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1．甲骨文中的数字 商代(1500BC~1000BC)甲骨文表明，当时已有比较完整的字系统．从1到10的每个整数，以及100，1000，10000，都有相应的符号表示： 十、百、千、万的倍数多用合文，例如10的倍数 在甲骨文中，最大的数是三万．人们能表示三万以内的任何自然数(也许更多)．甲骨文中的数字，大部分联系着实物，如五十犬，三十羊．也有一些甲骨上的数字是独立出现的，人们曾在一片龟甲上发现了10以内的全部自然数，没有和实物连在一起，说明商代已经有了抽象的自然数概念 2．记数和运算 商代数学中，十进制已相当完善了. 对甲骨文的研究表明，商朝人已经会做自然数的加、减法和简单乘法了，遗憾的是不知道他们的具体算法，因为甲骨文记录的只是运算结果，而没有运算过程． 周代记数法与商代相比，有---个明显的进步，就是出现了位值记数．如20世纪70年代出土的一个中山国铜灯铭文中，355记作，末位的五表示个位五，而前一个五表示五十，两个五间没有用十隔开．这说明当时已有了位值的观念，只是应用不多，还未形成系统的制度． 3．干支纪年法 六十循环的“天干地支”记数法，是商代数学的又一个成就．这种方法主要用于历法，可称干支纪年法．天干有10个，即甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸；地支有12个，即子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥．天干与地支相配，共得60个不同单位---以甲子开始，以癸亥告终．然后又是甲子，如此循环不断．中国农历至今还使用这种方法． 人们在商代甲骨文和西周金文的基础上，逐渐懂得把字写在竹片(或木片)上，用绳子穿成册，这就是早期的书．写上字的竹片称为简，或竹简．春秋战国的大批数学成果，便是通过竹简流传下来的． 1．几何与逻辑 《墨经》中讨论的几何概念可以看作数学理论研究在中国的最初尝试．《墨经》是以墨翟(约公元前490---前405)为首的墨家学派的著作，包括光学、力学、逻辑学、几何学等各方面问题．它试图把形式逻辑用于几何研究，这是该书的显著特色．在这一点上，它同欧几里得(Euclid，约公元前330—前275)《几何原本》相似，一些几何定义也与《原本》中的定义等价．下面略举几例： (1)“平，同高也”---两线间高相等，叫平．这实际是平行线的定义． (2)“同长，以正相尽也”---如果两条线段重合，就叫同长． (3)“中，同长也”---到线段两端的距离相同的点叫中(点)． (4)“圆，一中同长也”---到一个中心距离相同的图形叫圆． 《墨经》中依次给出点、线、面等基本几何图形的定义，这些图形的名称分别为端、尺、区．在研究线的过程中，墨家明确给出“有穷”及“无穷”的定义：“或不容尺，有穷；莫不容尺，无穷也．”即：用线段去量一个区域，若能达到距边缘不足一线的程度，叫有穷；若永远达不到这种程度，叫无穷． 《墨经》中还有一条重要记载：“小故，有之不必然，无之必不然．大故，有之必然．”用现代语言说，大故是“充分条件”而小故则是“必要条件．”大故和小故的区分，在哲学史和数学史上都是十分重要的事件． 可惜的是，随着墨家的衰落，墨家数学理论在形成体系之前便夭折了． 2．算术 到公元前四、五世纪时，分数已在中国广泛应用了，有些分数还有 春秋战国时代，“九九歌”(乘法口诀表）已是家喻户晓的常识了．《管子》等书中便记载着九九歌诀，顺序与今不同，是从“九九八十一”起，到“一一如一”止．至于改为“一一如一”到“九九八十一”的顺序，则是宋元时代的事情了． 有限与无限的矛盾，是数学中的一对基本矛盾．