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专题:数学文化 | “圆”说数学文化

《亚洲文明之光》之“文明华章”中介绍的最具亚洲文明乃至世界文明标志性元素之一的“轮子”,被誉为人类文明的神秘推手.轮子,就是用不同材料制成的圆形滚动物体.人类对轮子的使用,最早是六千多年前的苏美尔人,起初是在陶器制造中,之后才慢慢把轮子用于交通运输.轮子的使用推动了社会的进步和人类的发展.轮子,我们抽象的理解就是“圆”.随着轮子的普遍使用,人们发现轮子越大,转动一周的距离越长,于是人们开始思考:转动的距离与轮子的直径长短有关吗?进而开始研究“圆与直径的关系”,以揭示“轮子”的奥妙,也就是“圆”的奥妙.

       圆,是我们再熟悉不过的平面图形了.然而,我们真的了解圆的奥妙吗?圆的本质是什么?圆与我们的生活有什么样的关系?我们该如何传承圆的文化?

       从几何角度来说,圆就是平面上到定点的距离等于定长的所有点组成的图形;从轨迹角度来说,圆就是平面上一个动点绕一个定点等距离运动一周的点的轨迹;从集合角度来说,圆就是到定点的距离等于定长的点的集合.“圆,一中同长也.”这是我国古代名著《墨经》中对圆的几何学定义.

       让我们回顾一下研究圆的历程吧.从小学到中学,乃至大学,分别以不同的形式、不同的表达,从古典实验、几何学、分析法、概率法,到用级数方法的巨型电子计算机等对“圆”进行不同层次的研究和探索,也不断地提高我们对圆的认知和理解水平.从初步认识圆形的物体,到借助圆形的物体得到一个圆;从用圆规画圆体会“没有规矩,不成方圆”的“规则”意识,到计算圆的周长、面积等运算能力的培养;从用“形”研究圆的特征,到用圆的方程这样的“数”研究圆的性质,完美地体现了“数形结合”思想;从单独研究圆,到研究圆与其他图形的组合;从以滚动实验初步体会圆周率的计算方法,到利用无穷级数、超级计算机探索圆周率的精确度,展现人们不懈追求、勇于攀登的探究精神;从研究圆的对称之美,到借助圆的元素设计优美的图案、建设雄伟的建筑等艺术作品,与圆有关的内容是如此之多.

       在学习研究圆的过程中,印象最深刻的不得不说是圆周率了.很早以前,人们就已经研究了圆的周长和直径的比是一个与圆的大小无关的常数,已经证明了圆周率是一个无理数,也是一个超越数(即不满足任何整系数多项式方程的实数).古希腊欧几里得《几何原本》和中国古算书《周髀算经》中都有“径一而周三”的记载,阿基米德被称为“计算数学”的鼻祖,他用圆内接和外切正多边形的方法,采用迭代计算和两侧数值逼近,从正六边形开始,逐次加倍计算到正九十六边形,取它们的近似平均值3.141851为圆周率的近似值.公元263年,中国魏晋时期的数学家刘徽,在注释《九章算术》时用割圆术计算得出圆周率数值为3.1416,为纪念刘徽的贡献,将其最初得到的圆周率称为徽率.直到1200年后,西方人才找到了类似于刘徽的计算方法.刘徽割圆术的“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”的极限思想和“圆出于方”的化曲为直思想对后世的研究具有深远的影响.公元480年,南北朝时期的数学家、天文学家祖冲之利用并发展前人创造的“割圆术”,进一步计算得出圆周率数值在3.1415926与3.1415927之间,这个记录保持了近千年之久.

       随着人们利用无穷级数或者无穷连乘积的分析方法计算圆周率开始,圆周率的计算精确度大幅提升,但是直到二十世纪四十年代也就计算到小数点后八百余位.计算机的出现使圆周率的计算有了突飞猛进的发展,二十世纪六七十年代计算到了圆周率的一百万个小数位.2019年3月14日,谷歌公司宣布日裔工程师爱玛在谷歌云平台的帮助下经过大约4个月的计算,把圆周率计算到了小数点后31.4万亿位,准确地说是31415926535897位.

       德国数学史家康托说过:“历史上一个国家所算得的圆周率的准确程度,可以作为衡量这个国家当时数学发展水平的重要标志.”这便是人们孜孜不倦地寻求圆周率精确度的精神追求和研究初衷.

       我们从另外的角度来审视一下圆周率的魅力吧.首先,设立国际数学节.2011年,国际数学协会正式宣布,将每年的3月14日设立为国际数学节,也就是国际圆周率日,或称π(派)节,其渊源就是中国古代数学家祖冲之的圆周率数值.早在2009年,美国众议院就通过一项无约束力决议,将每年的3月14日设定为“圆周率日”.该决议认为,“鉴于数学和自然科学是教育当中有趣而不可或缺的一部分,而学习有关π的知识是教孩子几何、吸引他们学习自然科学和数学的迷人方式……π约等于3.14,因此3月14日是纪念圆周率最合适的日子.”3月14日这一天,世界各地有不同形式的纪念圆周率的活动.

       另外,在音乐家眼中,圆周率——一串无限不循环的数字,对应到和声小调音阶就是一首乐谱,弹奏出来就是一曲美妙动听的音乐——圆周率之歌,或π之歌,当冰冷的数字遇上了音乐,这些数字也在瞬间变得灵动起来.相传,毕达哥拉斯就是在散步路过一家铁匠铺,听到里面传出叮叮当当的打铁声音要比别的铁匠铺传出的打铁声音协调悦耳时,发现了音响的和谐与发声体体积的一定比例有关,“音乐之所以神圣而崇高,就是因为它反映出作为宇宙本质的数的关系”,这是毕达哥拉斯对音乐与数学密切关联的精辟论述.所以,圆周率是一个永远也写不完、背不完的数,是一首永远也弹奏不完的宏大乐章,它以其无限不循环的神秘彰显着它的无穷魅力,引发着人们对“圆”的无限美好的追求与向往.

       详见人大复印报刊资料《小学数学教与学》2020年第3期

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