《数学史》从刘徽到祖冲之解析

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刘徽在割圆术中提出的"割之弥细,所失弥少,割之又割以至于不可割, 则与圆合体而无所失矣",这可视为中国古代极限观念的佳作.
古典数学的形成与发展时期
S12
S 24
C6 R 3a6 R 3a6 R 2 C12 R 6a12 R 6a12 R 2
第三,找出与圆面积之间的关系,这种关系也称刘徽不等式。
S96 S圆 S192 S192 S96
A O C D
B
割圆术的基本原理
设圆面积为So、半径为 r、圆内接正n边形边长为 In 、周长为 Ln、 面积为 Sn 。将边数加倍后,得到圆内接正2n边形,其边长、周长、 面积分别记为 l2n , L2n , S 2n 。 刘徽首先指出,由 ln 及勾股定理可求出 l2n 其次知道了圆内接正n 边形的周长 Ln,又可求得正2n边形的面积, 如果在圆内接n边形的每边上作一高为CD的矩形,就可以证明刘徽不 等式: S2n < So< S2n + ( S2n-Sn ).
S 62n
1 C 62n 1 R 6 2 n 2 a 62n 1 R 6 2 n 2 a 62n 1 R 2


R 3a
古典数学的形成与发展时期
第一,设圆的半径为1尺,从圆内接正六边形出发,倍增正多边形的 边数,直到正96边形,依次算出正多边形的周长和面积。 第二,由正48边形边长计算正96边形面积。
中国数学家刘徽
《九章算术》约成书于东汉之初,共有246个问题的解法.在许多方 面:如解联立方程,分数四则运算,正负数运算,几何图形的体积 面积计算等,都属于世界先进之列, 但因解法比较原始,缺乏必要的证明,而刘徽则对此均作了补 充证明.在这些证明中,显示了他在多方面的创造性的贡献.他是 世界上最早提出十进小数概念的人,并用十进小数来表示无理数的 立方根.在代数方面,他正确地提出了正负数的概念及其加减运算 的法则;改进了线性方程组的解法.在几何方面,提出了"割圆术",
中国古代数学的发展
刘徽用无穷分割的方法证明了直角方锥与直角四面体的 体积比恒为2:1,解决了一般立体体积的关键问题。在证 明方锥、圆柱、圆锥、圆台的体积时,刘徽为彻底解决 球的体积提出了正确途径。
中国古代数学的发展
东晋以后,中国长期处于战争和南北分裂的状态。祖冲 之父子的工作就是经济文化南移以后,南方数学发展的 具有代表性的工作,他们在刘徽注《九章算术》的基础 上,把传统数学大大向前推进了一步。他们的数学工作 主要有:计算出圆周率在3.1415926~3.1415927之间; 提出祖暅原理;提出二次与三次方程的解法等。
中国古代数学的发展
唐初统治者继承隋制,656年在国子监设立算学馆,设有 算学博士和助教,学生30人。由太史令李淳风等编纂注 释《算经十书》,作为算学馆学生用的课本,明算科考 试亦以这些算书为准。李淳风等编纂的《算经十书》, 对保存数学经典著作、为数学研究提供文献资料方面是 很有意义的。他们给《周髀算经》、《九章算术》以及 《海岛算经》所作的注解,对读者是有帮助的。隋唐时 期,由于历法的需要,天算学家创立了二次函数的内插 法,丰富了中国古代数学的内容。
刘 徽
中国古代数学的发展

赵爽是中国古代对数学定理和公式进行证明与推导的 最早的数学家之一。他在《周髀算经》书中补充的“勾 股圆方图及注”和“日高图及注”是十分重要的数学文 献。 在“勾股圆方图及注”中他提出用弦图证明勾股定理和 解勾股形的五个公式;在“日高图及注”中,他用图形 面积证明汉代普遍应用的重差公式,赵爽的工作是带有 开创性的,在中国古代数学发展中占有重要地位。
中国古代数学的发展
隋炀帝大兴土木,客观上促进了数学的发展。唐初王孝 通的《缉古算经》,主要讨论土木工程中计算土方、工 程分工、验收以及仓库和地窖的计算问题,反映了这个 时期数学的情况。王孝通在不用数学符号的情况下,立 出数字三次方程,不仅解决了当时社会的需要,也为后 来天元术的建立打下基础。此外,对传统的勾股形解法, 王孝通也是用数字三次方程解决的。
古典数学的形成与发展时期
(1)割圆术
刘徽注《九章算术》方田章“圆田术”:“半周半径相乘得积步”,
求圆面积时用圆周率为3。 “又按:为图,以六觚之一面乘半径,因而三之,得十二觚之幂。若
又割之,次以十二觚之一面乘半径,因而六之,则得二十四觚之幂。
割之弥细,所失弥少。割之又割,以至于不可割,则与圆周合体而无 所失矣。”
公式,但当他转向立体情形时,却发现“出入相补”的运用遇到
了很大的困难。这里实质性的障碍在于:与平面情形不同,并不 是任意两个体积相等的立体图形都可以剖分或拼补(也就是中国
古代数学家所说的“出入相补”)相等。
“圭田”即等腰三角形
“今有圭田,广十二步,正纵二十一步。问:为田几何?“ 答曰:一百二十六步。
踵广