对这一问题认识的不断深化，推动着古今数学的发展． 据战国时成书的《庄子》记载，惠施曾提出“至大无外，谓之大一；至小无内，谓之小一”的观点．其中“大一”、“小一”可理解为无穷大，无穷小．这段话的意思是：大到没有外部，称为无穷大；小到没有内部，称为无穷小．书中“一尺之棰，日取其半，万世不竭”的著名命题，可以看作是对“小一”的发挥．一尺长的木棒，第一天取它的一半，第二天取剩下那一半的一半，如此不断地取下去， 同《庄子》一样，《墨经》中也讨论了分割物体的问题．但墨家反对物质的无限可分．他们认为，如果把一条线段分成前后两半(比如以左为前，以右为后)，保留前半而弃去后半(图4．4中OB)，再弃去前半的后半(即CO)，如此不断地分割和取舍，剩余部分小到不能再分为两半，就是端(A点)．如果采用前后取的办法，即第一次取线段前半，第二次取前半的后半，第三次取后半的前半，……取到最后，也会出现一个不可分割的端，这个端在线段中间而不在边缘(位于CO之间)，这就是《墨经》所云“前则中无为半，犹端也；前后取，则端中也”．很明显，这种思想与近代极限理论是相符的．数学分析中用区间套来限定数轴上一个实数点的方法与此类似．所以，我们可以把这种分割思想看作区间套原理的雏型，其中蕴含着“点是线段无限分割之极限”的思想． 4．组合数学的萌芽 组合数学虽是现代数学的分支，它的思想却可以追溯到遥远的古代．春秋时期成书的《易经》便含有组合数学的萌芽． 《易经》是中国最古老的书籍之一，书中通过阴阳卦爻预言吉凶．“--”是阳爻，“--”是阴爻，合称“两仪”．每次取两个，按不同顺序排列，生成“四象”；每次取三个，生成八卦(图4．5)；每次取六个，则生成六十四卦．四象、人卦与六十四卦的排列，相当于组合数学中的有重排列：从n种元素中每次取r个，共有nr种排列法．例如，在两种卦爻中每次取3个，共有23＝8种排列，这就是八卦． 德国数学家莱布尼茨(G．W．Leibniz，1646---1716)发明二进制后不久，见到了传教士白晋(J．Bouvet，1656---1730)从中国寄去的八卦．莱布尼茨认为，八卦中蕴含着二进制思想，因此惊叹不已．实际上，若把“--”和“--”两种卦爻用1和0代替，八卦就可表示为 000(坤) 001(震) 010(坎) 011(兑) 100(艮) 101(离) 110(巽) 111(乾) 莱布尼茨说八卦是“流传于宇宙的科学中最古老的纪念物”，这项发明“对于中国人民实在是值得庆幸的事情”． 算筹即用于计算的小竹棍(也有木质、骨质或金属材料的算筹)，它是中国人创造的计算工具．春秋战国时代，算筹的使用已相当普遍，书中多有记载，如“孟子持筹而算之”(《十发》)，“善计者不用筹策”(《老子》)，等等．1954年在长沙的一座战国楚墓中挖出一个竹筒，内装竹棍40根，长短一致，约12厘米，是为算筹之实物． 用筹进行计算称为筹算．据文献记载，筹式有纵横两种： (图中第一行为纵式，第二行为横式)算筹的摆法是纵横相间，从右到左：个位为纵，十位为横，百位为纵，千位为横……，遇零则空位．例如2561摆成 308摆成筹算加减法与今珠算类似，从左到右逐位相加或相减即可．筹算乘除法的步骤稍微复杂一些．二数相乘(如48×36)时，先用筹摆一数于上，一数于下，并使下数的末位和上数首位对齐(图4．6(1))，按从左到右的顺序用上数首位乘下数各位，把乘得的积摆在上下二数中间(图4．6(2))，然后将上数的首位去掉、下数向右移动一位(图4·6(3))，再以上数第二位乘下数各位，加入中间的乘积，并去掉上数第二位(图4．6(4))．直到上数各位用完，中间的数便是结果．筹算除法也分三层，上层是商；中层是被除数，叫实；下层是除数，叫法． 算筹在中国数学史上占有非常重要的地位，在长达两千年的时间里，算筹一直是中国的主要计算工具，直到元明时代才逐渐被珠算所代替． 