圆周率是怎样算出来的?

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  祖冲之在为古代数学名著《九章算术》作注时,接触到圆周率问题,便被困扰得坐卧不安。他住所雪白的粉墙上,被画了一个大大的圆圈,地上也是大圈套小圈,桌上到处是纷乱的稿纸。他背着手在房间里踱来踱去,一会儿好像自己走进了墙上那个大圆圈中,一会儿又好像桌上那一堆圆圈一齐涌进自己的脑子里,如一团乱麻。唉,这周径之比是如何得出来的呢?他又回到桌前抽出刘徽注的那本《九章算术》,坐下来边读边想。
  这时屋里还有一个十三四岁的男孩,他是祖冲之的儿子,叫祖暅。别看他小小年纪,却天资聪颖,戏耍之余常爱在父亲身边推算那些数字和图形。今天他看到地上这许多圆圈,感到很新鲜,便单腿在圈里跳起来。突然听到父亲拍案喊道:“有了!”祖暅被吓了一跳,忙跑过去拉着父亲的衣袖问道:“什么有了?”“办法有了。暅儿,你看刘徽这里不是明明写着割圆术吗?只要将一个圆不断地割下去,内接上正多边形,求出多边形的周长,不就有了圆周率了吗?暅儿,你会吗?”
  “我会,用爸爸教过的勾股定理一一去求就是了。”
  “道理简单,算起来可就费劲了。从今天起,咱爷儿俩就来办这件事,你可要十分仔细啊。”
  说完,祖冲之到院里搬来几根大竹子,操起一把刀将它们破成细条,又将它们一一斩成短截,整整干了两天,地上堆起了一座竹棍的小山。现在听起来奇怪,搞计算怎么先干起竹木活来了?原来,当时既没有阿拉伯数字可以笔算,也没有算盘可以珠算,运算全靠一种叫算筹的原始工具。它是用竹木削成的一根根小棍,用来拼摆成各種数字。数字纵横两式,个位、百位、万位用纵式,十位、千位用横式。一切加、减、乘、除全靠用这些木棍在桌上摆来摆去。今天遇到这么大的算题,平时的那些算筹哪里够用?
  祖冲之将这一切准备停当之后,便在地上画了一个直径为一丈的大圆,将圆割成六等分,然后再依次内接一个12边形、24边形、48边形……他都按勾股定理用算筹摆出乘方、开方等式,一一求出多边形的边长和周长。你想这祖冲之何等聪明,他知道圆周率是周长与直径之比,所以就把直径定为一丈,这样就省掉再除一次的程序,不断求出多边形的周长,也就不断逼近圆周率了。祖暅也在那个大圆圈里跳进跳出地帮他拿算筹、记数字。就这样,祖冲之直算得月落乌啼,直算得鸡鸣日升。那竹棍摆成的算式从桌上延到地下,他又满地转着圈子,最后一屋子上下全都是些竹码子。这批算筹又都是些新破的竹子,还没有来得及打磨,祖冲之用手捏着,想着、摆着,不消几日,指头渐渐都被磨破,那绿白相间的新竹竟染上了红红的血印。
  他们父子这样不分昼夜地割拱算商。这天,他们割到第96份,真是如攀险峰,愈登愈难。当年刘徽就是到此却步,而将得到的3.14定为最佳数据。夜静更深,小祖暅早已眼皮沉重,东倒西歪地想睡了。祖冲之想,这些日子也实在辛苦了这孩子,便忙打发他去睡觉。他推开窗户,深吸了几口这建康城里夜深时分甜甜的空气,看了一回星空,又转过身来看看地上那个大圆。那内接的96边形,与圆都快接近于重合了。按说能算到这一步已经实在不易,用这个数字再去为《九章算术》作注,也就完全可以了。
  忽然,一阵夜风吹起窗幔,把竹筹摆起的许多算式扫得七零八落,抛洒一地。要知每算一遍就要进行十一次加减乘除和开方,多么繁重的劳动啊!父子俩只好又重新摆布,不知过了多少天,终于把地上那个大圆直割到24576份,这时的圆周率已经精确到3.14159261。祖冲之知道这样不断割下去,内接多边形的周长还会增加,更接近于圆周,但这已到了小数点后第八位,再增加也不会超过0.00000001丈,所以圆周率必然是3.1415926<π<3.1415927。当时祖冲之就把圆周率定在“上下二限”之间。这上下限的提法确是祖冲之首创,他得出的圆周率精确值在当时世界上已遥遥领先,直到一千年后才有阿拉伯数学家阿尔卡西的计算超过了他。所以国际上曾提议将圆周率命名为“祖率”。
  (选自2018年第8期《大众科学》,本刊有改动)
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