中国古代科学家传记-第29章
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《大明历》表”、“驳议”、“安边论”等等。
祖冲之在数学方面的成就，首先应该叙述的乃是关于圆周率的计算。
在中国古代，也和世界上任何文化开发较早的国家和地区一样，最早
被人们使用的圆周率是3。这一误差很大的数值，在中国一直被沿用到汉
代。入汉以后，对圆周率的改进吸引了不少科学家的注意，例如刘歆、张
衡、刘徽、王蕃、皮延宗等人都进行了研究。在许多人的工作中，生活于
魏晋之际的数学家刘徽的研究最为重要。假如把刘徽称为是祖冲之的先行
者，那他确实是当之无愧的。
刘徽在计算圆面积的过程中，实际上也计算了圆周率。刘徽从圆的内
接正6 边形起算，依次将边数加倍，分别求出内接正12，24，48，。。等
内接正多边形的一边之长，从而算出内接正24，48，96，。。等正多边形
的面积。边数增加的越多，内接正多边形面积与其外接圆面积之差愈小，
算得的圆面积也就愈准确，求得的圆周率也就更加精密。边数增加愈多，
像是把圆愈割愈细，因此刘徽的这种方法称为“割圆术”（载于现有
157
传本的刘徽注《九章算术》之中）。刘徽用这种方法求得圆周率
50
（相
当于π= 3。14 ），也有人认为他还算得了
3927
（相当于π= 3。1416 ）。
1250
关于祖冲之在圆周率方面的工作，其史料仅见于《隋书·律历志》，
但记载过于简略，下面就是此段记载的原文：
“古之九数，圆周率三，圆径率一，其术疏舛。自刘歆、张衡、刘徽、
王蕃、皮延宗之徒各设新率，未臻折衷。宋末，南徐州从事史祖冲之更开
密法，以圆径一亿为一丈，圆周盈数三丈一尺四寸一分五厘九毫二秒七忽，
■数三丈一尺四寸一分五厘九毫二秒六忽，正数在盈■二数之间。密率：
圆径一百一十三，圆周三百五十五。约率：圆径七，圆周二十二。”
这段记载说明：
（1）祖冲之的圆周率方面的工作，是在刘歆、张衡、刘徽等人工作之上
“更开密法”的。
（2）他以1 亿为1 丈，即由108——九位数字开始进行计算。
（3）他算得过剩近似值和不足进似值，同时指出真值在过剩、不足二近
似值之间，相当于算得了
3。1415926＜π＜3。1415927。
圆周率的这一数值作到了小数点后7 位数字准确。
（4）他还给出了两个近似分数值，即
关于祖冲之如何算得如此精密结果，关于他所使用的方法，则没有任
何史料流传下来，这是非常遗憾的。不过，根据当时的情况来进行判断，
除开继续使用刘徽“割圆术”之外，并不存在有其他方法的任何可能性。
清代的数学史家大都认为“厥后祖冲之更开密法，仍割之又割耳，未能于
徽法之外别有新法也”（阮元《畴人传·祖冲之传》），梅文鼎的著作以及
《数理精蕴》等书，也都持这种观点。实际上，如按刘徽方法“割之又割”，
继续算至圆内接正12288 边形和正24576 边形，得出
内接正12288 边形面积：S12288=3。14159251 方丈，
内接正24576 边形面积：S24576=3。14159261 方丈。
又据刘徽割圆术可得下列不等式（式中S 表示圆面积）：
S24576＜S＜S24576＋（S24576…S12288）；
即可得出
3。14159161＜π＜3。14159271，
而这正是《隋书·律历志》所给出的盈■二限。
把1 丈化为1 亿，从圆的内接正6 边形算至正24576 边形（=6×212 边
形），需要把同一个计算程序反复12 次，而每个计算程序又包括加、减、
乘、除、开方等10 余个步骤。因此，祖冲之为了求得自己的结果，就要从