筹算的优点是简便、灵活，用一些小竹木棍便可进行复杂的计算．它的缺点是中间步骤不能保留，因此不便于检验．另外，过分依赖于算具，也不利于数学的符号化和抽象化． 规、矩是两种测绘工具．规即圆规，矩是直角拐尺，用来画直线形．商代甲骨文中已有规和矩的象形字，所以它们最迟在商代已经出现．春秋战国时期，这两种工具被普遍用于测量和几何作图． 1．勾股定理 在中国，《周髀算经》是第一部记载勾股定理的书．该书云：“求邪(斜)至日者，以日下为勾，日高为股，勾股各自乘，并而开方除之， 2．等差数列 《周髀算经》中的“七衡”便是一等差数列．七衡是七个等距离的 里，书中给出计算各圆径的一般法则：“欲知次衡径，倍而增内衡之径．二之以增内衡径，得三衡径．次衡放(仿)此．”这相当于给出通项公式 Dn＝D1＋(n-1)·2d， 其中d为相邻两圆间的距离． 3．内插法 所谓内插法，是已知若干自变量所对应的函数值，求这些自变量之间其他自变量对应的函数值的一种方法，古代常用来推算日、月、五星(即金星、木星、水星、火星、土星)的行度，为制订历法服务．内插分两种---等间距内插和不等间距内插．等间距指的是自变量的间距相等．设自变量x，等间距h，函数关系为f，若函数值之差 f(x＋nh)-f(x＋(n－1)h)(即一次差，其中n=1，2，…)为一不等于0的常数，则用一次内插法；若这些函数值之差的差(即二次差)为一不等于0的常数，则用二次内插法，依此类推．用现代数学的观点来看，n次内插法反映的是n次函数关系． 《周髀算经》中的内插法是最简单的等间距一次内插法．已经测得二十四节气中冬至、夏至的日影①长，推算其他节气的日影长．假定每两个节气的时间间隔相等，并以f(a)，f(b)表示夏至及冬至的日影长，则有 其中f(n)是从夏至到冬至的第n 个节气的日影长，Δ被称为损益数． 《周髀算经》中记载着商高的“用矩之道”：“平矩以正绳，偃矩以望高，覆矩以测深，卧矩以知远，环矩以为圆，合矩以为方．”头一句是说用矩的一边测量一线是否直线，第五、六句是用矩画圆、画方的方法．第二、三、四句是相似直角三角形的应用：把矩的一边垂直向上去测量高度，把矩的一边垂直向下测量深度，把矩平放去测量地面上两点间距离．下面以第二句为例说明测量方法：设AB为矩的一边，BC是矩的另一边由顶点到视线的一段，AD为图4．8所示之可测距离，DE 其中显然用到了相似原理，可见当时的人们已懂得相似三角形的一些性质了． 《九章算术》 一、成书背景 中国数学经过长期积累，到西汉时期已有了相当丰富的内容．除《周髀算经》外，西汉初期出现了第一部数学专著---《算术书》，用竹简写成．全书共60多个标题，如“相乘”、“增减”、“少广”、“税田”、“金价”、“合分”等，标题下列有各种问题．《九章算术》的体例便受到《算术书》的影响．另外，从甘肃居延等地出土的竹简发现，西汉已有初步的负数及比例概念，面积和体积计算的知识也增多了．这些都为我国初等数学体系的形成准备了条件． 《许商算术》和《杜忠算术》是《九章算术》之前不久成书的著作．许商，长安人，公元前32---前8年曾任西汉大司农、河堤都尉等官职．他参加过治水工作，精通天文历法和计算，著《许商算术》26卷．杜忠与许商同时代，著《杜忠算术》16卷． 现传本《九章算术》约成书于西汉末年，作者不详，可能经多人之手而成．它是一部承前启后的著作，一方面总结了西汉及西汉以前的数学成果，集当时初等数学之大成；另一方面又对后世数学发展产生了深远的影 二、内容与体例 《九章算术》包括丰富的算术、代数和几何内容，全书共246题，几乎全是应用题．这些问题按不同的用途分为九卷，故名《九章算术》．下面简介各卷内容． 卷一“方田”，38问，主要讲平面图形的计算，包括系统的分数算法． 