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第2章 祖冲之及其子孙

一、祖冲之出身技术官宦之家

祖冲之祖籍河北涞源(今河北涞水县),429年生,500年谢世。先辈迁居江南。祖父祖昌任大匠卿,相当于现今的土木总工程师;其父祖朔之学识渊博,任南朝文官。祖冲之童年耳濡目染,熏陶于既重视科学技术又有浓厚的文化底蕴的书香之家,形成了既崇尚科学技术又文雅细致的思想性格,从青少年时代起,有机会随父出入华林书省。那里是国家级讲学藏书重地,祖冲之在此博览群书,思考问题,为日后的科研活动打下了基础。后来祖冲之进入仕途,任江苏镇江州刺史助理,后入朝做官(先后任公府参军和谒者仆射等职),后又提升为长水校尉,官至四品。

看起来,似祖冲之这等有数学天才的人才,亦难免于中国知识分子学而优则仕的传统顽疾,一个科学家为科学之外的俗事浪费才能,实在可惜。设想祖冲之若能如刘徽那样做一位平民数学家,或许会对人类的科学事业做出更重大的贡献。

二、祖冲之注《九章》,著《缀术》

继刘徽之后,祖冲之对《九章算术》做出了有别于刘徽的另种注解,同时自著《缀术》一书。此书是一本经典数学教科书,在唐朝使用多年,后传入日本、朝鲜等国作教材。但由于唐朝主管教育的官吏对数学科学的无知,他们根本看不懂《缀术》,事实上《缀术》是当时最佳的数学教材,朝官竟下令废止《缀术》一书。唐相魏征在其所撰的《隋书》上说:“学官莫能查其深奥,是故废而不理。”今《缀术》已失传!

三、祖冲之求得π∈(3.1415926,3.1415927)

祖冲之沿用刘徽的割圆术求得π的7个准确的有效数字,而且把π用分数近似表示成π≈227,π≈355113。

227称为疏率,355113称为密率。公元1912年,日本著名数学家三上义夫提议把π≈355113称为“祖率”,得到了各国数学家的赞同。从公元480年祖冲之得到π∈(3.1415926,3.1415927)到公元1429年,祖冲之关于π的成果在数学史上领先了900多年。1429年伊朗数学家卡西(Kashi)求得π的值准确到小数点后第16位。

关于祖冲之的求π过程,没有史料可查,史学家认为,当时除了用割圆术之外,没有别的方法。用割圆术则需对圆作内接正24576边形,进行递推计算

a2n=2-4-a2n(n≥6,a6=1)

a22n=2-4-a2n

由于24576=6×212,要递推12个“回合”,每个回合要进行一次运算,得a245762后再求a24576,一共要进行13次运算。用笔和手高精确度地进行运算可不是容易的事情。此外,还要进行多次四则运算,才能求得π的近似值π∈(3.1415926,3.1415927)。进行如此繁琐的计算,真是难能可贵。如果没有超人的事业心、极其坚强的毅力和足够的耐性,那是无法做到的。

由于祖冲之的杰出贡献,中国邮电部发行了祖冲之纪念邮票;公元1964年紫金山天文台发现的小行星命名为“祖冲之星”;前苏联把宇宙火箭发现的月球环形山命名为“祖冲之山”。我国伟大数学家祖冲之的学术成就与日月齐辉。

四、祖冲之的《大明历》和机械发明

祖冲之是中国古代著名的天文学家。在中国古代,有很多数学家都是天文学家。各朝君主皆重视历法编制,因为历法与农业季节有关,同时也与皇家迷信、祈天祭地、自愚愚民有关,天文历法的内容则必须由长于计算的数学家来完成。祖冲之编制的《大明历》是当时最为科学最为实用的历法,在中国采用80余年。祖冲之确定冬至时刻的算法一直沿用到清代。祖冲之算出一个回归年为365.24281481日,与现代的365日5时48分46秒相差无几,他的结果在世界上领先了700多年。

462年(大明六年),祖冲之把他编的新历法提交朝廷审议,遭到了在朝中得势的戴法兴的无理指责。朝中百官,慑于戴的淫威,都趋炎附势,跟着戴法兴瞎起哄,乱讲祖冲之的新历法“诬天背经”。33岁的祖冲之写了为自己辩护的《驳议》,呈送皇帝。祖冲之在《驳议》中说:“愿闻显据,以核理实;浮辞虚贬,窃非所惧。”510年,由祖冲之之子祖暅的推荐,又经实际天象的检验,证明《大明历》确实是一部科学的历法,比旧历法先进,朝廷才正式在全国颁布实行《大明历》,这已是祖冲之谢世10年之后的事了!在封建统治下的中国,为科学发展做点有意义的事可真不容易,来自政治上与思想上的阻力太大。

祖冲之继承了爷爷技术工作的机敏匠心,在机械方面有不少精巧发明,例如他制造了指南车;我国古代就有指南车的传说,但祖冲之未见其机制构造如何,后来也有人企图造指南车,皆因机件不灵而不能付诸实用,惟祖冲之的铜制指南车,“圆转不穷而司方(指南)如一!”

