登陆注册
24383900000015

第15章 注释《算术》的刘徽

刘徽,中国古代数学家,大约生活在公元3世纪。据数学史学家考证,他出生于淄乡,即今天的山东省邹平县。

刘徽注《九章算术》,在数学上做出了许多杰出的贡献,是与他当时生活的社会环境分不开的。自先秦到魏晋,齐鲁地区作为孔孟之道发祥地,一直在文化发展程度上居于全国前列。

战国时期,齐桓公在其都城临淄设立稷下学宫,广招天下博学之士。历时150年间,该地区成为学术气氛最为活跃的研究中心。另外,公元2世纪和公元3世纪的齐鲁地区数学也较为发达,有一批数学家出现,包括郑玄、徐岳等人。在这样一种文化氛围中,使得刘徽有机会学习各种文化典籍,有机会接触到当时先进的数学知识,为他以后的数学研究积累了丰富的资料。

刘徽最大的成就是他注释了《九章算术》,在这一过程中,刘徽取得了许多创造性的成就。

经他作注的《九章算术》对我国数学的发展产生了深远的影响,成为东方数学的代表作之一。刘徽的创造性工作,我们可以从以下几个方面加以概括。

刘徽与圆周率的计算

古往今来,世界上许多数学家运用各种方法计算过圆周率,为认识π这个数付出了无数心血。我国战国时期的数学著作《周髀算经》中已有“周三径一”之说,意思是圆的周长约是其直径的三倍。这是人们在长期的实际生产生活中摸索总结出的经验性知识,并不是通过严格的数学计算得到的精确值,人们在应用过程中也发现用它计算出来的圆周长和圆面积都比实际值小。后来的数学家利用各自的方法逐步将其精确化,从此踏上寻找圆周率精确值的漫漫旅程,今天的数学家利用计算机已经将圆周率精确到小数点后数亿位。

刘徽在他的《九章算术》“圆田术注”中,论证了圆面积公式,给出了著名的圆周率计算方法——“割圆术”,并利用它计算出在当时相当精确的圆周率值。割圆术也成为数学史上伟大的创造之一。

刘徽从圆内接正六边形开始,使边数逐次加倍,作出正十二边形、正二十四边形…,并依次计算出它们的面积,这些结果将逐渐逼近圆面积,这样就可以求出圆周率的值,这种方法被称为刘徽割圆术。用刘徽的话来说,“割之弥细,失之弥少,割之又割,以至于不可割,则与圆合体而无所失矣。”意思就是说把圆周分得越细,即圆内接正多边形的边数越多,用它的面积去代替圆面积,就丢失的越少。不断地分割下去,让边数不断地增多,那么边数无限多的正多边形的面积就与圆面积相等了。刘徽巧妙地利用极限思想,化“曲”为“直”,化“无限”为“有限”,对圆面积公式S=1/2·CR作了相当严格的逻辑证明。利用相关的结果,在当时的计数方法、计算法则、计算工具等均不像今天这样方便的条件下,刘徽凭着他深刻的洞察力和执着钻研的精神,进行着艰苦的数字计算。推算到正192边形时,得出π=314,或π=157/50;推算到正3072边形时,可得到π=3927/1250(≈31416),这在当时是相当精确的结果。为了纪念刘徽的功绩,人们把π=157/50称为“徽率”。

刘徽的方法比希腊数学家阿基米德所用的方法更加巧妙。阿基米德用内接和外切正多边形确定圆面积的上、下限,而刘徽只用到了圆的内接正多边形。

刘徽的体积理论

我们在学习立体几何时,会接触到这样一条公理:“夹在两个平行平面间的两个几何体,被平行于这两个平面的任意平面所截,如果截得的两个截面的面积总相等,那么这两个几何体的体积相等”。最早明确提出这一原理的是祖冲之的儿子祖日恒(“缘幂势既同,则积不容异”)。而刘徽的体积理论则为这一原理的提出作了充分的准备。