100000000（9 位数字）算起，反复进行加、减、乘、除、开方等运算130 次
以上。既使是今天，用纸和笔进行这样的计算，也绝不是一件轻松的事，
更何况中国古代的计算都是用罗列算筹来进行的。可以想象，这在当时是
需要何等的精心和超人的毅力。
由于在中国古代有利用分数进行计算的习惯，祖冲之还给出了密率
（
355）和约率（
22
）。
113 7
一个无理数可以用连分数形式来进行表示，例如圆周率即可表示成连
分数：
■
111 1
或记为π=3＋
7
＋
15
＋
1
＋
292
＋ 。。，也可以记成π= ＇3 ，7，15，
1，292，。。＇，依次截取、计算即可得出一串关于π的数值，例如
1 22
π = 3 ＋= ，
77
1 1 333
π = 3 ＋
7
＋
15
=
106
（相当于π= 3。141509431 ），
，
1 1 1355
π = 3 ＋＋ ＋= ，
7 15 1 113
1 1 1 1 103993
π = 3 ＋
7
＋
15
＋
1
＋
292
=
33102
（相当于
π=3。141592653），
。。
P
这一串数值都是最佳渐近分数值（即这串数值
Q
，都是在所有分母不大
于Q 的分数中与π最接近的分数值）。但是反过来说，最佳渐近分数值却
不一定都是由连分数来算得的。例如在
103993
之前即在分母小于33102
（
33102
的分数中）还有许多个最佳渐近分数值，最靠近
355
的是
52163
。因此
113 16604
也可以说，在分母小于16604的近似分数值中，
355
是最佳分数，最与
113
π接近。
但直到目前为止，我们还没有发现任何证据足以说明中国古代已有连
分数的应用。
在中国古代的天文历法的计算中，曾有过一种逐渐调整分母和分子数
值以求得使分数值更加接近真值的方法，叫作“调日法”。宋代的学者认
为“调日法”始自南北朝时期稍早于祖冲之的何承天。“调日法”的基本
ac
分别为不足和过剩近似分数，则适当选取m， ，新
内容是：假如
b
，
dn
得出的分数
ma ＋ nc
有可能更加接近真值。例如由
157
（刘徽）和
22
mb ＋ nd 507
（祖冲之约率）即可算得
157×1 ＋ 22×9 355
=
50×1 ＋ 7×9 113
又由
3
（古率）和
22
亦可算得
3×1 ＋ 22×16
=
355
。用“调日法”算得
1 71×1＋ 7×16 113
355
的分数值，再用割圆术求得的精确数值来校验，即可断定
113
为“密
率”。
在西方，直到1573 年，德国数学家V．奥托（Otho，1550？—1605）
方才算得
355
这一数值；而在一般西方数学史著作中却常误以为这一数
113
值是荷兰工程师A．安托尼兹（Anthonisz，527—1607）得到的，因而
355 355
称
113
为安托尼兹率。日本数学史家三上义夫（1875—1950）主张将
113
这一圆周率数值称为“祖率”。
355
按《隋书·律历志》的记载，祖冲之曾用
113
这一圆周率来校算王莽
所造的量器——“律嘉量斛”。约率
22
虽仅精确至小数点后二位数字，
7
但使用起来是方便的。
关于球体体积的计算，乃是祖冲之在数学方面的又一项成就。祖冲之
在批驳戴法兴的“驳议”中说：“至若立圆（球体）旧误，张衡述而弗改，。。
此则算氏之剧疵也。。臣昔以暇日，撰正众谬”，可见这也是祖冲之早年
的工作。然而在7 世纪，在唐代李淳风为《九章算术》所写的注文中，却
把它作为“祖■开立圆术”加以引述，因而也可以认为这是一项祖氏父子