祖冲之后来又设计制造了日行百里的“千里船”和用水力推动的磨,他还造出一种叫做“欹器”的仪器,用来警示人们要讲“分寸”和“中庸”,不要自满或极端言行,这种仪器盛水时,“中则正,满则覆”,哲理鲜明。

五、祖暅继承父业

祖暅是5世纪至6世纪的人,中国古代杰出的数学家和天文学家。《南史》上载:“祖暅少传家业,究极精微,已有巧思。”《南史》上还讲了下面这个故事:一日祖暅边行路边思考一个数学问题,一头撞倒了大官徐勉,徐疼得大叫,祖暅才发现了题外之事,连连向徐大官人道歉;祖暅对数学痴迷的程度由此可见一斑。

祖暅对家父的《大明历》和《缀术》进行了修订与补充,且鼎力推广。504年,祖暅上书梁武帝萧衍,指出原《元嘉历》多处疏误,主张改用《大明历》,萧衍不批准。5年后,祖暅对《元嘉历》与《大明历》的短长进行公开答辩,经朝廷主管部门对观测数据的核对,证明《大明历》确实先进于《元嘉历》,萧衍颁皇榜,下令在全国实行《大明历》。

为了研究历法,祖暅在河南嵩山之巅筑天文观测站,亲自登顶观测数据,根据他不舍昼夜的观测与研究计算,著《天文录》30卷。

伴君如伴虎,513年,祖暅效力的南梁与北魏开战,当时祖暅在朝任“材官将军”(相当于总后勤部主任),魏降将王足向梁武帝献策,主张在淮河拦腰筑坝,把水势抬高,等魏军兵到,再破坝放水,以攻魏军。朝廷派祖暅前往两军争夺的要地寿阳城考察现场,并要求他写出可行性报告。祖暅经认真考察上书皇帝说此事不可行,不然会殃及百姓。可恨梁武帝不听祖暅正言,执意按王足的主张行事,结果魏军攻占寿阳(今安徽寿县)后,梁武帝下令破坝放水,魏军虽弃城退走,但大水淹没寿阳城,两岸百里一片泽国,黎民百姓死伤无数,生灵涂炭,怨声载道。梁武帝到头来反拿祖暅问罪,把祖暅关进监牢9年之久。525年,魏军攻占徐州,把祖暅从狱中劫走,魏将出于对祖暅是当时著名的数学家和天文学家之崇敬,待祖暅为座上宾。

六、祖暅巧算牟合方盖体积

图8中D'-ABCD是牟合方盖的18,以r为边长的立方体ABCD-A"B"C"D"内正四棱锥O-A"B"C"D"向右平移出去,其中O是正方形ABCD的对角线交点。用与立方体下底相距为h的平面截左右两个立体,则FGHM是正方形,FMQE与MHPN是全等矩形,又EF=r2-h2,FG=r-r2-h2,故FGHM,FMQE与MHPN三者的面积之和为

2[r2-h2(r-r2-h2)]2+(r-r2-h2)2

=2rr2-h2-2r2+2h2+r2-2rr2-h2+r2-h2

=h2

右方的正方形STWR的面积也是h2,由刘祖等幂等积定理得

D"-ABCD的体积=r3-13r3=23r3

V牟=8×23r3=163r3

再由刘徽公式

V牟V牟=4π

V球=43πr3

在现代数学中,一般是用二重积分来计算V牟的:设圆柱底半径为r,如图9所示,两直交圆柱的方程为

x2+y2=r2,x2+z2=r2

牟合方盖的18是一个曲顶柱体,其底是

D={(x,y)|0≤y≤r2-x2,0≤x≤r}

顶曲面方程是

z=r2-x2

于是

18V牟=Dr2-x2dxdy

=∫r0[∫r2-x20r2-x2dy]dx

=∫r0r2-x2yy=r2-x2y=0dx

=∫r0(r2-x2)dx

=23r3

要知道,学会上面这种二重积分运算,需要大学二年级的数学水平,与祖暅的算法相比,积分法可以说有点相形见绌。

七、祖暅文武才略双合,善算功

祖暅之子祖皓子承父业,精通天文与数学,文武双全。《南史》上称“暅之子皓,志节慷慨,有文武才略,少传家业,善算功。”可惜祖皓亦贪图仕途,曾做江都县令,后提拔为广陵太守,相当于现在的警备区司令。祖皓在一次战争中被俘,《南史》载:“城陷,皓见执,被缚射之,箭遍体,然后车裂以殉。”一位祖家的数学天才白白为皇家送了命,落了个尸骨不全的悲惨下场,实在令人惋惜!从此祖氏数学世家绵承三代而不幸中断了!