《九章算术》时代,人们已经开始通过比较两个等高立体的最大截面积来解决某些体积问题,但并没有认识到必须保证任意等高处的截面积之比都等于最大截面积之比,才能进行比较。《九章算术》“开立圆术”中即认为球与外切圆柱之比等于π∶4,从而容易得出球体积公式V=9/16·D3

其中D是球的直径。刘徽在“注”中指出此公式是错误的。他将两个底面半径等于球半径的圆柱正交,称其公共部分为牟合方盖(见下图)。刘徽指出球与外切牟合方盖的体积比为π∶4。这一结论为200年后祖冲之父子求出牟合方盖的体积,从而为得到正确的球体积公式奠定了坚实的基础。

刘徽与计算方法

《九章算术注》中有几百个公式和解题方法,刘徽对每个算法的正确性均作了考察,并对各种算法的内在联系及应用进行了论述。“率”是这些工作中使用最普遍的工具,刘徽极大地发展了“率”的思想,从而将《九章算术》的算法提高到系统理论的高度。

“率”本是规格、标准之意。刘徽将率定义为“凡数相与者谓之率”,即相关的一组量称为率,用以讨论若干量之间的相关性,即相对的数量关系。这一概念要比我们现在常用的比率概念宽广得多。为了求出各物的率,要有一个公度作为标准,这个公度就是单位度量,亦即一,刘徽将它称为“数之母”。如五单位米可以化为一,则米率即为5,三单位粟可以化为一,则粟率即为3,米、粟的相与率为米5、粟3。由此可见率表示某物的度量与另一物的度量的相对关系,相当于现在密度、速度等意义。我们容易知道,分数的分子和分母也可以看成一种率关系。

刘徽还给出了率的一些重要性质,如:“一组成率的数,在投入运算时,其中一个缩小或扩大某倍数,则其余的数必须同时缩小或扩大同一倍数”。由此出发,刘徽给出了三种重要的等量交换:“约以聚之,乘以散之,齐同以通之”。“约以聚之”就是说,分子、分母同时缩小同一倍数,称作约分,此时分数单位变大;“乘以散之”即分子、分母同时扩大相同的倍数,分数单位就会变小。同时,刘徽还指出经过这样两种运算之后,虽然分数单位发生了变化,表现的形式不同,但分数值不变,明确阐述了分数的基本性质。

在运算时,几个分数只有化成同一分数单位才能进行加减,从而刘徽提出“齐同术”即“齐同以通之”,也就是我们现在所说的通分。刘徽指出应先使诸分数的分母同一,而后使每个分数的分数值保持不变。

刘徽将《九章算术》中的许多算术问题解法进行了归纳总结,形成了一些系统的方法。如他高度评价了今有术,将《九章算术》中的许多术文归结为今有术,把其中包含的原理(若A∶B=a∶b,则B=Ab/a)称为“都术”即普遍方法,这一方法传到印度和西方后被称为三率法。

率在代数中的应用主要表现在方程术中,刘徽在方程的定义、方程直除法、互乘相消法消元中的齐同原理及方程新术等方面做了创造性的工作。另外,刘徽还把率应用于圆周率、面积、体积、勾股容方、容圆等许多几何问题的解法中。

《九章算术》粟米、衰分、均输三章都是关于比例和比例分配的问题,内容交错。刘徽用率将这三章的方法统一了起来,不仅把比例、比例分配归结为今有术,而且将分数、追及、利息等一般算术问题都化为今有问题,并将率应用于方程、面积、体积等问题,使得率成为计算问题的灵魂。