卷二“粟米”，46问，粮食交换中的比例问题． 卷三“衰(cuī)分”，20问，比例算法在分配物资等问题中的应用． 卷四“少广”，24问，开平方、开立方问题． 卷五“商功”，28问，土木工程中的体积计算． 卷六“均输”，28问，主要讲纳税和运输方面的计算问题，实际是比较复杂的比例算法． 卷七“盈不足”，20问，算术中盈亏问题的解法． 卷八“方程”，18问，主要讲线性方程组解法，还论及正负数概念及运算方法． 卷九“勾股”，24问，勾股定理的应用． 书中的各类问题都有统一解法，但没有证明．经后人验证，这些解法的绝大部分是正确的．各法以“术”名之，术文统御习题，这是本书体例的基本特点．例如，方田术“广从步数相乘得积步”，勾股术“勾股各自乘，并而开方除之，即弦”，便分别统御各方田问题及勾股问题． 1．算术 (1)分数运算 《九章算术》方田章系统给出了分数四则运算法则，以及通分、约分、化带分数为假分数的方法，其步骤与现代一致． 分子、分母有公约数时，可利用公约数来化简分数．《九章算术》提出一种“更相减损”法来求最大公约数：“副置分母子之数，以少减多，更相减损，求其等也．”即用分子和分母中的大数减去小数，互相减，减到余数与减数相等为止，该数便是原来两数的最大公约数．然后 (1)，从91减去49余42，如图4．9(2)；从49减去42余7，如图4．9(3)；从42依次减去7，到第5次余7，如图4．9(4)． 谓“欧几里得算法”在本质上是一样的． (2)比例算法 《九章算术》的二、三、六、九各卷中，广泛使用比例算法来解决应用问题，并给出一般法则：“以所有数乘所求率为实，以所有率为法，实如法而一．”即 这是由比例式 所求数：所有数=所求率∶所有率 得出的．书中称该算法为“今有术”，大概是因为这类问题的开头常冠以“今有”二字．例如：“今有丝一斤价值二百四十钱，今有钱一千三百二十八，问得丝几何？”依法列式 除了这种最简单的比例问题外，书中还有连比例、复比例、配分法等复杂的比例问题．例如：“今有贷人千钱，月息三十．今有贷人七百五十钱，九日归之，问息几何？”这便是一个复比例问题，其中9日乘750钱为所有数，30钱为所求率，30日乘1000钱为所有率．实际上，《九章算术》几乎包括了算术中的全部比例内容． (3)盈不足术 《九章算术》卷七专讲盈亏问题，解法称为盈不足术．例如：“人出八盈三，人出七不足四，求人数、物价各多少？”设每人出钱a1，盈b1；每人出钱a2，不足b2，人数为m，物价为n，则有 这就是盈不足术的现代形式，其中各字母都是正数，分母也是正数．若a1＜a2，则分母为a2-a1．将例题中数字代入，则 这种方法的正确性很容易用现代解方程组的行列式法验证． (1)开方 《九章算术》中载有开平方、开立方的方法．例如，欲求55225的平方根，摆筹式如图4．10(1)(改用阿拉伯数码表示)，其中55225叫“实”(被开方数)，最下面的1叫“借算”，代表最高项系数．此式实际上表示方程（由于上下标问题，所以修改了式子，用一些汉字说明） x的平方＝55225． 将“借算”向左移动，每一步移二位，移二步后停住，如图(2)．于是，原方程变为 10000倍x1的平方＝55225． 议得x1大于2小于3，就在实的百位上置2，作为平方根的第一位数．以议得的2乘10000得20000，放在实之下，借算之上，叫法．再以2乘法得40000，从实中减去，余15225，如图(3)． 把法加倍，向右移一位，变为4000，叫定法．把借算向右移二位，变为100，如图(4)，这相当于方程 100倍x2的平方+4000倍x的平方=15225． 议得x2大于3而小于4，就以3为平方根的十位数．以3乘100得300，加入定法得4300；以3乘4300，从实中减去，余2325，如图(5)． 