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第4章 秦九韶

一、秦九韶生平与思想

秦九韶,南宋人,1202年生于四川安岳,曾任潼川(今四川三台)郡守,后又在安徽、湖北、江苏等多处做官,晚年贬至梅州(今广东梅州),1261年郁闷而亡。他在官场并不得意,但他对数学的研究与贡献却是十分光辉灿烂的。他知识渊博,“性极机巧,星象(天文)、韶律、算术以至营造等事无不精究”。他的代表作是《数书九章》,这是一部中国古代水平最高的数学著作之一。他的主要成就是高次方程的解法和一次同余方程的解法,创立的“中国剩余定理”,是我国数学科学的重大成就,为中华民族在世界数学界争得了荣耀。

美国科学史专家萨顿称秦九韶“是他那个民族,他那个时代乃至所有时代最伟大的数学家之一”。秦九韶治学态度非常投入,非常认真,而且肯于无私地把自己的研究成果奉献于世人,令人肃然起敬。他说:“数理精微,不易窥识,穷年致志,感于梦寐,幸而得知,谨不敢隐。”西方科学史家李约瑟称“秦九韶具有迷人的品格”。秦九韶对数学情有独钟,他盛赞数学可以论证“人事之变无不该,鬼神之情莫能隐”等人间天上的变化的机理。

从1244年开始,秦九韶利用在潮州为母亲守孝的3年时间,于1247年写成世界数学史上的名著《数书九章》(又名《数学大略》)。此书包括81个重要的应用问题,分成9大类,每类9题。

二、用三边长求三角形面积公式

《数书九章》中有一题曰:“问沙田一段,有三斜,其小斜一十三里,中斜一十四里,大斜一十五里,里法300步,欲知为田几何?”此题今译为“已知三角形三边长分别为13里,14里和15里,每里300步(一步5尺),问此三角形田地的面积是多少?”

秦九韶推导出三角形的面积公式为

S=12c2a2-(c2+a2-b22)2(7)

其中a,b,c是三角形的三边之长,c是最长边,a是最短边。“沙田一段”题中a=13里,b=14里,c=15里。

从秦九韶的公式(7)出发,可以推导出关于三角形面积的海伦(Heron,公元50年左右)公式。事实上

14\[c2a2-(c2+a2-b22)2\]

=116\[4a2c2-(a2+c2-b2)2\]

=116(2ac-a2-c2+b2)(2ac+a2+c2-b2)

=116\[b2-(a-c)2\]\[(a+c)2-b2\]

=116(b-a+c)(b+a-c)(a+c-b)(a+c+b)

=18s(2s-2a)(2s-2b)(2s-2c)

其中

s=12(a+b+c)

即得海伦公式为

s=s(s-a)(s-b)()s-c

本来,秦九韶建立公式(7)时,是用勾股定理证明此公式成立。

三、大衍求一术

《数书九章》中的最重大的成就是所谓“大衍求一术”。“大衍求一术”西方数学史家称之为“中国剩余定理”。“中国剩余定理”是“孙子定理”的推广。

公元元年左右,中国有一部名书《孙子算经》,此书的作者不详(不是孙膑)。《孙子算经》卷下第26题曰:“今有物不知其数,三三数之余二,五五数之余三,七七数之余二,问物几何?”

答曰:“二十三”。术曰:“三三数之余二,置一百四十;五五数之余三,置六十三;七七数之余二,置三十;并之,得二百三十三,以二百一十减之即得;凡三三数之余一,则置七十;五五数之余一,则置二十一;七七数之余一,则置十五;一百零五减之,即得。”

宋代人把上述算法编成口诀如下:

三岁孩儿七十稀。

五留廿一事尤奇,

七度上元重相会.

寒食清明便得知。

上元指正月十五元宵节,寒食即冬至,冬至到第二年的清明节为105天。

明代程大位把口诀改写得更通俗:

三人同行七十稀,

五树梅花廿一枝.

七子团圆正月半.