总之,刘徽的《九章算术注》不仅有概念、命题,而且还有联系这些命题的逻辑推理,它标志着我国古代数学已经形成了自己独具特色的理论体系。

另外,刘徽熟练地运用直角三角形的性质,推广了我国古代的“重差术”,写成了《海岛算经》一书,从书中所解决的问题可以看出刘徽已经掌握了相当复杂的测量和计算方法。

刘徽注《九章算术》,充分体现了他作为一个数学家应有的科学态度。他实事求是,不仅继承了《九章算术》所开创的数学联系实际的传统,更重要的是他没有盲目崇拜古人取得的成就。他在全面论证《九章算术》的公式、解法的同时,指出了其中的许多错误和不精确之处,并给以纠正或提出改善建议,他对许多问题的补充解法,大大丰富了《九章算术》的内容。但用对《九章算术》作注的形式展现自己的数学思想,在一定形式上也限制了刘徽的数学创造的展开及其数学思想对后世的影响,或许这该是最让人引以为憾的事情了。

同类推荐
  • 语文新课标课外读物——狼孩历险记

    语文新课标课外读物——狼孩历险记

    现代中、小学生不能只局限于校园和课本,应该广开视野,广长见识,广泛了解博大的世界和社会,不断增加丰富的现代社会知识和世界信息,才有所精神准备,才能迅速地长大,将来才能够自由地翱翔于世界蓝天。否则,我们将永远是妈妈怀抱中的乖宝宝,将永远是温室里面的豆芽菜,那么,我们将怎样走向社会、走向世界呢?
  • 呼啸山庄

    呼啸山庄

    《呼啸山庄》通过三十多年的时间跨度,叙述了恩肖和林敦两家两代人的感情纠葛以及一个错综复杂、惊心动魄的故事。呼啸山庄的主人——乡绅恩肖先生带回一个来历不明的孩子,为其取名希思克利夫。恩肖先生很宠爱这个孩子,于是引起儿子亨德利的嫉妒。在恩肖先生去世后,希思克利夫遭到亨德利的残酷迫害。希思克利夫与恩肖先生的女儿凯瑟琳相爱,但凯瑟琳却嫁给了别人。于是,在多重迫害和打击下,希思克利夫展开了一系列的疯狂报复行为……本书也告诉读者,我们不管遭遇什么挫折和打击,都应该保有一颗积极向上的心。在遭遇不公时,也要有敢于抗争的勇气。就算人生的旅途中,偶尔做错事,也不要那么偏执固执,而是要学会反思,救赎内心,保持人性的本真。
  • 语文新课标课外读物:辛巴达历险记

    语文新课标课外读物:辛巴达历险记

    现代中、小学生不能只局限于校园和课本,应该广开视野,广长见识,广泛了解博大的世界和社会,不断增加丰富的现代社会知识和世界信息,才有所精神准备,才能迅速地长大,将来才能够自由地翱翔于世界蓝天。否则,我们将永远是妈妈怀抱中的乖宝宝,将永远是温室里面的豆芽菜,那么,我们将怎样走向社会、走向世界呢?
  • 青少年必知的智谋经典

    青少年必知的智谋经典

    本书精心编选,收录了19部世界著名谋略经典,并详细介绍其内容、艺术特色、影响及作者的创作过程、主要成就等。
  • 中学文科课程资源-天下为公

    中学文科课程资源-天下为公

    诗词是阐述心灵的文学艺术,而诗人、词人则需要掌握成熟的艺术技巧,并按照严格韵律要求,用凝练的语言、绵密的章法、充沛的情感以及丰富的意象来高度集中地表现社会生活和人类精神世界。中国诗起源于先秦,鼎盛于唐代。中国词起源于隋唐,流行于宋代。
热门推荐
  • 驸马哪里逃