再以300与4300相加，得4600，向右移一位变为460，这是第三位方根的定法．把借算向右移二位，变为1；如图(6)．这相当于方程 x3的平方＋460倍x3＝2325． 议得x3＝5为平方根的个位，以5乘借算1，加入460得465．以5乘465，从实内减去，恰尽，得55625的平方根235，如图(7)． 从文字叙述来看，筹算开方法似乎很繁，实际摆筹运算是相当简便的．这种方法到宋代发展为增乘开方法，对高次方程解法产生了巨大影响． (2)正负数 《九章算术》中不仅有正负数，而且还建立了正负数加减法则，即“正负术”．加法法则为：“异名相除，同名相益；正无入正之，负无入负之．”即异号两数相加，绝对值相减；同号两数相加，绝对值相加；0加正数为正，0加负数为负．类似地有减法法则：“同名相除，异名相益；正无入负之，负无入正之．” (3)线性方程组 《九章算术》中的“方程”，实际是线性方程组．例如卷八第一题：“今有上禾三秉，中禾二秉，下禾一秉，实三十九斗；上禾二秉，中禾三秉，下禾一秉，实三十四斗；上禾一秉，中禾二秉，下禾三秉，实二十六斗．问上中下禾实一秉各几何？”(禾即庄稼，秉即捆，实即粮食．)依术列筹式如图4．11，它相当于三元一次方程组 其中x y，z分别为上中下三等 禾每捆打粮食的斗数．按《九章 算术》解法，用(1)式x的系数3去乘(2)的各项，得 6x+9y＋3z＝102． (4) 用(4)减(1)二次，得 5y＋z=24． (5) 再用(3)×3，得 3x＋6y+9z＝78． (6) (6)减(1)，得 4y＋8z＝39． (7) 中把这种方法叫“直除法”，即连续相减法．它的原理与现在加减消元法一致，只是比较烦琐． 《九章算术》中还有一道“五家共井”题，是说五户人家共用一口井，各家都有提水的绳子但都不够长，甲户的两条与乙户的一条合起来够用，乙户的三条和丙户的一条合起来够用，丙户的四条与丁户的一条合起来够用，丁户的五条与戊户的一条合起来够用，戊户的六条与甲户的一条合起来够用，问井深和各户的“一绳之长”．假定五户绳长依次为x，y，z，u，v，井深为a，则有 该方程组有五个方程，六个未知数，所以是不定方程组．书中给出了它的一组解． 《九章算术》中给出正方形、长方形、三角形、梯形、圆、弓形等常见图形的面积公式．圆的面积公式有三个，即 其中c为周长，d为直径，取圆周率为3． 书中的体积公式很多，包括立方体、长方体、棱柱、梭锥、棱台、圆柱、圆锥、圆台，其体积公式都与今一致．还给出一种比较复杂的几何体---刍童，即上下底面都是长方形的拟台体(图4．12)的体积公式
九章算术》对勾股定理的应用很广泛．它首先给出勾股定理的三种形式，即 然后解决了几十个应用题．例如：“今有圆材不知大小，以锯锯之，深一寸，锯道长一尺，问径几何？”(图4．13)以r为圆半径，由勾股定理得 r的平方＝5的平方＋(r－1)的平方， 解得r＝13，倍之即圆径． 在讨论勾股定理的过程中，《九章算术》提供了许多整勾股数，如5的平方＋12的平方＝13的平方等． 刘徽在童年时代学习数学时，是以《九章算术》为主要读本的，成年后又对该书深入研究，于公元263年左右写成《九章算术注》，刘徽自序说：“徽幼习《九章》，长再详览． 观阴阳之割裂，总算术之根源．探赜之暇，遂悟其意，是以敢竭顽鲁，采其所见，为之作注．”刘徽在研究《九章算术》的基础上，对书中的重要结论一一证明，对其错误予以纠正，方法予以改进，并提出一些卓越的新理论、新思想．《九章算术注》是刘徽留给后世的十分珍贵的数学遗产，是中国传统数学理论研究的奠基之作． 刘徽还著有《重差》一卷，专讲测量问题．他本来把《重差》作为《九章算术注》的第十卷，唐代初年改为单行本，并将书名改作《海岛算经》，流传至今． (1)十进分数 刘徽之前，计算中遇到奇零小数时，就用带分数表示，或者四舍五入．