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第10章 中国数学(3)

例如第一题(译为今文):为测量海岛,立两根3丈高的标杆,前后相距1000步,令后杆与前杆对齐。从前杆后退123步,人眼着地看岛峰,视线正好过杆顶。从后杆后退127步,人眼着地看岛峰,视线也过杆顶。问岛高和岛离杆的距离各是多少?

四、刘徽的学术思想

刘徽所以能在数学上取得卓越成就,是与他先进的学术思想分不开的。概括起来,他的学术思想有如下特点。

1富于批判精神。刘徽在数学研究中不迷信权威,也不盲目地踩着前人的脚印走,而是有自己的主见。他曾一针见血地指出张衡关于球体积的不正确观点,还批评了那种据守古人“周三径一”的踵古思想,说:“学者踵古,习其谬失。”刘徽正是因为有这种可贵的批判精神,才在研究《九章算术》时发现许多问题,从而深入探讨,写出名垂千古的《九章算术注》。

2注意寻求数学内部的联系。刘徽在《九章算术注》的序言中说:“事类相推,各有攸归,故枝条虽分而同本干者,知发其一端而已。”不难看出,他的整个数学研究都贯穿了这一思想。例如,他把许多平面几何问题归为出入相补,把许多体积公式的推导归为刘徽原理,把各种比例问题归为今有术,以及用重差术的一般方法解决各种测量问题,都是这一思想的体现。

3注意把数学的逻辑性和直观性结合起来。刘徽主张“析理以辞,解体用图”,就是说问题的理论分析要用明确的语言表达,空间图形的分解要用图形显示,也就是理论和直观并用。他认为只有这样才能使数学既简又明。实际上,他对原书和《九章算术注》中提出的重要数学概念,都给出明确定义。他对定理、公式的证明基本上采取演绎法,推理相当严密。例如,他从长方体体积公式出发,运用极限观念,证明了阳马定理,又用阳马定理证明了棱锥、棱台的体积公式,然后根据刘徽原理推出圆锥、圆台的体积公式,是一环扣一环的。另一方面,刘徽也很注意数学的直观。他常借助图形来证明平面几何定理,称为图验法;借助立体模型来研究开立方和推导体积公式,称为棋验法(刘徽称特定的立体模型为棋)。有时,他还在证明过程中辅之以剪贴和涂色的方法。总之,他在数学研究中既注意逻辑推理,又注意运用直观手段,所以他的理论明白易懂。

(四)南北朝数学

一、祖冲之父子的数学工作

1祖冲之父子生平

祖冲之,河北人,后迁居江南,生活于南朝的宋、齐之间。父亲祖朔之曾在刘宋朝中为官。祖冲之自幼好学,尤喜历、算。青年时曾任南徐州(今镇江)从事史,后来回建康(今南京)任公府参军。他的行政事务虽多,仍利用工余时间进行大量科学研究。他对前代历法进行仔细的分析比较,对八尺高标杆的日影长度坚持观测达十年之久,在此基础上于大明六年(462年)完成《大明历》,书中首次应用了岁差理论,是当时中国最先进的历法。但他把该历呈送朝廷后,由于保守势力的阻挠,未能及时推行。大明八年(464年)后,祖冲之出任娄县(今江苏昆山)令,刘宋末年再度被调回建康,任谒者仆射(一种司礼节的官)。齐灭宋后又在齐为官,晚年升到长水校尉,享受四品俸禄。曾造指南车、千里船、水碓磨、刻漏等,远近驰名。数学方面,他曾给《九章算术》作注,并与其子祖日恒共同完成数学史上的名著——《缀术》(已佚)。

祖日恒曾在梁朝先后担任员外郎、材官将军等职。他多次向朝廷建议修改历法,采用他父亲的《大明历》,经太史令实测天象、考验新旧历法后,政府终于在天监九年(510年)采用了《大明历》。天监十三年(514年),祖日恒奉命在淮河上指挥修筑浮山堰,因被洪水冲毁而获罪入狱。他出狱后不久,在南朝边境被北魏军队俘获,软禁于元延明家,在那里遇到北魏天文学家信都芳,两人常在一起讨论天文和数学。梁普通七年(526年),祖日恒南还。他除了和父亲共同完成《缀术》外,还自著《天文录》、《权衡记》等,已失传。

