。

在祖沖之之前,人們使用的歷法是天文學家何承天編制的《元嘉歷》。祖沖之經過多年的觀測和推算,發現《元嘉歷》存在很大的差誤。於是祖沖之著手製定新的歷法,宋孝武帝大明六年(公元462年)他編製成了《大明曆》。

大明曆在祖沖之生前始終沒能採用,直到梁武帝天監九年(公元510年)才正式頒佈施行。《大明曆》的主要成就如下:

區分了迴歸年和恆星年,首次把歲差引進曆法,測得歲差為45年11月差一度(今測約為70.7年差一度)。歲差的引入是中國曆法史上的重大進步。

定一個迴歸年為365.24281481日(今測為365.24219878日),直到南宋寧宗慶元五年(公元2023年)楊忠輔制統天曆以前,它一直是最精確的資料。

採用391年置144閏的新閏周,比以往曆法採用的19年置7閏的閏周更加精密。

定交點月日數為27.21223日(今測為27.21222日)。

交點月日數的精確測得使得準確的日月食預報成為可能,祖沖之曾用大明曆推算了從元嘉十三年(公元436年)到大明三年(公元459年),23年間發生的4次月食時間,結果與實際完全符合。

得出木星每84年超辰一次的結論,即定木星公轉週期為11.858年(今測為11.862年)。

給出了更精確的五星會合周期,其中水星和木星的會合周期也接近現代的數值。

提出了用圭表測量正午太陽影長以定冬至時刻的方法。

為紀念這位偉大的古代科學家,人們將月球背面的一座環形山命名為祖沖之環形山,將小行星1888命名為祖沖之小行星。

【圓周率】

求算圓周率的值是數學中一個非常重要也是非常困難的研究課題。中國古代許多數學家都致力於圓周率的計算,而公元5世紀祖沖之所取得的成就可以說是圓周率計算的一個躍進。祖沖之經過刻苦鑽研,繼承和發展了前輩科學家的優秀成果。

他對於圓周率的研究,就是他對於我國乃至世界的一個突出貢獻。祖沖之對圓周率數值的精確推算值,用他的名字被命名為「祖沖之圓周率」,簡稱「祖率」。

什麼是圓周率呢?圓有它的圓周和圓心,從圓周任意一點到圓心的距離稱為半徑,半徑加倍就是直徑。直徑是一條經過圓心的線段,圓周是一條弧線,弧線是直線的多少倍,在數學上叫做圓周率。

簡單說,圓周率就是圓的周長與它直徑之間的比,它是一個常數,用希臘字母「π」來表示,為算式355÷113所得。在天文曆法方面和生產實踐當中,凡是牽涉到圓的一切問題,都要使用圓周率來推算。

如何正確地推求圓周率的數值,是世界數學史上的一個重要課題。我國古代數學家們對這個問題十分重視,研究也很早。在《周髀算經》和《九章算術》中就提出徑一週三的古率,定圓周率為三,即圓周長是直徑長的三倍。

此後,經過歷代數學家的相繼探索,推算出的圓周率數值日益精確。西漢末年劉歆在為王莽設計製作圓形銅斛(一種量器)的過程中,發現直徑為

一、圓周為三的古率過於粗略,經過進一步的推算,求得圓周率的數值為3.1547。東漢著名科學家張衡推算出的圓周率值為3.

162。三國時,數學家王蕃推算出的圓周率數值為3.155。

魏晉之際的著名數學家劉徽在為《九章算術》作注時創立了新的推算圓周率的方法——割圓術。他設圓的半徑為1,把圓周六等分,作圓的內接正六邊形,用勾股定理求出這個內接正六邊形的周長;然後依次作內接十二邊形,二十四邊形……,至圓內接一百九十二邊形時,得出它的邊長和為6.282048,而圓內接正多邊形的邊數越多,它的邊長就越接近圓的實際周長,所以此時圓周率的值為邊長除以2,其近似值為3.

