《数学史》宋元数学

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创造出许多具有世界历史意义的成就
数学家辈出: 宋元四大家:杨辉、秦九韶、李冶、朱世杰。
数学著作涌现
3.3 宋元数学

整个宋元时期(公元960—1368),重新统一了的
中国封建社会发生了一系列有利于数学发展的变化.

这一时期涌现的优秀数学家中最卓越的代表,如
通常称“宋元四大家”的杨辉、秦九韶、李冶、朱世
南宋数学家秦九韶
秦九韶(1208年-1261年)南宋官员 、数学家,与李冶、杨辉、朱世杰并称 宋元数学四大家。字道古,汉族,自称 鲁郡(今山东曲阜)人,生于普州安岳 (今属四川)。精研星象、音律、算术 、诗词、弓剑、营造之学,历任琼州知 府、司农丞,后遭贬,卒于梅州任所, 著作《数书九章》,其中的大衍求一术 、三斜求积术和秦九韶算法是具有世界 意义的重要贡献。
第三位(三廉)
1 1+2=3 3+3=6 6+4=10 10+5=15
第四位(四廉)
l 1+1=2 2+1=3 3+1=4 4+1=5 5+1=6 第五位(下廉)
11
1
1
1
1
隅算
就是说将隅算1自下而上增入前位,直到首位为止,就得第一位 数字(上廉);求其他各位数字,自下而上重复刚才的程序,每次 低一位为止,这是一种随乘随加的过程,所以叫“增乘法”.贾 宪发现,这种增乘法不仅可以用来求“开方作法本源”图中的各 廉,而且可以被推广用来直接开方,这就是增乘开方法.
n 1 为偶数,cn1 就是所求的k i .不论哪种情形,最后一步都
出现余数1,整个计算到此终止,秦九韶因此把他的方法叫做
“求一术”(至于“大衍”的意义,秦九韶在《数书九章》序
中把它和《周易》“大衍之数”相附会).
可以证明,秦九韶的算法是完全正确且十分严密的.当然, 秦九韶本人并没有给出这样的证明.到18、19世纪,欧拉(1743) 和高斯(1801)分别对一次同余组进行了详细研究,重新独立地获 得与秦九韶“大衍求一术”相同的定理,并对模数两两互素的情 形作出了严格证明.1876年德国人马蒂生首先指出秦九韶的方法 与高斯算法是一致的,因此关于一次同余组求解的剩余定理常常 被称为“中国剩余定理”.

