人类历史上具有跨时代意义的数学发现和发明

人类历史上具有跨时代意义的数学发现和发明
人类历史上具有跨时代意义的数学发现和发明

人类历史上具有跨时代意义的数学发现和发明
割圆术
魏晋间人刘徽为了推导圆面积的计算公式并推求圆周率较精密之值,创造了「割圆术」,为圆周率的研究工作奠定理论基础和提供了科学的算法. 所谓圆周率,是指圆的周长与直径的比率. 在刘徽之前,中国通常采用的是「古率」,即取圆周率为3,很不精确,它实际上是圆内接正六边形周长与圆的直径之比,而不是圆的周长与直径之比. 但是,刘徽却从中得到启发：如果把圆周分割成十二等分,作出圆内接正十二边形,那么它的面积和周长就相应地比圆内接正六边形接近于圆的面积和周长,因而用圆内接正十二边形周长与圆直径之比作圆周率的近似值,就比「周三径一」精确一些. 如果进一细分,作出圆内接二十四边形,那么又可求出更精确一些的圆周率近似值. 「 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 」. 刘徽从圆内接正六边形开始,不断倍增图形的边数,边数愈多,多边形的面积便愈接近圆的面积,这就是刘徽所创的「割圆术」了. 刘徽从圆内接正六边形一直割到圆内接正一百十二边形,得出圆周率近似值为3．14 ,当刘徽把正多边形的边数倍增至3072时,又求得圆周率的分数值为 ,小数的近似值为3．1416 ,准确至四位小数. 后世称这个数为「徽率」. 都是当时世界第一流水平的成就. 二百多年后,祖冲之继续推算,于得出了更精确的结果：
3.1415926 ＜圆周率＜ 3.1415927
(祖冲之是世界上第一位把圆周率值计算准确至七位小数的人)
此外,祖冲之还给出了圆周率的两个分数值准确度较低的 (称为疏率)
准确度较高的 (称为密率)
然而,究竟祖冲之用什么方法把圆周率的值计算准确至七位小数,而他又怎样找出作为圆周率的近似分数呢?这些问题至今仍是数学史上的谜. 据数学史家们分析,他很可能采用了刘徽的「割圆术」,如果言个分析不错话,那么,祖冲之就需要从圆内接正六边形分割到圆内接正12288边形和圆内接正24576边形 ,依次求出各多边形的周长和面积. 这个计算量是相当巨大的,至少要对九位数字反覆进行130次以上各种运算,其中乘方和开方就有近50次,任何一点微小的失误,都会导致推算失败. 可知祖冲之深厚扎实的数学功底,严谨求实的科学态度. 祖冲之求得的这个圆周率值要在一千年以后才由阿拉伯数学家于1427年打破.

会圆术
是北宋科学家沈括在《梦溪笔谈》中的杰出创造,给出了弓形的弦、矢和弧长之间的近似关系. 「会圆术」是从《九章算术》的「方田」章所载的「弧田术」的基础发展而成的,所谓「会圆术」就是已知圆直径和弓形的高（即矢）,而求弓形底（即弦）和弓形弧的方法. 用「弧田术」来计算所得的近似值,不很精密,但用「会圆术」来计算,虽然也只能得到近似值,但精确多了.
沈括 出的求弧长的近似公式：

其中d 为弧所在的圆径, c 为弧田的弦, v 为弧田的矢.
重差术
《九章算术》中《勾股》章的最后几个问题,乃是测量城池、山高和井深之的测量问题,这种测量方法称为「重差术」. 三国时代数学家刘徽为了解释「重差术」,便撰写《重差》一卷,附在《九章算术》中《勾股》章之后,到了唐初,这一部分才被人从《九章算术》中抽出来,成为一部独立的著作. 因为它的第一题是关于测量海岛的高和远的问题,故将《重差》更名为《海岛算经》.
《海岛算经》第一题
今有望海岛,立两表齐高三丈,前后相去千步,令后表与前表参相直,从前表却行一百二十三步,人目着地,取望岛峰,与表末参合,从后表却行一百二十七步,人目着地,取望岛峰,亦与表末参合,问岛高及去表各几何?
此题提出望见有一个海岛,不知道它的高度和离岸距离,讨论如何量度海岛的高度和离岸距离.