刘徽首创十进分数，用以表示无理根的近似值．这种记数法与现代 刘徽用忽来表示，但a后各位就不必再命名了，刘徽称它们为“微数”，说：“微数无名者以为分子，其一退以十为母，其再退以百为母．退之弥下，其分弥细．”这种方法，与我们现在开平方求无理根的十进小数近似值的方法一致，即 其中a1，a2，…，an是0至9之间的一位整数． (2)齐同术 《九章算术》中虽有分数通分的方法，但没有形成完整理论，刘徽提出齐同术，使这一理论趋于完善．他说：“凡母互乘子谓之齐，群母相乘谓之同．”又进一步提出通分后数值不变的理论依据，即“一乘一除，适足相消，故所分犹存“法实俱长，意亦等也”．前句话的意思是，一个分数用同一个(非零)数一乘一除，其值不变；后句话的意思是，分数的分子、分母扩大同一倍数，分数值不变．刘徽指出，“同”即一组分数的公分母，“齐”是由“同”而来的，是为了使每个分数值不变．另外，刘徽还将齐同术引而伸之，用来解释方程及盈不足问题． 2．代数 (1)对正负数的认识 《九章算术》成书后，正负数的运算越来越广泛，但究竟应该如何认识正负数，却很少有人论及．刘徽在《九章算术注》中首次给出正负数的明确定义：“今两算得失相反，要令正负以名之．”就是说以正负数表示得失相反的量．他还进一步阐述正负的意义：“言负者未必负于少，言正者未必正于多．”即负数绝对值未必少，正数绝对值未必大．另外，他又提出筹算中表示正负数的两种方法：一种是用红筹表正数，黑筹表负数；再一种是以算筹摆法的正、斜来区别正、负数．这两种方法，对后世数学都有深远影响． (2)对线性方程组解法的改进 《九章算术》中用直除法解线性方程组，比较麻烦．刘徽在方程章的注释中，对直除法加以改进，创立了互乘相消法．例如方程组 刘徽是这样解的： (1)×2，(2)×5，得 (4)-(3)，得 21y＝20(下略)． 显然，这种方法与现代加减消元法一致，不过那时用的是筹算．刘徽认为，这种方法可以推广到多元，“以小推大，虽四、五行不异也．”他还进一步指出，“相消”时要看两方程首项系数的同异，同则相减，异则相加．刘徽的工作，大大减化了线性方程组解法． (3)方程理论的初步总结 刘徽在深入研究《九章算术》方程章的基础上，提出了比较系统的方程理论．刘徽所谓“程”是程式或关系式的意思，相当于现在的方程，而“方程”则相当于现在的方程组．他说：“二物者再程，三物者三程，皆如物数程之．并列为行，故谓之方程．”这就是说：“有两个所求之物，需列两个程；有三个所求之物，需列三个程．程的个数必须与所求物的个数一致．诸程并列，恰成一方形，所以叫方程．”这里的“物”，实质上是未知数，只是当时尚未抽象出未知数的明确概念．定义中的“皆如物数程之”是十分重要的，它与刘徽提出的另一原则“行之左右无所同存”，共同构成了方程组有唯一组解的条件．若译成现代数学语言，这两条即：方程个数必须与未知数个数一致，任意两个方程的系数不能相同或成比例．刘徽还认识到，当方程组中方程的个数少于所求物个数时，方程组的解不唯一；如果是齐次方程组，则方程组的解可以成比例地扩大或缩小，即“举率以言之”． 对于方程组的性质，刘徽总结出如下诸条：“令每行为率”，即方程各项成比例地扩大或缩小，不改变方程组的解；“每一行中，虽复赤黑异算，无伤”，即方程各项同时变号，不改变方程组的解；“举率以相减，不害余数之课也，即两方程对应项相减，不改变方程组的解．很明显，刘徽对于线性方程组的初等变换，已经基本掌握了．不过，他没有考虑交换两个方程的位置，因为不进行这种变换亦可顺利求出方程组的解，而且调换算筹的位置是不方便的． (1)割圆术 刘徽以前，一般采用周三径一的圆周率，这是很不精确的．刘徽在《九章算术注》中指出：周三径一的数据实际是圆内接正六边形周长和直径的比值，不是圆周与直径的比值．