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數學家的故事:數學詩人埃拉托色尼

來源:網絡資源 文章作者:奧數網整理 2018-08-18 22:29:53

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

  埃拉托色尼作為一位數學家,其最偉大的功績是創立了“篩法”理論。篩法是一種篩選素數的方法,它能從自然數中篩去合數而只留下素數。篩法的創立,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時代,尋求素數的計算機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,因此把它劃掉,然后看2.由于它沒有小于本身的約數,故它是素數,留下。接著從2起劃去2以后所有2的倍數,剩下來的第-一個數是3。它不是2的倍數,是素數,留下。再從3起劃去3以后所有3的倍數,剩下來的第-一個數是5。它不是2與3的倍數,故它是素數,留下。下面再劃去其他所有5的倍數....以此下去,就可以得到60以內所有的素數:53,59。23,29,31,37,41,3,5,7,11,13,47,43,19,17,2,

  據說埃拉托色尼本人當時是將一張寫著自然數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、3的倍數、5的倍數等等。由于挖去了合數后,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,合數好象都通過篩子篩掉了,而素數則保留了下來,因此后人就稱這種尋找素數的方法叫“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的素數表,埃拉托色尼自己就曾造出第一張1000以內的素數表。不過,用這樣的方法要造出數目較大的素數表,畢競不是一件容易的事。

  十七世紀以前,人們用“手工操作”,造出了一萬以內的素數表,盡管數目不大,但已經使人很吃力了。從本世紀五十年代起,由于電子計算機的使用,效率低的問題得到了克服。六十年代初,美國學者就在電子計算機的存儲系統中存放著前5億個素數。不過,電子計算機找素數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行測量估算,如攸多克索等。但是,他們大多缺乏理論基礎,計算結果很不精確。埃拉托色尼天才地將天文學與測地學結合起來,第一個提出設想在夏至日那天,分別在兩地同時觀察太陽的位置,并根據地物陰影的長度之差異,加以研究分析,從而總結出計算地球圓周的科學方法。

  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。

  獲得了這些數據之后,他運用了泰勒斯的數學定律,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′,即相當于圓周角360°的1/50。由此表明,這一角度對應的弧長,即從西恩納到亞歷山大里亞的距離,應相當于地球周長的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。一旦得到這個結果,地球周長只要乘以50即可,結果為25萬希臘里。為了符合傳統的圓周為60等分制,埃拉托色尼將這一數值提高到252000希臘里,以便可被60除盡。埃及的希臘里約為157.5米,可換算為現代的公制,地球圓周長約為39375公里,經埃拉托色尼修訂后為39360公里,與地球實際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與測地學結合起來,精確地測量出地球周長的精確數值。

  埃拉托色尼是首先使用“地理學”名稱的人,從此代替傳統的“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。埃拉托色尼還用經緯網繪制地圖,最早把物理學的原理與數學方法相結合,創立了數理地理學。

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