刘徽给出的解法是：

立下两个高度都是h尺的标杆,两杆之间的距离是d尺,并且使这两个标杆和海岛的位置都处于一条直线上. 从前面标杆后退 a 尺,人目落地,观测杆顶和山顶在一条直线上. 再从后面的标杆后退 b 尺,人目落地,也可以观测到杆顶和山顶在一条直线上.
问海岛的高和海岛离岸距离：
海岛的高
海岛的远
由于这种计算需要两个差数,即 d 和 b - a ,故古代称为「重差术」.
a = 127 步, b = 127 步, h = 3 丈＝ 30 尺＝ 5 步, d = 1000 步
岛高 (1 里 = 300 步 )
岛远


盈不足术
盈不足术,在中国数学发展史上,有着很悠久历史,是一个原始的解题方法,（现在高等数学中求方程式实根近似值的假借法就是由古代的盈不足术发展而来的）,后来的数学家并不十分重视,但是它流传到中亚细亚和欧洲之后,在欧洲代数学没有发达之前,曾广泛用这方法解决代数学上的问题好几百年,所以盈不足术在世界数学史上有光荣的地位的.
《九章算术 》解这类问题的术文相当于公式：
人数：
物价：
程大位解法的歌词是：
算家欲知盈不足,
两家互乘并为物 ,
并盈、不足 为人实数（被除数）,
分率相减 余为法（除数）,法除物实为物价,
法除人实人数目.
例： 今有（人）共买物,人出八,盈三；人出七,不足四；问人数物各几何?
答曰：七人；物价五十三

物价= 人数=
方程
两千年前,中国古代有一部数学名著叫《九章算术》,其中一章名叫「方程」,是讲多元一次方程组的问题,对应于现今的线性方程组（System of linear equations),十七世纪前后,欧洲代数首次传入中国,当时译'equation'为「相等式」. 十九世纪中叶,近代西方数学再次传入中国,1859年清数学家李善兰与英国传教士伟烈亚力合译《代数初步》,其中,'equation'的译名就是借用了中国古代的「方程」一词,这样,「方程」一词首次意为「含有未知数的等式」. 1873年,清数学家华蘅芳与英国传教士传兰雅合译《代数学》,他们则把'equation'译为「方程式」,他们的意思是,「方程」与「方程式」应该区别开来,「方程」仍指《九章算术》中的意思,而「方程式」是指「含有未知数的等式」. 直到1934年,中国数学学对数学名词进行逐一审查,确定「方程」与「方程式」者意义相通,至此「方程」与「方程式」同义,自此一直 沿用下来 .
贾宪三角
宋代数学家杨辉于公元1261年所著的《详解九章算法》一书中,记载了一幅「 开方作法本源图 」,人们把它称为「杨辉三角」,是一个用数字排列成的三角阵. 西方把这个三角形称为「巴斯卡三角形」,但法国数学家巴斯卡造出它已经是十七世纪的事了. 据杨辉说「开方作法本源图」：「出《释锁算书》,贾宪用此术」,贾宪是十一世纪初北宋的一位数学家,比杨辉早两个多世纪,因此应把这个三角形称为「贾宪三角」.


「贾宪三角」实际上是将二项式a + b乘方后展开式的系数表：见「开方作法本图」下面的五句话：
「 左袤乃积数,右袤乃偶算,中藏者皆廉,以廉乘商方,命实而除之. 」
前三句说明了贾宪三角的结构,后二句明各系数在立成释锁方法中的作用.
（ 长方形土地东西的长叫做广,南北的长叫做袤.南北引申为上下. ）
「 左袤乃积数 」指左边由上而下的那一行「一一一一一一一」是二项展开式中常数项系数；
「 右袤乃偶算 」指右边由上而下的「一一一一一一一」是展开式中最高次项系数；
「 中藏者皆廉 」指中间那些数是对应各次项的系数；
「 以廉乘商方,命实而除之 」指开方或解方程时用所得的商去乘各次项系数,再从实中减去.
杨辉之后,朱世杰《四元玉鉴》也有同样的图,
名为「 古法七乘方图 」