他认为圆内接正多边形的边数越多，其面积就越接近圆面积．他从这一思想出发，创立了科学的求圆周率方法---割圆术．具体来说，就是以1尺为半径作圆，再作圆内接正六边形，然后逐渐倍增边数，依次算出内接正六边形、正12边形乃至正192边形的面积．刘徽之所以选半径为1，是为了使圆面积在数值上等于圆周率，从而简化运算．他利用公式 (ln为内接正n边形边长，S2n为内接正2n边形面积) 来求各正多边形面积．至于正多边形边长，他是反复利用勾股定理来求的．例如，由以下三式即可求得正12边形边长(图4．14)：
TR＝OR-OT，
后，便根据 S192＜S＜S192＋(S192－S96) 得到 刘徽舍弃分数部分，取圆面积为314平方寸，从而得到π＝3．14 这种方法可以求得任意精度的圆周率近似值，刘徽对这一点是很清楚的．不过，他根据当时的需要，运算中只取到两位小数． 割圆术的创立是数学史上的一件大事．古希腊的阿基米德(Archimedes，公元前287---前212)也曾用割圆术求圆周率，他的方法是以圆内接正多边形和外切正多边形同时逼近圆，比刘徽的方法麻烦一些．刘徽的成就晚于阿基米德，但是独立取得的． (2)几何定理的证明 刘徽采用出入相补原理，证明了《九章算术》中许多几何公式和定理．例如，他在证明三角形面积公式时，思路如下：把三角形的高h二
自乘为青方，令出入相补，各从其类，因就其余不移动也，合成弦方之幂．”可惜的是原图失传，所以不知刘徽怎样“出入相补”． 后人根据这段文字补了一张图。 只要把图中朱方（a2）的I移至I′，青方的II移至II′，III移至III′，则刚好拼好一个以弦为边长的正方形（c2 ）．由此便可证得a2+b2=c2 刘徽在研究立体几何时，发现“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”．即“过对角面分割堑堵为一个阳马(图4·16中ABCDE)和一个鳖臑(图4·16中DEFC)，则阳马与鳖臑的体积之比恒为二比一．”为叙述方便，我们称之为阳马定理．刘徽从长方体体积公式出发证明了这一定理，然后用它证明了各种多面体的体积公式．另外，他还发现了一条重要原理：对两个等高的立体，若用平行于底面的平面截得的面积之比为一常数，则这两立体的体积之比也等于该常数．这一原理可称为“刘徽原理”．在《九章算术注》中，刘徽多次运用了这一原理，例如，圆台体积∶外切正四梭台体积=圆面积∶外切正方形面积=π∶4．书中对圆锥、圆台等旋转体体积公式的推导，都是以刘徽原理为依据的． 刘徽发现了《九章算术》中球体积公式不正确，试图利用刘徽原理求出正确的球体积公式．他首先作球的外切立方体，然后用两个直径等于球径的圆柱从立方体内切贯穿(图4．17)．于是，球便被包在两圆柱相交的公共部分，而且与圆柱相切．刘徽只保留两圆柱的公共部分，取名“牟合方盖”．(图4．18)根据刘徽原理，球体积与牟合方盖体 体积，整个问题就迎刃而解了．刘徽没有成功，只好“以俟能言者”．但他的思路正确，为后人解决这一问题打下了基础． 4．刘徽的极限观念 从《九章算术注》可以看到，刘徽具有明确的极限思想．他把极限用于代数和几何研究，取得重要成果．这说明极限思想从春秋战国时期萌芽以后，到这时已有较大发展． 例如，刘徽的割圆术便建立在极限理论的基础上．他说：“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．”就是说当圆内接正多边形的边数无限增加时，正多边形面积的极限便是圆的面积．他还把割圆术用于求弓形面积．如图4．19，刘徽在弓形内 为弓形面积．显然，用此方法可使弓形面积达到任何需要的精确度． 刘徽在研究开方不尽的问题时，认为求出的位数越多，就越接近真值，但永远不会达到真值，只能根据需耍，求到“虽有所弃之数，不足言之也”的程度．