共同的研究结果。在中国古代，例如在《九章算术》中，是按外切圆柱体
与球体体积之比等于正方形与其内切圆面积之比来进行球体体积计算的。
刘徽指出了这一错误并正确地提出“牟合方盖”（垂直相交的二圆柱体的共
同部分）与其内切球体体积之比，方才等于正方形与其内切圆面积之比。但
是他却未能求出“牟合方盖”的体积。这一问题被祖氏父子解决了。祖氏
父子的方法是：
首先取一立方体（高=半径r），以左下角为心，r 为半径，分纵横二次
各截立方体为圆柱体（如图1）。如此，立方体将被分成四部分：两个圆柱
体的共同部分（即“牟合方盖”的1/8，祖氏父子称之为“内棋”，如图2），
以及其余的三部分（“外三棋”，如图3，4，5）。其次为算出“内棋”体
积，他们先算出“外三棋”体积。方法是：将内、外棋再合成一个立方，
在高为h 处作一平行于底的平面（如图6）。如设“外三棋”的横截面面积
为S，则
S=r2…（r2…h2）=h2。
再取一个高与底方每边长度均为r 的方锥，倒立之，则易算得这个■
方锥在高为h 处的横截面积亦为h2。
再次，“外三棋”和方锥在等高处的截面积总是相等，祖氏父子说“叠
棋成立积，缘幂势既同则积不容异”，这两个立体体积不容不等。于是算
得“外三棋”体积与一个方锥体体积相等，即等于1/3 立方体，从而算得
“牟合方盖”体积为2/3 立方体。
最后再应用刘徽的成果：
球体积：“牟合方盖”体积=圆面积：外切方面积从而求得球体积的正
确公式：
2
球体积=
πr2 ·
2
（2r） 3 =
4
πr3。
（2r）3 4
在这里，祖氏父子应用了“缘幂势既同则积不容异”的原理，这一原
理和意大利数学家B．卡瓦列里（Cavalieri，1598—1647）所提出的“卡瓦
列里公理”的意义是相同的。按道理，应该将“卡瓦列里公理”改称之为
“祖氏公理”。
在谈到祖冲之在数学方面的成就时，我们还应提到那部失传已久的《缀
术》。
《隋书·律历志》在记述了祖冲之在圆周率方面的成就之后说：“（祖
冲之）。。又设开差幂、开差立，兼以正员（按：应为“负”）参之，指要精
密，算氏之最者也。所著之书称为《缀术》，学官莫能究其深奥，是故废
而不理。”唐代王孝通在其所著《缉古算经》的“自序”中说“祖■之《缀
术》（在古代史料中，多有将《缀术》记为祖■所撰者）时人谓之精妙，曾
不觉方邑进行之术，全错不通，刍甍、方亭之问，于理未尽”。根据这二
条资料，可知《缀术》的内容有“开差幂、开差立”、有“方邑进行之术”、
有“刍甍、方亭之问”。这些问题，据研究推断，可能是一些有关二、三
次方程的解法，“兼以正负参之”也可能是指其中的系数可正可负。假如
这种推断是对的，那么可以说这些成果成为后世宋元时期中国数学家高次
方程解法的先声。
唐显庆元年（公元656 年）国子监添设算学馆，规定《缀术》是必读书
籍之一，学习期限为四年，是时限最长的一种。《缀术》还曾流传至朝鲜
和日本，在朝鲜、日本古代教育制度、书目等资料中，都曾提到《缀术》。
《宋史·楚衍传》中说“楚衍。。于《九章》、《缉古》、《缀术》、
《海岛》诸算经尤得其妙。。。天圣（ 1023— 1031）初造新历”，可见宋
初时期《缀术》或者尚未失传。
祖冲之在天文历法方面的成就，大都包含在他所编制的大明历和为大
明历所写的“驳议”之中。
按祖冲之的自述，大明历“改易之意有二，设法之情有三”。所谓“改
易”，是指闰周的改革和在历法计算中考虑岁差的影响；所谓“设法”则
都是和上元积年的推算有关系。
中国古代的天文学家开始时认为：太阳在黄道上，从冬至点开始，经
过一个回归年的运行又回到原来的冬至点，即开始时认为冬至点是固定不
