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數(shù)學(xué)家的故事:數(shù)學(xué)詩人埃拉托色尼

來源:網(wǎng)絡(luò)資源 文章作者:奧數(shù)網(wǎng)整理 2018-08-18 22:29:53

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  埃拉托色尼(約前274~前194)古希臘偉大的數(shù)學(xué)家、地理學(xué)家。博學(xué)多才,不僅通曉天文,而且熟知地理;又是詩人、歷史學(xué)家、語言學(xué)家、哲學(xué)家,曾擔(dān)任過亞歷山大博物館的館長。

  埃拉托色尼作為一位數(shù)學(xué)家,其最偉大的功績是創(chuàng)立了“篩法”理論。篩法是一種篩選素數(shù)的方法,它能從自然數(shù)中篩去合數(shù)而只留下素數(shù)。篩法的創(chuàng)立,迄今已有2300余年了,即使是在具有超凡計算能力的電子計算機(jī)時代,尋求素數(shù)的計算機(jī)程序仍然沿用著埃拉托色尼的篩法理論。

  從1起考察,由于1不是素數(shù),因此把它劃掉,然后看2.由于它沒有小于本身的約數(shù),故它是素數(shù),留下。接著從2起劃去2以后所有2的倍數(shù),剩下來的第-一個數(shù)是3。它不是2的倍數(shù),是素數(shù),留下。再從3起劃去3以后所有3的倍數(shù),剩下來的第-一個數(shù)是5。它不是2與3的倍數(shù),故它是素數(shù),留下。下面再劃去其他所有5的倍數(shù)....以此下去,就可以得到60以內(nèi)所有的素數(shù):53,59。23,29,31,37,41,3,5,7,11,13,47,43,19,17,2,

  據(jù)說埃拉托色尼本人當(dāng)時是將一張寫著自然數(shù)列的羊皮紙繃緊在一個框子上,然后用刀子逐一挖去2的倍數(shù)、3的倍數(shù)、5的倍數(shù)等等。由于挖去了合數(shù)后,羊皮紙上留下了一-個一個的洞眼,使整個羊皮紙猶如一個篩子,合數(shù)好象都通過篩子篩掉了,而素數(shù)則保留了下來,因此后人就稱這種尋找素數(shù)的方法叫“埃拉托色尼篩法”。

  從原則上說,用埃拉托色尼篩法可以造出任意范圍內(nèi)的素數(shù)表,埃拉托色尼自己就曾造出第一張1000以內(nèi)的素數(shù)表。不過,用這樣的方法要造出數(shù)目較大的素數(shù)表,畢競不是一件容易的事。

  十七世紀(jì)以前,人們用“手工操作”,造出了一萬以內(nèi)的素數(shù)表,盡管數(shù)目不大,但已經(jīng)使人很吃力了。從本世紀(jì)五十年代起,由于電子計算機(jī)的使用,效率低的問題得到了克服。六十年代初,美國學(xué)者就在電子計算機(jī)的存儲系統(tǒng)中存放著前5億個素數(shù)。不過,電子計算機(jī)找素數(shù)的基本原理仍是埃拉托色尼篩法。

  來自2000年以前的地球周長測量

  在埃拉托色尼之前,也曾有不少人試圖進(jìn)行測量估算,如攸多克索等。但是,他們大多缺乏理論基礎(chǔ),計算結(jié)果很不精確。埃拉托色尼天才地將天文學(xué)與測地學(xué)結(jié)合起來,第一個提出設(shè)想在夏至日那天,分別在兩地同時觀察太陽的位置,并根據(jù)地物陰影的長度之差異,加以研究分析,從而總結(jié)出計算地球圓周的科學(xué)方法。

  埃拉托色尼選擇同一子午線上的兩地西恩納(Syene,今天的阿斯旺)和亞歷山大里亞,在夏至日那天進(jìn)行太陽位置觀察的比較。在西恩納附近,尼羅河的一個河心島洲上,有一口深井,夏至日那天太陽光可直射井底。這一現(xiàn)象聞名已久,吸引著許多旅行家前來觀賞奇景。它表明太陽在夏至日正好位于天頂。與此同時,他在亞歷山大里亞選擇了一個很高的方尖塔作參照,并測量了夏至日那天塔的陰影長度,這樣他就可以量出直立的方尖塔和太陽光射線之間的角度。

  獲得了這些數(shù)據(jù)之后,他運用了泰勒斯的數(shù)學(xué)定律,即一條射線穿過兩條平行線時,它們的對角相等。埃拉托色尼通過觀測得到了這一角度為7°12′,即相當(dāng)于圓周角360°的1/50。由此表明,這一角度對應(yīng)的弧長,即從西恩納到亞歷山大里亞的距離,應(yīng)相當(dāng)于地球周長的1/50。

  下一步埃拉托色尼借助于皇家測量員的測地資料,測量得到這兩個城市的距離是5000希臘里。一旦得到這個結(jié)果,地球周長只要乘以50即可,結(jié)果為25萬希臘里。為了符合傳統(tǒng)的圓周為60等分制,埃拉托色尼將這一數(shù)值提高到252000希臘里,以便可被60除盡。埃及的希臘里約為157.5米,可換算為現(xiàn)代的公制,地球圓周長約為39375公里,經(jīng)埃拉托色尼修訂后為39360公里,與地球?qū)嶋H周長引人注目地相近。由此可見,埃拉托色尼巧妙地將天文學(xué)與測地學(xué)結(jié)合起來,精確地測量出地球周長的精確數(shù)值。

  埃拉托色尼是首先使用“地理學(xué)”名稱的人,從此代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“地方志”,寫成了三卷專著。書中描述了地球的形狀、大小和海陸分布。埃拉托色尼還用經(jīng)緯網(wǎng)繪制地圖,最早把物理學(xué)的原理與數(shù)學(xué)方法相結(jié)合,創(chuàng)立了數(shù)理地理學(xué)。

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