除百零五便得知。

具体计算如下:

2×70=140

3×21=63

2×15=30

140+63+30=233

233-105=128

128-105=23

23即所求的物数的最小值。

汉朝大将军韩信,骁勇如项羽而机智似孔明,用兵作战,为后世兵家之样板。一次,他令副将清点士兵总数,信问曰:“三三数之余几?五五数之余几?七七数之余几?”得知这三个余数后,韩信即刻算出士兵的最少数目,且嘱咐说,如果嫌少.可以再添上若干倍的105人;民间于是流传“韩信点兵,多多益善”的佳话。

“物不知数”问题的现代表示是求一次同余方程

x≡r1(mod3)x≡r2(mod5)x≡r3(mod7)(8)

的解。

孙子定理公式(8)的解为

x=70r1+21r2+15r3-105k,k∈N(9)

事实上,70被3除余1,且70=2×(5×7);21=1×(3×7),且21被5除余1;15=1×(3×5),且15被7除余1。所以701+21r2+15r3。

被3除余r1,被5除余r2,被7除余r3,而105k可被3,5,7除尽,所以公式(9)成立。

秦九韶把上述“物不知数”问题分析推广之,建立了“大衍求一术”,用现代记号来写为。

设m1,m2,…,mk是k个两两互素的正整数,令

m=m1m2m3…mn=miMi,i=1,2,…,k

则方程组

x≡ri(mod mi),i=1,2,…,k

的解为

x≡∑ki=1M"iMiri(mod m)

其中M"iMi≡1(mod mi),i=1,2,…,k;Mi叫做“衍数”。

上面写的记号a≡b(mod n)表示a与b两个整数被正整数n除的余数相同。

1743年和1801年,欧拉与高斯分别给出上述“中国剩余定理”的严格证明。当初秦九韶只言算术不言证,他禀承了中国古代数学“寓理于算”的传统,事实上这个传统弊大于利,不利于数学理论的发展。

四、《数书九章》中的名题选讲

三贼盗米问题:“闻有米铺,诉被盗去米一般三箩,皆适满,不记细数。今左壁箩剩一合,中间箩剩一升四合,右壁箩剩一合。后获贼,系甲乙丙三名。甲称当夜摸得马杓,在左壁箩,满舀入布袋;乙称踢着木履,在中壁箩,舀入袋;丙称摸得漆碗,在右壁箩,舀入袋。将归食用,日久不知数。索得三器,马杓满容一升九合,木履容一升七合,漆碗容一升二合。欲知所失米数,计赃结断三盗各几何?”

设原来箩里盛的米数为x合,令

m1=19,m2=17,m3=12

m1,m2,m3两两互素;又由题意知r1=1,r2=14,r3=1。于是x满足一次同余方程组

x≡1(mod 19)x≡14(mod 17)x≡1(mod 12)

m=m1m2m3=19×17×12=3876,M1=mm1=204,M2=mm2=228,M3=mm3=323。

由M1y1-m1z1=1,解得y1=M"1=15,

由M2y2-m2z2=1,解得y2=M"2=5,

由M3y3-m3z3=1,解得y3=M"3=11。

故所求之解x为

x≡M1M"1r1+M2M"2r2+M3M"3r3(mod m)

≡(204×15×1+228×5×14+323×11×1)(mod 3876)

≡(3060+15960+3553)(mod 3876)

≡3193(mod 3876)

至此知每箩能盛米3193合,甲盗走米3192合,乙盗走米3179合,丙盗走米3192合。

秦九韶称M"i为乘率,求M"i,使得

M"iMi≡1(mod mi)

是求解一次同余方程组的关键,所谓“求一术”即指求M"i,使求M"i与Mi的乘积被mi除余1。

1852年,英国的伟烈亚力发表《中国科学记述》一文,向西方数学家介绍了秦九韶的“大衍求一术”,西方数学家从此把“大衍求一术”译成“中国剩余定理”。

在《数书九章》中还给出高次方程近似解的方法,其中有一题求得10次方程的近似解。