我算是数学的初级爱好者,对数学史上发生的故事很感兴趣。除此之外,偶尔也会玩玩小学初中的奥数题,仅此而已,因为再难一点的题目就超出我的解题能力了,颇有点叶公好龙的意思。
在马路上开车,避免不了红灯停或者堵车的情形,这时候,看着周围车辆的车牌号,我就会独自玩玩算24点的小游戏,对算24点也有了些许的心得体会,朋友聊天也会出出小题,增加点乐趣罢了。
因此,作为集邮大家庭的一员,对邮政发行《数学之美》邮票很是欢迎。在发行之前,我还预测选题可能会包括圆周率、勾股定理、黄金分割数,能蒙对两题也算不容易,呵呵。
今年3月14日是国际数学日,中国邮政发行《数学之美》特种邮票,全套4枚。图案名称分别为圆周率、勾股定理、欧拉公式和莫比乌斯带。
《数学之美》邮票的发行对数学界来说是一件喜事。数学,是研究数量、结构、变化、空间以及信息等概念的一门学科,被视为一切科学的基础。数学作为一门基础学科,在自然科学、工程技术、信息技术、人工智能等领域具有不可替代的核心地位,既是科学研究的通用语言,也是推动社会进步和科技创新的关键工具。我国中科院专门设立有数学与系统科学研究院,地址就在北京市海淀区中关村东路55号,此处也是中国数学会的办公地(图1)。
图1
本文我只谈谈这套邮票第1枚“圆周率”。
圆周率作为广为人知的数学常数,贯穿于几何、物理等众多学科。邮票元素包含了π的本质定义,上部以极细线表现早期经典割圆法,并将圆周率小数点后996位以缩微文字的方式呈现于画面。特别通过橘色设计突出前7位,纪念我国南北朝时期数学家祖冲之。
图2
主图中间是一个圆及内切正六边形,直观表示了割圆术这一计算圆周率的方法。下面有一直角坐标系,原点处有一直径为1的小圆,将小圆周长展开,坐标系X轴上的拉丁文Pi就是小圆周长的长度,完美表示了圆周率的定义,即圆周率是指圆周长与直径的比值。
为了纪念中国古代数学家祖冲之对人类的贡献,2019年11月26日联合国教科文组织第四十届大会上正式宣布的,将每年3月14日定为国际数学日。因此这个节日也称是“π日(Pi Day)”(图2)。
2020年3月14日是人类第一个“国际数学日”,主题是“数学无处不在”。2025年是第六个国际数学日,主题是“数学、艺术与创意”。
圆周率(π)的计算历史贯穿人类文明,主要经历了古代估算、几何推演、解析方法及计算机计算四个阶段。
4000年前,古埃及和巴比伦人就知道用绳子测量出圆的周长和直径进行比较,发现无论大圆小圆,这个比例都恒定不变,大约为3∶1。
图3
第一个真正对圆周率计算产生影响的人,是公元前三世纪的希腊先哲阿基米德(图3)他将圆的内接正六边形和外切正六边形不断加倍,最后得到两个正96边形。计算出圆周和直径的比大于223/71,小于22/7。
中国古代有天圆地方的认知,对“圆”的研究早有记载。中国古算书《周髀算经》(约公元前2世纪)的中有“径一而周三”的记载,意即取π=3。
汉朝时,张衡得出π≈√10(约为3.162)。这个值不太准确,但它简单易理解。
图4、5
三国时期的数学家刘徽(图4)“割圆术”计算圆周率,他先从圆内接正六边形,逐次分割一直算到圆内接正192边形。他说:“割之弥细,所失弥少,割之又割,以至于不可割,则与圆周合体而无所失矣。”这包含了求极限的思想。刘徽给出π=3.1416的圆周率近似值。
1586年,荷兰数学家鲁道夫·科伊伦读了阿基米德的书后,便把余生献给了圆周率计算。经过20年孜孜不倦的努力,把圆周率算到小数点后35位:
1706年,威尔士数学家威廉·琼斯在他出版的《最新数学导论》中,首次引进第16个希腊字母π的小写表示圆周率。1727年和1736年,瑞士大数学家莱昂哈德·欧拉也多次在论文中使用π,作为圆周率的符号。从此π名满天下,世人皆知,成为主流数学界公认的圆周率专有名词。
英国业余数学家威廉·尚科斯用梅欣公式,于1873年4月,将π计算到707位。可惜于1944年被发现,只有前面527位是正确的,此后便“满盘皆错”了。背运的尚科斯虽然枉费了20年心血,但他终生不倦的求索,仍然不愧为人工计算π的壮举,他创下的记录也一直保持到计算机问世。
1946年,世界第一台计算机埃尼阿克在美国宾夕法尼亚大学诞生。1949年在著名数学家冯·诺依曼主持下,一群数学家把打孔卡输入计算机,埃尼阿克花了70小时,将π计算到2037位。这个世界记录保持了5年之久。从此π的“马拉松竞赛”开始由计算机接管和主宰。
2021年8月,瑞士格劳宾登应用大学使用一台超级计算机,历时108天,将π计算到小数点后62.8万亿位,创下这个数学常数有史以来的极限记录。这是人类现代科学的奇迹和礼赞。
毫无疑问,人类好奇和竞争的天性永远不会消失,π的吉尼斯记录还将不断被刷新。然而对π的精度不厌其详的追求,意义是不大,即使在今天仅为了科学实用,那么在可观测宇宙为边界的圆上,我们只用将π的值取到39位,便能精确计算出一个氢原子的半径。
祖冲之,作为中国古代杰出的数学家、天文学家和机械制造家,其贡献在后世得到了广泛的认可和纪念。
除联合国教科文组织以祖冲之出生日定为国际数学日外,1967年,国际天文学家联合会把月球上的一座环形山命名为“祖冲之环形山”。19年11月9日,紫金山天文台将19年发现的,国际永久编号为1888的小行星命名为“祖冲之星”。
在祖冲之的故乡河北省保定市涞水县,1992年将涞水县第一中学更名为河北祖冲之中学。
图6
在上海浦东张江高科技园区,1994年将一条长5.8公里,东西走向道路命名为祖冲之路。同时,位于祖冲之路的南侧的上海浦东软件园三期则被命名为祖冲之园。
图7
历史上祖冲之曾在江苏昆山当过县令(图7)2013年,结合阳澄湖科技园科教定位,将全长14.1公里的昆山市苇城路更名为祖冲之路。
原载《原地集邮》2025年第2期总第319期
我算是数学的初级爱好者,对数学史上发生的故事很感兴趣。