增乘开方法
即高次方程数值解法,这方法可以求得任意高次展开式的系数. 高次方程数值解法是中国传统数学中最重要内容之一,源远流长,成就卓著,在汉代的《九章算术》中已有开平方、开立方的明确而规范的步骤,以及求解一元二次方程的记载,此后,南北朝祖冲之父子的《缀术》,唐代王孝通《缉古算经》中都研究了三次方程解法,北宋时期,刘益创立正负开方术,突破了以往方程系数仅为正数的限制；贾宪着有《黄帝九章算法细草》,其中一部分被杨辉采入《详解九章算法》,保留了贾宪的杰出数学成就：增乘开方法；贾宪发展了增乘开方法,创立开方作法本源,解决了一般的开高次方问题. 开方作法本源图是一个由数字排列成三角形的数表,称为贾宪三角形,给出了二项式展开式中的系数.

大衍总数术
就是求解联立一次同余式组问题,这类问题,在中国古代数学中由来已久,至少可以上溯到汉代历法中上元积年的推算. 《孙子算经》「物不知数」的数学模型,表明这一方法在南北朝时期已相当成熟,十三世纪秦九韶给出了完整方法,将其推广到最一般的情形,这方法称为「大衍总数术」,通常把中国古代求一次同余问题的解法称为「大衍求一术」. 在欧洲,经过欧拉（ Euler , 公元 1707 - 1783 ）、拉格朗日（ Lagrange , 公元 1736 - 1813 ）、高斯（ Gauss , 公元 1777 - 1855 ）、三位数学家六十多年的努力才达到相同水准,但已在秦九韶之后五百五十多年了. 中国古代数学这一杰出创造被方学者称为「中国剩余定理」,中国数学史界认为应叫做「孙子定理」.
天元术
天元是指问题中的未知数,「立天元某某」相当于现在的「设x为某某」的意思. 这种建立只包含一固未知数的一元代数方程的一般方法,被称为「天元术」. 「天元术」的起源大概是十三世纪初年的前后,创作者名字和年代不可考,流传下来的有元李治的《测圆海镜》和宋朱世杰的《四元玉鉴》、《算学启蒙》.
一元多次方程表示法「元」字的左边是一次项的系数,
上层依次为二次及三次项系数,下层为常数项,右图所示方程
四元术
是中国古代处理多元高方次程组问题（可多至四个未知数）的一套代数方法. 是将「天元术」只包含一个未知数的一元方程推广至二元、三元以至四元的高次联立方程组,因未知数可以有四个之多,后人把扩充后的天元术称为「四元术」. 「四元术」中的天、地、人、物四元,相当于现在的x 、 y 、 z 、 w ,而方程的各项,在筹式中都有各自相应的固定位置.
多元一次式表示法不同未知数以不同「元」表示,
计有天元、地元、人元和物元等 ,再把「太」字放在各元中间,下为天元,上为物元,左为地元,右为人元.
右图所示方程2 x + 6 y + 3 z + 7 w = 0
招差术
即内插法,是中国数学史上有世界意义的重要成就,汉代历法中已经使用了一次内插法,隋唐时期创用了二次内插法,元数学家王恂用了三次内插法,并将其运用到历法中的许多问题,朱世杰在此基础上更进一步,把垛积与招差视为相对互逆的运算,利用三角垛系统的结果建立了四次内插公式,这比西方的同类成果早了三百多年.
垛积术
即高阶等差级数求和问题. 设有一些形状及大小均相同的离散物体堆积为一个规则台体,应如何计算这些物体的个数 ?
在《九章算术》中己经绘出各种台体,拟台体的体积公式,但离散物体的垛积问题直到沈括正式提出,并得到完满的解决,这一成就构成了中国垛积术研究的开端,以后续有人研究,南宋杨辉在《详解九章算法》及《算法通变本末》中给出了三个垛积公式：
三角垛
四隅垛
方垛垛 ( 其中 n 为垛层数 )
后来元代朱世杰较大的发展,在《四元玉鉴》中有系统而深入的研究垛积问题,取得了极为辉煌的成就,并使之在其后数百年中一直成为数学家们关注的课题.
朱世杰的许多级数求和问题中,可归纳出一串有着重要意义的公式：