a3 x2
a4

其中系数 a0 , a1, a2 , a3 , a4 由下列增乘程序来确定:
即得到减根变换后的方程为
10 4 x24 12 10 4 x23 54 10 4 x22 108 10 4 x2 526336
④ 令 x2 10 1 x3 ,方程变换为
x34 120 x33 5400 x32 108000 x3 526336
秦九韶的成就也代表了中世纪世界数学发展的主流与 最高水平,在世界数学史上占有崇高的地位。
评价:
秦九韶是一位既重视理论又重视实践,既善于继承又勇于创新的 数学家。他所提出的大衍求一术和正负开方术及其名著《数书九 章》,是中国数学史、乃至世界数学史上光彩夺目的一页,对后 世数学发展产生了广泛的影响。
⑤ 议得次商(第二次商)为4 ⑥ 令 x3 4 x4 ,重复以上增乘程序:
由于常数项 (实)恰好被减尽,整个计算到此为止,我们 得到原开方式的精确根=34,若常数项仍不为零,还可以继 续重复增乘程序来求小数后的各位数字。
贾宪增乘开方法,是一个非常有效的和高度机械化的算 法,可适用于开任意高次方.这种随乘随加、能反复迭代计 算减根变换方程各项系数的方法,与现代通用的“霍纳算 法”(1819)已基本一致.而与此方法相联系的“贾宪三角”, 在西方文献中则称“帕斯卡三角”(1654).
相当于一次同余方程组
x 0mod 300 180mod 240 60mod 180
其中180,60分别是乙,丙最后一日行路数 240 18 ,180 8
24
24
所求最小距离为 x 40500 168000 208500 3300 mod 3600
开方作法本源图(如图,采自
《永乐大典》)现称“贾宪三角”或
“杨辉三角”,它实际上是一张二
项系数表(x, a即)n (n 0,1,2, ,6)
展开
的各项系数,贾宪将左右斜线上的
数字1分别称为“积数”和“隅算”,
将这两行斜线数字中藏的数字称为
“廉”,开几次方,就用相应行的
廉;第三行为“二”是开平方的廉;
清代著名数学家陆心源(1834-1894)称赞说:“秦九韶能于 举世不谈算法之时,讲求绝学,不可谓非豪杰之士。”
德国著名数学史家M.康托尔(Cantor,1829-1920)高度评价 了大衍求一术,他称赞发现这一算法的中国数学家是“最幸运的 天才”。
美国著名科学史家萨顿(G·Sarton,1884-1956)说过,秦九 韶是“他那个民族,他那个时代,并且确实也是所有时代最伟大 的数学家之一”。
秦九韶把 a i叫“定数”g,i 叫“奇数”,他的大衍求一术,实
际上相当于把奇g i 数 ai 与定数
辗转相除,q1相, q2继,得, q商n 数
和余数r1, r2 , , rn ,在辗转相除时随即算出下表右边的c值:
秦九韶指出,当 rn 1 而 n 是偶数时,最后得到 cn 的就是所求 乘率 k i ;如果 rn 1而 n 是奇数,则将rn1 与 rn 相除,形式上令 qn1 rn1 1, 那么余数 rn1 仍是1,再作 cn1 qn1cn cn1, 这时
成就:
《数书九章》是对《九章算术》的继承和发展,概括 了宋元时期中国传统数学的主要成就,标志着中国古 代数学的高峰。当它还是抄本时就先后被收入《永乐 大典》和《四库全书》。1842年第一次印刷后即在民 间广泛流传。
秦九韶所创造的正负开方术和大衍求一术长期以来影 响着中国数学的研究方向。焦循、李锐、张敦仁、骆 腾凤、时曰醇、黄宗宪等数学家的著述都是在《数书 九章》的直接或间接影响下完成的。
秦九韶著《数术大略》即(《数学九章》)作术而不言具体数字更 是师法贾宪,可见其方法论的生命力。
当然,这些数学思想方法也并非贾宪独创,也是历代数学著述、
研究、积累的结果,而贾宪又将其提炼和传承。
(二)秦九韶“正负开方术”
在高次方程数值求解领域的集大成者,是南宋数学家秦九 韶.秦九韶(约公元1202—1261)在他的代表著作《数书九章》 中,将增乘开方法推广到了高次方程的一般情形。他将自己的 方法称为“正负开方术.正负开方术是求高次代数方程的完整 算法.
3.3.2 中国剩余定理
秦九韶《数书九章》卷一“大衍总数术”,明确地、系统 地叙述了求解一次同余方程组的一般方法.所谓“大衍总数术 ”,可以用现代符号来解释如下:
设有一次同余组
N Ri (mod ai ), i 1,2, , n.
假如诸模数 ai两两互素,那么只要求出一组数 k,i 满足:
ki
M ai
1(mod ai ), i 1,2,
, n,
就可以得到适合已给一次同余组的最小正数解为
n
N (
i 1
Ri ki
M ai
)

pM ,
其中 p为整数,M a1 a2 an .
“大衍总数术”中的关键部分,就是关于数组ki (i 1,2,…,n) 的计算方法.秦九韶称这些数 ki 为“乘率”,并把自己发 现的求乘率的方法称为“大衍求一术”.
先列出
a0 x n a1 x n1 an1 x an 0
形式的方程,其中方程系数除了常数项 a n 外都可正可负,常数 项则规定总为负,即“实常为负”.解方程的方法也是在取得 试商x 后通过减根变换x x h 将方程变形为新方程
a0' x n
a1' x n1
以任一乘率 ki 为例。令 先用 ai 除 Gi ,求得余数 gi
Gi
ai
M ,
,ai
若 Gi 那么
ai , 秦九韶首
Gi gi (mod ai ),
于是
kiGi ki gi (mod ai ),
但因 kiGi 1(mod ai ),故问题归结为求ki , 使适合
kiGi 1(mod ai ).
秦九韶,字道古,四川安岳人,先后在湖北、安徽、江 苏、浙江等地做官,1261年左右被贬至梅州,不久死于任 所.他早年在杭州“访习于太史,又尝从隐君子受数学”。 他潜心研究数学多年,在湖州守孝三年,于 1247年写成世 界数学名著《数书九章》.《数书九章》全书18卷,81题, 分九大类(大衍,天时,田域,测望,赋役,钱谷,营建, 军旅,市易).其中最重要的成就,除了“正负开方术”外, 还有“大衍总数术”,即一次同余式的一般解法.这两项贡 献使得宋代算书在中世纪世界数学史上占有突出的地位。