14;並且說明這個數值比圓周率實際數值要小一些。在割圓術中,劉徽已經認識到了現代數學中的極限概念。他所創立的割圓術,是探求圓周率數值的過程中的重大突破。

後人為紀念劉徽的這一功績,把他求得的圓周率數值稱為「徽率」或稱「徽術」。

劉徽以後,探求圓周率有成就的學者,先後有南朝時代的何承天,皮延宗等人。何承天求得的圓周率數值為3.1428;皮延宗求出圓周率值為22/7≈3.

14。以上的科學家都為圓周率的研究推算做出了很大貢獻,可是和祖沖之的圓周率比較起來,就遜色多了。

祖沖之認為自秦漢以至魏晉的數百年中研究圓周率成績最大的學者是劉徽,但並未達到精確的程度,於是他進一步精益鑽研,去探求更精確的數值。它研究和計算的結果,證明圓周率應該在3.1415926和3.

1415927之間。他成為世界上第一個把圓周率的準確數值計算到小數點以後七位數字的人。直到一千年後,這個記錄才被阿拉伯數學家阿爾·卡西和法國數學家維葉特所打破。

祖沖之提出的「密率」,也是直到一千年以後,才由德國 稱之為「安託尼茲率」,還有別有用心的人說祖沖之圓周率是在明朝末年西方數學傳入中國後偽造的。這是有意的捏造。記載祖沖之對圓周率研究情況的古籍是成書於唐代的史書《隋書》,而現傳的《隋書》有元朝大德丙午年(公元2023年)的刊本,其中就有和其他現傳版本一樣的關於祖沖之圓周率的記載,事在明朝末年前三百餘年。

而且還有不少明朝之前的數學家在自己的著作中引用過祖沖之的圓周率,這些事實都證明了祖沖之在圓周率研究方面卓越的成就。

那麼,祖沖之是如何取得這樣重大的科學成就呢?可以肯定,他的成就是建立在前人研究的基礎之上的。從當時的數學水平來看,祖沖之很可能是繼承了劉徽所創立和首先使用的割圓術,並且加以發展,因此獲得了超越前人的重大成就。

在前面,我們提到割圓術時已經知道了這樣的結論:圓內接正n邊形的邊數越多,各邊長的總和就越接近圓周的實際長度。但因為它是內接的,又不可能把邊數增加到無限多,所以邊長總和永遠小於圓周。

祖沖之按照劉徽的割圓術之法,設了一個直徑為一丈的圓,在圓內切割計算。當他切割到圓的內接一百九十二邊形時,得到了「徽率」的數值。但他沒有滿足,繼續切割,作了三百八十四邊形、七百六十八邊形……一直切割到二萬四千五百七十六邊形,依次求出每個內接正多邊形的邊長。

最後求得直徑為一丈的圓,它的圓周長度在三丈一尺四寸一分五釐九毫二秒七忽到三丈一尺四寸一分五釐九毫二秒六忽之間,上面的那些長度單位我們現在已不再通用,但換句話說:如果圓的直徑為1,那麼圓周小於3.1415927、大大不到千萬分之一,它們的提出,大大方便了計算和實際應用。

要作出這樣精密的計算,是一項極為細緻而艱鉅的腦力勞動。我們知道,在祖沖之那個時代,算盤還未出現,人們普遍使用的計算工具叫算籌,它是一根根幾寸長的方形或扁形的小棍子,有竹、木、鐵、玉等各種材料製成。通過對算籌的不同擺法,來表示各種數目,叫做籌演算法。

如果計算數字的位數越多,所需要擺放的面積就越大。用算籌來計算不象用筆,筆算可以留在紙上,而籌算每計算完一次就得重新擺動以進行新的計算;只能用筆記下計算結果,而無法得到較為直觀的圖形與算式。因此只要一有差錯,比如算籌被碰偏了或者計算中出現了錯誤,就只能從頭開始。