    驸马哪里逃

    “姑娘,无论你叫什么,是什么身份都不会改变我对你的钦慕之情!”这是项君说的话。当看到他眼光中流露出真挚的情感,若来凤就知道自己完蛋了,埋下了祸根。“公子,当初是你救了妾身,妾身无以报答,只有以身相许,但愿公子不要嫌弃妾的出身,妾身一定会对公子好一辈子的!”向来冷艳无比的冰凝姑娘居然也会这般热情似火,对着若来风说出这般情话!“公主,公主,您要去哪里?皇上可还等着您回宫选驸马呢!”怡儿在后面追着,大声的呼喊着。一个人两重身份,不仅男人喜欢,就连女人也爱得不得了!柳清凤以两个身份来走天下,却不料麻烦上身,乱了,乱了!都不要纠缠我了,统统回家去,本姑娘还要回去选驸马呢!前面那个姓郭的,你可不要忘了你可是本公主的驸马,你想逃,想逃到哪里去?------------------欢迎亲们加入读者群:113634577
  • 28岁未成年Z

    28岁未成年Z

    28岁,说大不大,说小不小,正是脸蛋拼不过“新人”、能力比不上“老人”的尴尬年纪。有的人的28,工作自主、财富自由,而有的人的28,庸庸碌碌、甚至连喜欢的人都靠近不了。老周说,你年纪也不小了,不要浪费时间在不属于你的人身上,你浪费不起!倪天宇却说,你不试,怎么知道?
  • 寂苍穹

    寂苍穹

    蝴蝶为花醉,花却随风飞,花舞花落泪,花哭花瓣飞,花开为谁谢,花谢为谁悲。上一世,我少年轻狂,一曲弦断人终散这一世,许你白裙相依,为你斩尽天下,又何妨
  • 帝威葬天

    帝威葬天

    太古,天道巨变,天之精魄降临在这片大陆上,带着不为人知的使命,只身投入轮回.千百万年后,灵气修行在这片大陆繁衍发展,臻至巅峰...新书刚开,希望大家支持.新书等级:炼体境--通脉境--蕴灵境--先天境--抱丹境--分丹境--醒神境---合体境
  • 我的老婆太强了怎么办

    我的老婆太强了怎么办

    大帝兵解,剑神重生!“为什么?为什么还是你……”……“今天,我凤幼宣的男人要是出了一点问题,那么我将怪罪于在座的诸位!”……一代大帝、洪荒仙尊、此世最强剑神被称为天子剑的赵阔!居然选择这样的手段来逃避自己的宿命。千万年的轮回……赵阔是否能在这里做一个了断!
  • 诸天时空旅行家

    诸天时空旅行家

    一着不慎,刘勇被一个自称是旅行系统的东西给绑架,不是,绑定。根据系统自己说,它的功能就是带他前往诸天万界去吃吃喝喝,游山玩水,享受自由的人生……刘勇开始以为这玩意还不错,但直到他接到了一个系统给他分配的美食任务之后,他开始感觉有些不对劲了……
  • 仙门遍地是奇葩

    仙门遍地是奇葩

    原来仙门竟是这般不以为耻,当真是脸皮厚到极致。师傅喜欢徒弟,徒弟却为魔界鬼祭哭得死去活来。好一个郎艳独绝,遗世独立的灵澈仙人。又好一个不知羞耻,仙门之辱的徒弟。不愧是仙门之境,遍地奇葩,魔为仙成仙,仙为魔堕魔;不疯不魔,不魔不仙(ps:纯属瞎七八扯,毫无逻辑。)
  • 最强穿越

    最强穿越

    少年所追求的,是“愉悦”。所以,他成为了穿越者。
  • 天行

    天行

    号称“北辰骑神”的天才玩家以自创的“牧马冲锋流”战术击败了国服第一弓手北冥雪,被誉为天纵战榜第一骑士的他,却受到小人排挤,最终离开了效力已久的银狐俱乐部。是沉沦,还是再次崛起?恰逢其时,月恒集团第四款游戏“天行”正式上线,虚拟世界再起风云!
  • 圆梦路上

    圆梦路上

    她是一个农村的残疾人,她也想像正常人那样生活,可是,这对她来说并不是一件容易的事!于是她很努力地适应这个社会!可老天偏偏爱捉弄人,……到底她最后能不能如愿以偿呢?