2祖冲之的圆周率

继刘徽之后,祖冲之为求得更精确的圆周率而作了艰苦卓绝的努力。据《隋书》记载,他已算得31415926<π<31415927。

祖率和密率,都是当时世界上的最好结果。祖率已精确到七位小数,保持世界纪录近千年。至于密率,堪称数学史上的奇迹。它的特点是准确的。

祖冲之是怎样求圆周率的?这个问题至今还是个谜。因为他的数学著作《缀术》已失传,《隋书》中则只有结论而无求法。据一些史料推测,他可能继承了刘徽的割圆术,祖冲之用不足近似值和过剩近似值两数来限定π,这种思想可能也受到刘徽的影响。

3祖日恒原理与球体积公式

刘徽开辟了通向球体积公式的正确道路但没有达到目标。祖冲之父子在这条路上继续前进,终于完成了刘徽的未竟之业。祖冲之与戴法兴辩论时曾说:“至若立圆旧误,张衡述而弗改……此则算氏之剧疵也。”可见他对球体积问题进行过深入研究。至于他是否解决了这一问题,不见记载。但根据唐代李淳风注《九章算术》“开立圆术”时引用的资料来看,祖日恒确实解决了这一问题。他很可能是在父亲工作的基础上取得突破的。

祖日恒在研究球体积时继承了刘徽的思想,抓住关键性的牟合方盖的体积计算。但他吸取了刘徽的教训,不再直接求方盖体积,而是首先研究立方体内除去牟合方盖的部分。

根据祖原理,很容易得到外棋与倒立四棱锥体积相等的结论,而这便是正确的球体积公式。自《九章算术》以来,历经四个多世纪,这一问题终于得到圆满解决。在祖冲之前,阿基米德曾用平衡法求得球体积公式,两人的工作是各具特色、殊途同归的。

二、《孙子算经》

《孙子算经》三卷,作者名字不详,约成书于公元400年前后。该书是古代一部普及性的数学著作,也是现存古算书中最早的详细介绍筹算法并有算草的书。卷上用诗歌形式介绍了算筹摆法:“凡算之法,先识其位。一从(纵)十横,百立千僵;千十相望,万百相当。满六以上,五在上方;六不积算,五不单张。”然后具体介绍筹算乘除法的步骤。卷中则举例说明如何用算筹进行分数运算和开平方。这些记载,都是研究古代筹算的极好材料。

《孙子算经》卷下第26题为数学史上有名的“物不知数”问题:“今有物,不知其数。三、三数之剩二,五、五数之剩三,七、七数之剩二。问物几何?答曰二十三。”此题相当于现在的同余式组,设N为所求之数,则有N≡2(mod3)≡3(mod5)≡2(mod7),书中给出解法如下:“三、三数之剩二,置一百四十;五、五数之剩三,置六十三;七、七数之剩二,置三十,并之得二百三十三。以二百一十减之,即得。”若以现代符号表示,则为:

N=70×2+21×3+15×2-2×105=23这便得到原题的解。式中70由2×(5×7)得来,21由3×7得来,15由3×5得来,而105由3×5×7(即三模连乘积)得来。接着,书中又给出更一般的解法:“凡三、三数之剩一则置七十,五、五数之剩一则置二十一,七、七数之剩一则置十五。一百六以上,以一百五减之,即得。”这相当于解同余式组。

N≡r1(mod3)≡r2(mod5)≡r3(mod7)

其解为:

N=70r1+21r2+15r3-105P

式中P要选择这样的正整数,它使N成为小于105的正数。

这一定理的明确表述是德国数学家高斯于1801年首次给出的,他当时并不知道《孙子算经》中的“物不知数”问题。后来,西方数学史家发现该问题的解法符合高斯的定理,遂称之为“中国剩余定理”。而在中国国内,一般叫“孙子定理”。

三、《张丘建算经》

《张丘建算经》成书于5世纪,比《孙子算经》稍晚。作者张丘建,河北清河人。该书共三卷92题,包括测量、纺织、交换、纳税、冶炼、土木工程、利息等各方面的计算问题。

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