an' 1
x

aห้องสมุดไป่ตู้
' n
0
秦九韶“正负开方术”给出了一个机械化的迭代程序来计算新
方程的系a数0' , a1' ,
,
a
' n
,这一程序与贾宪增乘程序的主要区
别在于:后者在以试商由下而上累乘累加的最后,要将所得结
果从常数项中减去;而秦九韶的程序由于规定了“实常为负”,
整个运算便统一为加法,彻底实现了机械化的随乘随加.
杰等,在世界数学史上占有光辉的地位。
3.3.1 从“贾宪三角”到“正负开方”术
(一)贾宪三角与增乘开方法
贾宪是北宋人,约公元1050年完成一部叫《黄帝九章算术 细草》的著作,原书丢失,但其主要内容被南宋数学家杨辉著 《详解九章算法》(1261)摘录,因能传世。根据杨辉的摘录, 贾宪的高次开方法是以一张称为“开方作法本源”的图为基础。
下面用杨辉《详解九章算法》中记载的一道例题来说明这种 方法.该题相当于求
x4 1336336 的正根。贾宪的算法相当于以下程序:
① 令 x 10x1 ,方程变换为 10 4 x14 1336336
② 议得首商为3


x1

3
x
2,设方程变换为:
a0
x
4 2

a1 x23

a2 x22
数学史讲义
第三章 中世纪的中国数学
复习:
1、《周髀算经》与《九章算术》; 2、从刘徽到祖冲之; 3、祖冲之与祖暅; 4、《算经十书》 。
中世纪的中国数学
从公元前后至公元14世纪,中国数学先后经历了三 次发展高潮,即两汉时期、魏晋南北朝时期以及宋元时 期,其中宋元时期达到了中国古典数学的顶峰。
以《孙子算经》的“孙子问题”为例 “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?”
如,杨辉对孙子问题的推广 七除余一,八除余二,九除余二,问此数几何?
程行计地 “问:军师获捷,当早点差急足三名,往都下节节走报。其甲于
前数日申末到。乙后数日午正到。丙于今日辰末到。据供:甲日 行三百里,乙日行二百四十里,丙日行一百八十里。问:自军前 至都里数及三人各行日数几何?” 答数:前线到京城3300里,甲行11日,乙行13日4.5时辰,丙行 18日2时辰。
第四行三、“三”是开三次方的廉;
第五行“四、六、四”是开四次方
的廉,等等,“积”、“隅”、
“廉”都是沿用中国古代开方术语。
他在“增乘方求廉法草”中给出的求贾宪三角第七行各 数的方法相当于如下程序:
1 1+5=6
第一位(上廉)
1 1+4=5 5+10=15
第二位(二廉)
1 1+3=4 4+6=10 10+10=20
秦九韶与《数书九章》
《数书九章》分18卷,约27万字,分九章:大衍类,天时类,田 域类,测望类,赋役类,钱谷类,营建类,军旅类,市物类。
全书采用问题集的形式,并不按数学方法来分类。题文也不只谈 数学,还涉及自然现象和社会生活,成为了解当时社会政治和经 济生活的重要参考文献。《数书九章》在数学内容上颇多创新。
贾宪数学思想的影响
贾宪对于《九章算术》中提出的问题,抽象分析,揭示数学本质 ;借助程序化,讲解方法的原理;提纲挈领,梳理知识脉络;注 重知识系统化,避免产生悖论。这些思想方法对宋元数学家有很 深的影响。
杨辉著《详解九章算法》借鉴了贾宪的抽象和探索成果,对《九 章》各题重新纂类。
朱世杰著《四元玉鉴》也用到这些思想方法,成就了我过古代数 学史上的巅峰之作。
毁誉参半
对于秦九韶究竟是何等样人,除了“伟大的数学家” 之外,通常就讳莫如深了。用现代的眼光看,秦九韶 可能是中国历史上少见的奇人之一 。
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