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曾纪鸿的圆周率与晚清的数学

已有 1457 次阅读 2023-7-17 12:10 |个人分类:随笔|系统分类:科研笔记

1    贴出博文“刘徽与祖冲之的圆周率”后,请一位前辈批评。前辈从微信送来电子书,说“我的北大同学张景中院士曾在《数学家的眼光》书中讨论了密率,现转上请阅”。书中没有介绍祖冲之计算圆周率,只是赞叹密率355/113 的精美,并以连分数予以验证。 

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[1]  张景中. 数学家的眼光. 中国少年儿童出版社, 1990.

不过,院士没有告诉中学生“小数点和零都是从国外传入,我国古代并没有小数的运算”。古代用整数和分数,如现在说朔望月平均29.53059 ,秦汉时则说朔策二十九天 又九百四十分之四百九十九天(29.53085);确定起始月份后,从0逐月加499,超过940 则是大月,扣除940 得小余;若某月小余达到882以上,则其后两个月都是大月。隋朝用朔策29607/1144(29.53059) ——基于两次日食相距33783天而历1144个月。天文史研究朔策的来源而不必赞叹数字的精确。又,这是以平朔确定月首,与实朔时有偏离。

2     我国数学史关于圆周率还有一桩公案:晚清曾纪鸿(18481881)有没有反正切公式计算圆周率至小数点后百位。从文[2,3]剪贴部分内容,博友一看就能明白大概。

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[2]  许康. 一篇算草蔚成家——纪念曾纪鸿诞生140周年.中国科技史料, 1988,(2):45-51

[3]  高红成.《圆率考真图解》注记——曾纪鸿有没有计算出π的百位真值? 中国科技史杂志2019,40(2):185-191 Z3.png

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崔朝庆、钱宝琮在百年之前已注意到曾纪鸿等计算的疏漏——作为示例的二十四位真值计算有四处错误,怀疑所列百位数值“有所本耶”。文[23]有所解释——可能为刊刻之误,并说 Z5.png

3   笔者对真伪不敢发表意见;不过,从计算过程可见晚清数学真是落后。略述如下。

()  以五分之反正切即式(3) 计算,其计算量大于式(1) A(1/2)+ A(1/3),且引入A(5/27) 计算更为繁难

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()  既然知道正切差公式,也知道A(1) = A(1/2)+ A(1/3),那么A(1/2) = A(1/3)+ A(1/7)  和  A(1/3) = A(1/4)+ A(1/13),真是一眼可见,则以 π/4 = 2A(1/4) + A(1/7) +2A(1/13) 计算,工作量只是所用式(3)之半或更少反正切函数简记为A(x)

请注意,曾纪鸿、左潜、黄宗宪实际参与计算,且得到丁取忠的关注:四人都没有注意到如此简单的换算?

()  如果曾纪鸿等注意到A(1/3) = A(1/5)+ A(1/8),给出下面的推导

π/4 = A(1) = A(1/2)+ A(1/3) = 2A(1/3) + A(1/7)

= 2A(1/5) + A(1/7) +2A(1/8) = 2A(1/5) +3A(1/8) + A(1/57)

或许还能称“晚清数学家”。

()  1859年黎曼提出至今未获证明的伟大猜想,刊刻《圆率考真图解》的1874年,欧洲已计算圆周率至707 位,且不说此前一百六十八年,即1706Machin 发现公式

 π/4 = 4A(1/5) –A(1/239) ,计算圆周率至小数点后百位:因  2A(1/5) =  A(5/12), 有

 A(1) = A(1/2)+ A(1/3)=  2A(1/5) A(2/29)+2A(1/5)+ A(3/41) = 4A(1/5) –A(1/239)

思路容易理解:1/5 可写为2/10 计算便利,所余为A(1/239)而不是A(a/b) ,那真是运气好啊。

又及,A(1/239)=A(1/250)+ A(11/59751)=A(4/1000)+A(1/5432)+ A(1/324567443)

需写成三项,有些可惜。

()  黄宗宪1876年在英国见到158位的圆周率,“即翻行篋,检昔日与曾、左两君所推得百位者校之,一一吻合,何快如之! 谨录一纸寄归中华,想果师(丁取忠) 与栗兄(曾纪鸿) 见之当亦欣喜”,却没有考校计算方法之优劣,可为一叹。 

4   晚清落后的原因之一或许是“没有出现福泽谕吉(1835-1901)那样的学者”。



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