第二日,算学学院大讲堂内,今日气氛不同寻常。
讲堂内,前排坐着李泰亲自召集而来的全院十位算学教师,基本上是出身国子监算学馆、熟读《九章》经义的博士。
后排则坐着本院各级学子,包括程处亮、秦怀玉等刚过来的勋贵子弟,以及众多通过严格考评选拔进来的寒门学子。
所有人的目光,都聚焦在讲台之上。
讲台经过特别布置,没有堆积如山的经卷,反而摆放着几个木质几何模型、一张可悬挂的大幅白纸、炭笔、规尺,以及几个大小不一的圆形和正方形薄木板。
陈睿今日一身简洁的青衫,立于台前,气度从容。他目光扫过台下神色各异的面孔,尤其是前排那些教师微微一笑,朗声开口:
“诸位同僚,诸位学子。今日之课,不讲经义,不考背诵。我们只来探讨一个看似简单、实则贯穿天地万物的图形——圆。”
他拿起一个圆形木板:“天有日月,视为圆;地有寰宇,近于圆;车轮转动,亦是圆。圆无处不在。然则,我们如何知道一个圆的大小?换言之,如何计算一个圆的面积?”
台下寂静,有人下意识地想脱口而出“半周半径相乘得积步”,但见陈睿开场方式不同以往,便都忍住了,想看他如何施为。
“我们知道如何计算正方形面积。”
陈睿拿起一个正方形木板,边长标注清晰,“边长相乘,即得其面积。此理简明,盖因正方形可视为无数单位小正方形排列而成。”
他边说边用炭笔在白纸上画出一个方格网,将一个正方形置于其上,直观展示其面积由单位方格数量决定。
“那么圆呢?圆边为曲线,无法直接用单位方格测量。”
陈睿提出问题,随即拿起那个圆形木板,将其小心地放在一个画有细密方格的白纸背景上。
“我们能否用一种已知的、规则的图形,去无限逼近这个未知的、不规则的图形呢?”
他示意两名助教上前,展开一张画有极细网格的大纸,并将一个大圆模型固定其上。
“假设我们把这个圆,像切糕点一样,先分割成许多相等的扇形。”
他用炭笔在圆模型上画出清晰的分割线,将其等分为4份、8份、16份……每画一次,便让助教用染色的木片拼出对应的分割图形。
“看,当我们分割的份数很少时,这些扇形拼起来的图形,边缘凹凸不平,与光滑的圆相去甚远。”
陈睿指着拼出的近似图形,“但如果我们继续分割,分成32份、64份、128份……甚至更多,会怎样?”
他引导着众人的视线和思维:“每一份扇形会越来越瘦,越来越接近一个细长的三角形。当我们把这些极其细小的三角形重新拼接时。”
陈睿开始移动那些代表更多等分扇形的彩色木片,先是交错拼成一个边缘锯齿状的长条形,然后继续细分、拼接。
奇迹般的景象出现了:随着“分割”越来越细,那些彩色木片拼成的图形,竟然越来越接近一个长方形!
“看!当分割无穷细时,这个由无数极小扇形拼接而成的图形,其上半部分的‘锯齿’和下半部分的锯齿几乎可以完美互补,整体形态无限趋近于一个规整的长方形!”
陈睿的声音带着发现的激情,“而这个长方形的‘长’,近似于圆周长的一半,‘宽’则是圆的半径!”
他在白纸上写下推导过程:
圆的面积 ≈ 拼接后长方形的面积 = 长 × 宽 ≈ (圆周长/2) × 半径 =半径的平方×圆周率
“由此,我们得到了圆的面积公式:S = π r2。” 陈睿写下最终公式,字迹清晰有力。
“这里的π,便是圆周与直径之比,是一个常数也就是圆周率,祖冲之早已经将它约等于3.14。我们后续会专门探讨如何更精确地求得圆周率。”