刘徽正是在这种极限观念的基础上创立十进分数的．他在征明有关体积的定理(如阳马定理)时也用到极限，并深刻地指出，极限问题“谓以情推，不用筹算”，就是说研究极限靠思维和推理而不靠具体计算． 三、刘徽的重差术 重差术是中国古代的一种重要测量方法，用以测量不可到达的距离．刘徽对这一理论进行了总结和提高，写出重差术专著---《海岛算经》(即《重差》)．他在序言中说：“凡望极高、测绝深而兼知其远者必用重差．”全书只有九道题，但很有代表性． 例如第一题(译为今文)：为测量海岛，立两根3丈高的标杆，前后相距1000步，令后杆与前杆对齐．从前杆后退123步，人眼着地看岛峰，视线正好过杆顶．从后杆后退127步，人眼着地看岛峰，视线也过杆顶．问岛高和岛离杆的距离各是多少？ 按题意画图如下： 因当时1步为6尺，故标杆高5步．由刘徽术文，得 若用字母表示，则 因公式中用到d(两杆与岛的距离差)和a1-a2两差之比，所以叫重差术．这是书中最简单的一题，只须测望二次．其他问题往往要测望三次或四次，但原理与本题相同．刘徽曾著《重差图》和《重差注》，可能是用来推导术文的，已佚．估计刘徽的推导方法不外两种，一是利用出入相补，二是利用相似三角形． 如果用三角知识去解重差问题，结果也是一样的．中国传统数学无三角，重差术便起着与西方平面三角类似的作用，这是中国数学的特色之一． 弦图是一个以勾股形之弦为边的正方形(图4．21)，其面积称为弦实．图中包含四个全等的勾股形及一个小正方形，分别涂成红(朱)色及黄色，其面积称朱实、黄实．因为勾×股=2朱实，所以2×勾×股=4朱实，又因为(股-勾)的平方=黄实，所以 2×勾×股+(股-勾)的平方＝4朱实+黄实=弦实． 化简，得 勾的平方+股的平方=弦的平方． 另外，赵爽在《周髀算经注》中还给出并证明了日高术，构思十分巧妙．其术为：在地面上立两根高为h的表(标杆)AB和CD，它们之间距离为d，太阳照表，得影长a1，a2，则 □HC=□CN，□GC=□AN(□表矩形面积)． 相减，得 □HJ=□CB， ∴(a1-a2)×HI＝dh，
赵爽的这种出入相补方法对后世有一定影响，只是由于日高术假定大地是平面，所以不可能得到日高的正确数值． 祖暅曾在梁朝先后担任员外郎、材官将军等职．他多次向朝廷建议修改历法，采用他父亲的《大明历》，经太史令实测天象、考验新旧历法后，政府终于在天监九年(510)采用了《大明历》．天监十三年(514)，祖暅奉命在淮河上指挥修筑浮山堰，因被洪水冲毁而获罪入狱．他出狱后不久，在南朝边境被北魏军队俘获，软禁于元延明家，在那里遇到北魏天文学家信都芳，两人常在一起讨论天文和数学．梁普通七年(526)，祖暅南还．他除了和父亲共同完成《缀术》外，还自著《天文录》、《权衡记》等，已失传． 2．祖冲之的圆周率 继刘徽之后，祖冲之为求得更精确的圆周率而作了艰苦卓绝的努力．据《隋书》记载，他已算得 3．1415926＜π＜3.1415927． 祖率和密率，都是当时世界上的最好结果．祖率已精确到七位小数，保持世界纪录近千年．至于密率，堪称数学史上的奇迹．它的特点是既都是准确的．比密率更接近π的分数，其分母比113大得多．可以证明， 祖冲之是怎样求圆周率的？这个问题至今还是个谜．因为他的数学著作《缀术》已失传，《隋书》中则只有结论而无求法．据一些史料推测，他可能继承了刘徽的割圆术，通过增加圆内接正多边形的边数来求得更精确的圆周率值．实际上，只要用割圆术求得圆内接正24576(即3×213)边形面积，就可以得到祖率．祖冲之用不足近似值和过剩近似值两数来限定π，这种思想可能也受到刘徽的影响． |
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