正纵 盈 虚

舌广
他在推算《九章算术》中的一些立体体积公式时,灵活地使 用了两种无限小方法:极限方法与 不可分量方法。
(1)阳马术。《九章算术》“商功章”阳马术给出阳马的体积 公式为其三条直角边乘积的三分之一。 术曰:“广袤相乘,以高乘之,三而一.” 刘徽从一长方体出发(见图), 将它斜分成两个“壍堵”,然后 再斜分壍堵得到两个立体图形, 其中一个就是阳马,另一个是鳖 臑。
中国古代数学的发展
据推测,祖冲之在刘徽割圆术的基础上,算出圆内接正 6144边形和正12288边形的面积,从而得到了这个结果。 他又用新的方法得到圆周率两个分数值,即约率22/7和 密率355/113。祖冲之这一工作,使中国在圆周率计算方 面,比西方领先约一千年之久;
中国古代数学的发展

祖冲之之子祖暅总结了刘徽的有关工作,提出“幂势 既同则积不容异”,即等高的两立体,若其任意高处的 水平截面积相等,则这两立体体积相等,这就是著名的 祖暅公理。祖暅应用这个公理,解决了刘徽尚未解决的 球体积公式。


术曰:半广以乘正纵。
刘徽注:“半广者,以盈补虚为直田也。亦可半正纵以乘广。按半广乘纵, 以取中平之数。故广纵相乘为积步。亩法除之,即得也。”
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刘徽图解:
虚 盈
盈 盈 虚 虚
“邪田”,即直角梯形的面积:
“今有邪田,一头广三十步,一头广四十二步,正纵六十四步。问: 为田几何?”
答曰:九亩一百四十四步。
术曰:并两邪而半之,以乘正纵若广。又可半正纵若广,以并,亩 法而一。