这类求和公式统称为三角垛公式.
到十九世纪李善兰的《垛积比类》集中算史上垛积之大成,乃有进一步发挥. 在此基础上产生了李善兰恒等式和「尖锥术」等一系列优秀成果.
纵横图
即现代所谓幻方（ Magic Square ）,一般是指由1到n的连续自然数组成的一个方阵,每行、每列及两条对角线上的n个数之和均相同,至迟在战国时代已经出现,被称为洛书或九宫,但在后来的一千多年中并无进一步发展.
洛书显然是一个三阶幻方,其横 、 纵 、对角线各行三数之和都是十五. 据北周甄鸶注《数术记遗》： 「九宫者,二四为肩,六八为足,左三右七,戴九履一,五居中央」,是世界上最古老的三阶幻方 .
洛书
4 9 2
3 5 7
8 1 6
杨辉在他的《续古摘奇算法》中创「纵横图」之名,收入幻方十三个,包括：洛书数（三阶幻方）一,花十六图（四阶幻方）二,五五图（五阶幻方）二,六六图（六阶幻方）二,衍数图（七阶幻方）二,易数图（八阶幻方）二,九九图（九阶幻方）一,百子图（十阶幻方）一,另外还有聚五、聚六、聚五、攒九、八阵、连环诸图,是一些呈圆形的数学阵,具有与幻方类似的性质. 杨辉不仅记了许多幻方,而且对于奇数阶 3 n 阶及双数阶幻方提示了具有一般性的造方法,成为中国数学史上第一位对幻方进行系统的数学探讨的数学家. 此外,明代王文素着的《算学宝鉴》中亦有记载多种纵横图,程大位着的《算法统宗》在卷17里载有14种纵横图. 清代方中通的《数度衍》在卷首之一的「九九图说」后附有14种纵横图,它与杨辉著作中的基本上相同. 欧洲的同类工作直到十六世纪才得以系统地展开.
46 8 16 20 29 7 49
3 40 35 36 18 41 2
44 12 33 23 19 38 6
28 26 11 25 39 24 22
5 37 31 27 17 13 45
48 9 15 14 32 10 47
1 43 34 30 21 42 4
衍数图（七阶幻方） （纵横斜175 ）
31 76 13 36 81 18 29 74 11
22 40 58 27 45 63 20 38 56
67 4 49 72 9 54 65 2 47
30 75 12 32 77 14 34 79 16
21 39 57 23 41 59 25 43 61
66 3 48 68 5 50 70 7 52
35 80 17 28 73 10 33 78 15
26 44 62 19 37 55 24 42 60
71 8 53 64 1 46 69 6 51
九九图（九阶幻方） （纵横斜369 ）
右图是杨辉的九九图,可以清楚地看出他以三阶幻方为基础构造一般的3 n阶幻方的尝试：
这一九阶幻方明显地划分为九个阶方阵,每个三阶为阵的各数都由九的倍数加上图中蓝色方框中的数字构成,且结构完全一致,其和谐、对称,富有规律,在数学上达到了十分优美的境界. 体现了杨辉幻方研究的高度理论水准.
1 20 21 40 41 60 61 80 81 100
99 82 79 62 59 42 39 22 19 2
3 18 23 38 43 58 63 78 83 98
97 84 77 64 57 44 37 24 17 4
5 16 25 36 45 56 65 76 85 96
95 86 75 66 55 46 35 26 15 6
14 7 34 27 54 47 74 67 94 87
88 93 68 73 48 53 28 33 8 13
12 9 32 29 52 49 72 69 92 89
91 90 71 70 51 50 31 30 11 10
百子图（十阶幻方） （纵横斜505 ）
尖锥术
公元 1845 年李善兰在其《方圆阐释》一书中建立了一套相当于简单形式的积分学 — 尖锥术理论,提出：
体积是由面积积迭而成,面积是由线段积迭而成.
体积可变为面积,面积可变为线段.

勾股形

勾股形为什么在中国古代直角三角形会叫「勾股形」呢?
原来,中国古代在进行天文测量时,在地上?一根木竿,叫做「表」.
「表」在地面上投射出一道日影,于是表和日影构成了一个直角三角形的两条直角边. 中国古代就把直角三角形称为「勾股形」,「表」那条直角边称为「勾」,日影那条直角边称为「股」,勾股形的斜边称为「弦」 .
测出勾股的长度,便可以粗略地 推算出太阳的高度.

莱布茨尼 牛顿 微积分