要求得祖沖之圓周率的數值,就需要對九位有效數字的小數進行加、減、乘、除和開方運算等十多個步驟的計算,而每個步驟都要反覆進行十幾次,開方運算有50次,最後計算出的數字達到小數點後十

六、七位。今天,即使用算盤和紙筆來完成這些計算,也不是一件輕而易舉的事。讓我們想一想,在一千五百多年前的南朝時代,一位中年人在昏暗的油燈下,手中不停地算呀、記呀,還要經常地重新擺放數以萬計的算籌,這是一件多麼艱辛的事情,而且還需要日復一日地重複這種狀態,一個人要是沒有極大的毅力,是絕對完不成這項工作的。

這一光輝成就,也充分反映了我國古代數學高度發展的水平。祖沖之,不僅受到中國人民的敬仰,同時也受到世界各國科學界人士的推崇。2023年,蘇聯科學家們在研究了月球背面的**以後,用世界上一些最有貢獻的科學家的名字,來命名那上面的山谷,其中有一座環形山被命名為「祖沖之環形山」。

祖沖之在圓周率方面的研究,有著積極的現實意義,適應了當時生產實踐的需要。他親自研究過度量衡,並用最新的圓周率成果修正古代的量器容積的計算。

古代有一種量器叫做「釜」,一般的是一尺深,外形呈圓柱狀,那這種量器的容積有多大呢?要想求出這個數值,就要用到圓周率。祖沖之利用他的研究,求出了精確的數值。

他還重新計算了漢朝劉歆所造的「律嘉量」(另一種量器,與上面提到的 都是類似於現在我們所用的「升」等量器,但它們都是圓柱體。),由於劉歆所用的計算方法和圓周率數值都不夠準確,所以他所得到的容積值與實際數值有出入。祖沖之找到他的錯誤所在,利用「祖率」校正了數值。

以後,人們製造量器時就採用了祖沖之的「祖率」數值。祖沖之在前人的基礎上,經過刻苦鑽研,反覆演算,將圓周率推算至小數點後7位數,並得出了圓周率分數形式的近似值。祖沖之究竟用什麼方法得出這一結果,現在無從查考;如果設想他按劉徽的「割圓術」方法去求的話,就要計算到圓內接16000多邊形,這需要花費多少時間和付出多麼巨大的勞動啊!

據《隋書·律曆志》記載,祖沖之以一忽(一丈的一億分之一)為單位,求直徑為一丈的圓的周長,求得盈數為3.1415927、肭數為3.1415926,圓周率的真值介於盈肭兩數之間。

《隋書》沒有具體說明祖沖之是用什麼方法計算出盈肭兩數的。一般認為,祖沖之採用的是劉徽的割圓術,但也有別的多種猜測。這兩個近似值準確到小數第7位,是當時世界上最先進的成就。

直到一千多年以後,15世紀阿拉伯數學家卡西和16世紀法國數學家f.韋達才得到更精確的結果。祖沖之確定了π的兩個漸近分數,約率22/7和密率355/113。

其中密率355/113(≈3.1415929)西方直到16世紀才由德國人v.奧托發現。

它是三個成對奇數113355再折兩段組成,優美、規整、易記。為了紀念祖沖之的傑出貢獻,有些外國數學史家把圓周率π的密率叫做「祖率」。

祖沖之在數學領域的成就,只是中國古代數學成就的一個方面。實際上,14世紀以前中國一直是世界上數學最為發達的國家之一。比如幾何中的勾股定理,在中國早期的數學專著《周髀算經》(大約於公元前2世紀成書)中即有論述;成書於公元1世紀的另一本重要的數學專著《九章算術》,在世界數學史上最早提出負數概念及正負數加減法法則;13世紀時,中國就已經有了十次方程的解法,而直到16世紀,歐洲才提出三次方程的解法。

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