1 斜田面积= 一头广 另一头广 正纵 2 1 = 正纵 一畔纵 另一畔纵 2
刘徽根据出
入相补原理
的图解:
正纵

半正纵
盈 虚 两斜
盈 两斜半之
“箕田”即等腰梯形
“今有箕田,舌广二十步,踵广五步,正纵三十步。问:为田几何?” 答曰:一亩一百三十五步。 术曰:并踵舌而半之,以乘正纵。亩法而一。 刘徽注:“中分箕田则为两邪田,故其术相似。又可并踵舌,半正纵以乘之”
中国古代数学的发展
刘徽约与赵爽同时,他继承和发展了战国时期名家和 墨家的思想,主张对一些数学名词特别是重要的数学概 念给以严格的定义,认为对数学知识必须进行“析理”, 才能使数学著作简明严密,利于读者。 他的《九章算术》注不仅是对《九章算术》的方法、公 式和定理进行一般的解释和推导,而且在论述的过程中 有很大的发展。刘徽创造割圆术,利用极限的思想证明 圆的面积公式,并首次用理论的方法算得圆周率为 157/50和 3927/1250。
徽率
从圆内接正六边形出发,取半径r为1尺,一直计算到192 边形,得出圆周率的近似值π≈3.14,化成分数为157/50, 这就是有名的“徽率”
古典数学的形成与发展时期
弧田术
刘徽注《九章算术》方田章“弧田术”:“以弦乘矢,矢又自乘,
并之,二而一。”
(二)体积理论
刘徽的面积、体积理论建立在一条简单而又基本的原理之上, 这就是他所谓的“出入相补”原理:一个几何图形(平面的或立 体的)被分割成若干部分后,面积或体积的总和不变。 在平面的情形,刘徽成功地证明了《九章算术》中许多面积
术曰:广袤相乘,以高乘之,三而一。”
刘徽注:“邪解立方得两堑堵,邪解堑堵,其一为阳马,一为鳖臑,
阳马居二,鳖臑居一,不易之率也。合两鳖臑成一阳马,合三阳马
而成 一立方,故三而一。”
刘徽证明阳马体积与鳖臑体积之比为2:1
3 2 13 2 13 2 1 3 2 1 1 V 1 2 n 4 3 44 3 44 3 4 4 3 4 4
古典数学的形成与发展时期
刘徽常使用四种图形来求立体:立方、堑堵、阳马和鳖 臑
古典数学的形成与发展时期
刘徽常使用四种图形来求立体:立方、堑堵、阳马和鳖臑
方台
古典数学的形成与发展时期
《九章算术》商功第 15 问
“今有阳马,广五尺,袤七尺,高八尺。问积几何。
答曰:九十三尺少半尺。
“牟合方盖”
在《九章算术*开立圆术》注中,他指出了球体积公式 V=9D3/16(D为球直径)的不精确性,并引入了“牟合方盖” 这一著名的几何模型
球体积
牟合方盖”是指正方体的两个轴互相垂直的内切圆柱体的贯交部分。 牟合方盖的性质:牟合方盖的内切球就是立方体的内切球.
中国古代数学的发展
算筹是中国古代的主要计算工具,它具有简单、形象、具体等优点, 但也存在布筹占用面积大,运筹速度加快时容易摆弄不正而造成错 误等缺点,因此很早就开始进行改革。其中太乙算、两仪算、三才 算和珠算都是用珠的槽算盘,在技术上是重要的改革。 尤其是“珠算”,它继承了筹算五升十进与位值制的优点,又克服 了筹算纵横记数与置筹不便的缺点,优越性十分明显。但由于当时 乘除算法仍然不能在一个横列中进行。算珠还没有穿档,携带不方 便,因此仍没有普遍应用。
注九章”,由此知道刘徽是公元3世纪魏晋时人,并于公
元263年撰《九章算术注》。 《九章算术注》包含了刘徽 本人的许多创造,完全可以看成是独立的著作,奠定了这
位数学家在中国数学史上的不朽地位。
刘徽数学成就中最突出的是“割圆术”和体积理论 。
中国数学家刘徽
刘徽(约公元225年—295年),汉族,山东临淄人,魏晋期 间伟大的数学家,著有《九章算术注》和《海岛算经》等。刘徽的 一生是为数学刻苦探求的一生.他虽然地位低下,但人格高尚.他 不是沽名钓誉的庸人,而是学而不厌的伟人,他给我们中华民族留 下了宝贵的财富。
中国古代数学的发展
魏、晋时期出现的玄学,不为汉儒经学束缚,思想比较 活跃;它诘辩求胜,又能运用逻辑思维,分析义理,这 些都有利于数学从理论上加以提高。吴国赵爽注《周髀 算经》,汉末魏初徐岳撰《九章算术》注,魏末晋初刘 徽撰《九章算术》注、《九章重差图》都是出现在这个 时期。赵爽与刘徽的工作为中国古代数学体系奠定了理 论基础。
中国古代数学的发展
唐中期以后,商业繁荣,数字计算增多,迫切要求改革 计算方法,从《新唐书》等文献留下来的算书书目,可 以看出这次算法改革主要是简化乘、除算法,唐代的算 法改革使乘除法可以在一个横列中进行运算,它既适用 于筹算,也适用于珠算。
3.2.1刘徽的数学成就
《隋书》“律历志”中提到“魏陈留王景元四年刘徽
•《九章算术注》对数学方法的贡献 开始了其独特的推理论证的尝试。 “析理以辞,解 体用图。” 创立了“出入相补”的方法,提出了“割圆 术”,上首次将极限概念用于近似计算;引入十进制小 数的记法和负整数的知识;他试图建立球体积公式,虽 然没有成功,但为后人提供了科学的方法;他对勾股测 量问题的深入研究,在几何研究中,从少数几个原理出 发,运用逻辑手段推导出结果的方法 。提出“审辨名 分”,不但对自己提出的每一个新概念都给出界定《九 章算术注》丰富了《九章算术》的数学成果,主要表现 在算术、代数和几何诸方面。 诸如,割圆术与徽率“割 之弥细,所失弥少,割之又割,以至于不可割,则与圆 合体而无所失矣。”
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