变的。但经过长时期的观察，逐渐认识到太阳回不到原来的冬至点，也就
是说冬至点每年都要向后（即向西）移动。据现代的观测，冬至点大约每年
沿黄道后移50。2″，换算成赤经度数则为大约78 年后移 1°（如按古
11 年后移度）。这就是岁差现象，它是由
代以365
4
度为周年，则为约77 1
太阳、月亮和其他行星对地球赤道突出部分的引力使地球自转轴产生进动
所引起的。
中国古代历法对冬至十分重视，因此对冬至点所处恒星间的位置的观
测也十分注意。入汉以后的诸家历法逐渐发现冬至点逐年的变化并载有冬
至点的位置。魏晋以后，观测日趋细密，对岁差现象的探讨也前进了一大
步。晋代天文学家虞喜“使天为天，岁为岁，乃立差以追其变，使五十年
退一度”（唐代一行《大衍历·议》），是虞喜首先正式指出岁差现象并给
出50 年1 度的岁差数据。其后姜岌、何承天虽然也都给出了各自的数值，
但首先把岁差的影响考虑到历法计算之中的，乃是祖冲之。
祖冲之给出的赤经岁差数值为45 年11 个月退行1 度。大明历中的回
归年日数为365
9589
=
14423804
，大明历中的“周天”为14424644，以
39491 39491
39491 除之再与回归年日数相比，可知祖冲之在历法计算中使用的岁差数
值为
860
度，经核算（
860
×45
11
= 0。99993 ≈ ），这与45 个
39491 39491 12
1 年11
月退行1 度极为接近。
祖冲之大明历中第二项重大改革是关于闰周的改革。早在公元前500
年左右，中国古代天文学家便采用了19年7闰（即在19年里放置7个闰月）
的闰周。这虽然可以把回归年和朔望月日数之间产生的关系调和得比较
好，但闰数仍嫌大了一些。尽管东汉末年以来的天文观测日趋精密，但天
文学家们却总是墨守着这一置闰周期，没有进行改进。第一个冲破这一陈
旧闰周的是南北朝时期北凉的赵■，他提出了600 年间置入221 个闰月的
新闰周。但南朝何承天在编制元嘉历时，却未能接受改革闰周的新思想。
而祖冲之在其所编大明历中却大胆地采用了改革的思想，提出391 年置入
144 个闰月的新闰周。直到唐代初年中国天文学家不再讨论闰周时止，祖
冲之提出的闰周，在诸家历法中要算是最好的。
祖冲之大明历所给出的回归年长度为365。24281481 日，直到宋代杨忠
辅所编统天历（回归年长度为365。2425 日）时止，在历代诸家历法中，这一
数值也是最好的。由于回归年日数和闰周数据都比较精密，故大明历朔望
月日数——29。5305915 日也是比较精密的，误差仅为0。0000056 日，每月
约长0。5 秒。直到宋代明天历、奉元历、纪元历等等历法中，才有更好的
朔望月数据出现。
大明历三项新的“设法”都和“上元积年”的计算有关。在中国古代，
天文学家为了计算上的方便，大都先推算出一个若干年前的一个理想历
元，使各种天象周期都处于初始状态。这样，历法中的其他计算均可依此
顺利算出。这个理想中的历元被称为“上元”，由“上元”到编制历法时
止的累计年数被称为“上元积年”。例如汉初时的太初历便提出以“元封
七年十一月甲子日朔旦冬至”为上元，后来的历法还提出把五星也包括进
去，即“五星联珠”（五星处在同一初始状态），“日月合璧”（日月也同在
此方位上）。据大明历正文记载，祖冲之进一步提出：历元必须是“上元之
岁，岁在甲子，天正甲子朔夜半冬至，日月五星聚于虚度之初，阴阳迟疾，
并自此始”，即要求“上元”之年必须是甲子年，此年十一月初一日亦须
是甲子日，此日夜半需恰好为合朔和冬至节气，而且需要此时的日月五星
（包括月亮又刚好处在近地点和�
