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九章算术 卷一(2)

 zqbxi 2023-06-21 发布于江西

 今有圆田,周三十步,径十步。〔淳风等按:术意以周三径一为率,周三十步,合径(直径)十步。今依密率,合径 九步十一分步之六。〕(圆田相对于长方形的方田呈圆形。一般面积较大,直径1千米左右。它减少了方田往返耕作的转向,有利于大型机械化作业,可以实现耕种、浇灌、施肥、收获的大型机械化、自动化。美国等国家较多,我国新疆也有。) 问为田几何?答曰:七十五步。

S=1/23010/2=75(步2

〔此于徽术,(刘徽(大约1700年前)是我国魏晋时期的数学家,他在《九章算术》方田章“圆田术”注中提出把割圆术作为计算圆的周长、面积以及圆周率的基础。刘徽从圆内接六边形开始,将倍数逐次加倍,得到的圆内接正多边形就逐步逼近圆。)当为田七十一步一百五十七分步之一百三。淳风等按:依密率,为田七十一步二十三分步之一十三。〕 

又有圆田,周一百八十一步,径六十步三分步之一。〔淳风等按:周三径一,周一百八十一步,径六十步三分步之一。依密率, 径五十七步二十二分步之一十三。〕 问为田几何?答曰:十一亩九十步十二分步之一。

S=1/2181(60+1/3)/2=2,730.083……(步2)=11亩+(90+1/12)(步2

〔此于徽术,当为田十亩二百八步三百一十四分步之一百十三。淳风等按:依密率,当为田十亩二百五步八十八分步之八十七。〕 (南北朝时祖冲之算出的圆周率的近似值在3.1415926和3.1415927之间,并提出圆周率的疏率(或作约率)为22/7,密率为355/113。祖冲之首创上下限的提法,将圆周率规定在这个界限间。并且他的圆周率精确值在当时世界遥遥领先,直到1000年后阿拉伯数学家阿尔卡西才超过他。所以,国际上曾提议将"圆周率"定名为"祖率"。南北朝科学家祖冲之计算的圆周率的较精确的分数表达近似值,其数值为355/113;与之相对还有一个精确度较低的称约率,数值为22/7。)(徽术不如祖术精确)

术曰:半周半径相乘得积步。(圆的周长是2π r,那么半周就是π r.再乘以半径(r),就得积步,积步就是面积.整句话的意思是:圆周率×半径×半径=圆的面积.用字母表示:π r²=S)

〔按:半周为从,半径为广,故广从相乘为积步也。假令圆径二尺,圆中容 六觚之一面,与圆径之半,其数均等。合径率一而外周率三也。

       注:六觚, 就是古代的一种算术工具。古代算筹,长短粗细皆有定分。一握271枚,成六棱柱形,称“六觚”。六觚一握,截面呈六角形(如下图)。(“六觚”,说见《汉书·律历志》)六觚分六瓣,其一瓣所涉及之全部算筹,计五十五枚,此“天地之数”也。或者计算每枚算箸的面积,这涉及到了圆周率圆面积问题。

又按:为图,以六觚之一面乘一弧半径,三之,得十二觚之幂。若又割之, 次以十二觚之一面乘一弧之半径,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。觚面之外,又有余径。以面乘余径,则幂出觚表。若夫觚之细者,与圆合体,则表无余径。表无余径, 则幂不外出矣。以一面乘半径,觚而裁之,每辄自倍。故以半周乘半径而为圆幂。此一周、径,谓至然之数,非周三径一之率也。周三者,从其六觚之环耳。以推 圆规多少之觉,乃弓之与弦也。然世传此法,莫肯精核;学者踵古,习其谬失。不有明据,辩之斯难。凡物类形象,不圆则方。方圆之率,诚著于近,则虽远可知也。由此言之,其用博矣。谨按图验,更造密率。恐空设法,数昧而难譬,故 置诸检括,谨详其记注焉。

割六觚以为十二觚术曰:置圆径二尺,半之为一尺,即圆里觚之面也。令半径一尺为弦,半面五寸为句,为之求股。以句幂二十五寸减弦幂,余七十五寸, 开方除之,下至秒、忽(指丝毫。比喻极为细微。)。又一退法,求其微数。微数无名知以为分子,以十为分 母,约作五分忽之二。故得股八寸六分六厘二秒五忽五分忽之二。以减半径,余 一寸三分三厘九毫七秒四忽五分忽之三,谓之小句。觚之半面又谓之小股。为之 求弦。其幂二千六百七十九亿四千九百一十九万三千四百四十五忽,余分弃之。

开方除之,即十二觚之一面也。割十二觚以为二十四觚术曰:亦令半径为弦,半面为句,为之求股。置上 小弦幂,四而一,得六百六十九亿八千七百二十九万八千三百六十一忽,余分弃之, 即句幂也。以减弦幂,其余开方除之,得股九寸六分五厘九毫二秒五忽五分忽之 四。以减半径,余三分四厘七秒四忽五分忽之一,谓之小句。觚之半面又谓之小 股。为之求小弦。其幂六百八十一亿四千八百三十四万九千四百六十六忽,余分 弃之。开方除之,即二十四觚之一面也。

割二十四觚以为四十八觚术曰:亦令半径为弦,半面为句,为之求股。置上 小弦幕,四而一,得一百七十亿三千七百八万七千三百六十六忽,余分弃之,即 句幂也。以减弦幂,其余,开方除之,得股九寸九分一厘四毫四秒四忽五分忽之 四。以减半径,余八厘五毫五秒五忽五分忽之一,谓之小句。觚之半面又谓之小 股。为之求小弦。其幂一百七十一亿一千二十七万八千八百一十三忽,余分弃之。开方除之,得小弦一寸三分八毫六忽,余分弃之,即四十八觚之一面。以半径一 尺乘之,又以二十四乘之,得幂三万一千三百九十三亿四千四百万忽。以百亿除 之,得幂三百一十三寸六百二十五分寸之五百八十四,即九十六觚之幂也。割四十八觚以为九十六觚术曰:亦令半径为弦,半面为句,为之求股。置次 上弦幂,四而一,得四十二亿七千七百五十六万九千七百三忽,余分弃之,即句 幂也。以减弦幂,其余,开方除之,得股九寸九分七厘八毫五秒八忽十分忽之九。以减半径,余二厘一毫四秒一忽十分忽之一,谓之小句。觚之半面又谓之小股。

为之求小弦。其幂四十二亿八千二百一十五万四千一十二忽,余分弃之。开方除 之,得小弦六分五厘四毫三秒八忽,余分弃之,即九十六觚之一面。以半径一尺 乘之,又以四十八乘之,得幂三万一千四百一十亿二千四百万忽,以百亿除之, 得幂三百一十四寸六百二十五分寸之六十四,即一百九十二觚之幂也。以九十六 觚之幂减之,余六百二十五分寸之一百五,谓之差幂。倍之,为分寸之二百一十, 即九十六觚之外弧田九十六所,谓以弦乘矢之凡幂也。加此幂于九十六觚之幂, 得三百一十四寸六百二十五分寸之一百六十九,则出圆之表矣。故还就一百九十 二觚之全幂三百一十四寸以为圆幂之定率而弃其余分。以半径一尺除圆幂,倍之, 得六尺二寸八分,即周数。令径自乘为方幂四百寸,与圆幂相折,圆幂得一百五 十七为率,方幂得二百为率。方幂二百其中容圆幂一百五十七也。圆率犹为微少。案:弧田图令方中容圆,圆中容方,内方合外方之半。然则圆幂一百五十七,其 中容方幂一百也。又令径二尺与周六尺二寸八分相约,周得一百五十七,径得五 十,则其相与之率也。周率犹为微少也。晋武库中汉时王莽作铜斛,其铭曰:律 嘉量斛,内方尺而圆其外,庣旁九厘五毫,幂一百六十二寸,深一尺,积一千六 百二十寸,容十斗。以此术求之,得幂一百六十一寸有奇,其数相近矣。此术微 少。而觚差幂六百二十五分寸之一百五。以一百九十二觚之幂为率消息,当取此 分寸之三十六,以增于一百九十二觚之幂,以为圆幂,三百一十四寸二十五分寸 之四。置径自乘之方幂四百寸,令与圆幂通相约,圆幂三千九百二十七,方幂得 五千,是为率。方幂五千中容圆幂三千九百二十七;圆幂三千九百二十七中容方 幂二千五百也。以半径一尺除圆幂三百一十四寸二十五分寸之四,倍之,得六尺 二寸八分二十五分分之八,即周数也。全径二尺与周数通相约,径得一千二百五 十,周得三千九百二十七,即其相与之率。若此者,盖尽其纤微矣。举而用之, 上法仍约耳。当求一千五百三十六觚之一面,得三千七十二觚之幂,而裁其微分, 数亦宜然,重其验耳。淳风等案:旧术求圆,皆以周三径一为率。(圆周周长与直径的比率为三比一。系古代关于圆周率的不太精确的估算。)若用之求圆周之数,则周少径多。用之求其六觚之田,乃与此率合会耳。何则?假令六觚之田,觚间各一尺为面, 自然从角至角,其径二尺可知。此则周六径二与周三径一已合。恐此犹为难晓, 今更引物为喻。设令刻物作圭形者六枚,枚别三面,皆长一尺。攒此六物,悉使 锐头向里,则成六觚之周,角径亦皆一尺。更从觚角外畔,围绕为规,则六觚之 径尽达规矣。当面径短,不至外规。若以径言之,则为规六尺,径二尺,面径皆 一尺。面径股不至外畔,定无二尺可知。故周三径一之率于圆周乃是径多周少。径一周三,理非精密。盖术从简要,举大纲,略而言之。刘徽特以为疏,遂改张 其率。但周、径相乘,数难契合。徽虽出斯二法,终不能究其纤毫也。祖冲之以 其不精,就中更推其数。今者修撰,捃摭诸家,考其是非,冲之为密。故显之于 徽术之下,冀学者知所裁焉。〕

 又术曰:周、径相乘,四而一。周长和直径相乘,再除以4,就可以得到圆的面积。现代圆面积公式为:半径2乘以圆周率=半径2× π; 周长=直径 × π =2×半径× π ;周长 × 直径= 2半径× π ×2半径=4半径2× π 。明显看出这个是4倍的圆面积,所以:周长 × 直径÷4 =圆的面积 )

〔此周与上觚同耳。周、径相乘,各当一半。而今周、径两全,故两母相乘 为四,以报除之。于徽术,以五十乘周,一百五十七而一,即径也。以一百五十 七乘径,五十而一,即周也。新术径率犹当微少。据周以求径,则失之长;据径 以求周,则失之短。诸据见径以求幂者,皆失之于微少;据周以求幂者,皆失之 于微多。淳风等按:依密率,以七乘周,二十二而一,即径;以二十二乘径,七而一, 即周。依术求之,即得。〕 

又术曰:径自相乘,三之,四而一。径自相乘,三之,四而一”,是中国古代算数书所表述的圆的面积计算方法。意为圆的面S积就是用圆的直径D的平方,乘以三,再除以四。即S=D23/4

〔按:圆径自乘为外方,三之,四而一者,是为圆居外方四分之三也。若令 六觚之一面乘半径,其幂即外方四分之一也。因而三之,即亦居外方四分之三也。是为圆里十二觚之幂耳。取以为圆,失之于微少。于徽新术,当径自乘,又以一 百五十七乘之,二百而一。淳风等按:密率,令径自乘,以十一乘之,十四而一,即圆幂也。〕

 又术曰:周自相乘,十二而一。(这是古人求圆面积的公式,其中圆周率按 3 计算。意思是已知圆的周长,则面积为  周长 周长 1/12 ;即 (2πr)2 1 / 12 = 4π2r21 / 4π = πr2 。把π近似为3.

〔六觚之周,其于圆径,三与一也。故六觚之周自相乘为幂,若圆径自乘者 九方。九方凡为十二觚者十有二,故曰十二而一,即十二觚之幂也。今此令周自 乘,非但若为圆径自乘者九方而已。然则十二而一,所得又非十二觚之幂也。若 欲以为圆幂,失之于多矣。以六觚之周,十二而一可也。于徽新术,直令圆周自 乘,又以二十五乘之,三百一十四而一,得圆幂。其率:二十五者,周幂也;三 百一十四者,周自乘之幂也。置周数六尺二寸八分,令自乘,得幂三十九万四千 三百八十四分。又置圆幂三万一千四百分。皆以一千二百五十六约之,得此率。淳风等按:方面自乘即得其积。圆周求其幂,假率乃通。但此术所求用三、 一为率。圆田正法,半周及半径以相乘。今乃用全周自乘,故须以十二为母。何 者?据全周而求半周,则须以二为法。就全周而求半径,复假六以除之。是二、 六相乘,除周自乘之数。依密率,以七乘之,八十八而一。〕 

今有宛田(这是《九章》提出的一种上径圆穹的曲面的面积公式,历代沿用。魏刘徽指出“此术不验”。,下周三十步,径十六步。问为田几何?答曰:一百二十步。

S=16301/4=120步2

又有宛田,下周九十九步,径五十一步。问为田几何?答曰:五亩六十二步 四分步之一。

S=99511/4=(1262+1/4)(2)=5亩+(60+1/4)2

术曰:以径乘周,四而一。(  径指两段半径之和,周指弧长,四而一指四分之一,就是(1/4)L(2R)与现在的(1/2)LR一致

〔此术不验,故推方锥以见其形。假令方锥下方六尺,高四尺。四尺为股, 下方之半三尺为句。正面邪为弦,弦五尺也。令句弦相乘,四因之,得六十尺, 即方锥四面见者之幂。若令其中容圆锥,圆锥见幂与方锥见幂,其率犹方幂之与 圆幂也。按:方锥下六尺,则方周二十四尺。以五尺乘而半之,则亦锥之见幂。故求圆锥之数,折径以乘下周之半,即圆锥之幂也。今宛田上径圆穹,而与圆锥 同术,则幂失之于少矣。然其术难用,故略举大较,施之大广田也。求圆锥之幂, 犹求圆田之幂也。今用两全相乘,故以四为法,除之,亦如圆田矣。开立圆术说 圆方诸率甚备,可以验此。〕

 今有弧田(即圆弓形,弦二十步,矢十五步。问为田几何?答曰:一亩九十七步半。

又有弧田,弦七十八步二分步之一,矢十三步九分步之七。问为田几何?答 曰:二亩一百五十五步八十一分步之五十六。

术曰:以弦乘矢,矢又自乘,并之,二而一。(若设弦长为b,矢长为h,则圆弓形的面积为

这是一个近似公式,即将其看成是一个以矢、弦分别为上、下底,以矢为高的等腰梯形的面积。)

〔方中之圆,圆里十二觚之幂,合外方之幂四分之三也。中方合外方之半, 则朱青合外方四分之一也。弧田,半圆之幂也。故依半圆之体而为之术。以弦乘 矢而半之,则为黄幂,矢自乘而半之,则为二青幂。青、黄相连为弧体,弧体法 当应规。今觚面不至外畔,失之于少矣。圆田旧术以周三径一为率,俱得十二觚 之幂,亦失之于少也,与此相似。指验半圆之幂耳。若不满半圆者,益复疏阔。宜句股锯圆材之术,以弧弦为锯道长,以矢为锯深,而求其径。既知圆径,则弧 可割分也。割之者,半弧田之弦以为股,其矢为句,为之求弦,即小弧之弦也。以半小弧之弦为句,半圆径为弦,为之求股。以减半径,其余即小弦之矢也。割 之又割,使至极细。但举弦、矢相乘之数,则必近密率矣。然于算数差繁,必欲 有所寻究也。若但度田,取其大数,旧术为约耳。〕

今有环田(指两个同心圆之间的环形。,中周九十二步,外周一百二十二步,径五步。〔此欲令与周三径一之率相应,故言径五步也。据中、外周,以徽术言之, 当径四步一百五十七分步之一百二十二也。淳风等按:依密率,合径四步二十二分步之十七。〕 问为田几何?答曰:二亩五十五步。

S=1/2(92+122)5=535步2=2亩+55步2

〔于徽术,当为田二亩三十一步一百五十七分步之二十三。淳风等按:依密率,为田二亩三十步二十二分步之十五。〕

 术曰:并中、外周而半之,以径乘之,为积步。(环田面积S=1/2(中周+外周)×径。

〔此田截而中之周则为长。并而半之知,亦以盈补虚也。此可令中、外周各 自为圆田,以中圆减外圆,余则环实也。〕 又有环田,中周六十二步四分步之三,外周一百一十三步二分步之一,径十 二步三分步之二。〔此田环而不通匝,故径十二步三分步之二。若据上周求径者,此径失之于 多,过周三径一之率,盖为疏矣。于徽术,当径八步六百二十八分步之五十一。淳风等按:依周三径一考之,合径八步二十四分步之一十一。依密率,合径 八步一百七十六分步之一十三。〕 问为田几何?答曰:四亩一百五十六步四分步之一。

S=1/2(62+3/4+113+1/2)(12+2/3)=4亩+(156+1/4)步2

〔于徽术,当为田二亩二百三十二步五千二十四分步之七百八十七也。依周 三径一,为田三亩二十五步六十四分步之二十五。淳风等按:密率,为田二亩二百三十一步一千四百八分步之七百一十七也。〕

 术曰:置中、外周步数,分母子各居其下。母互乘子,通全步内分子。以中 周减外周,余半之,以益中周。径亦通分内子,以乘周为实。分母相乘为法。除 之为积步。余,积步之分。以亩法除之,即亩数也。

〔按:此术,并中、外周步数于上,分母子于下,母互乘子者,为中外周俱 有余分,故以互乘齐其子,母相乘同其母。子齐母同,故通全步,内分子。半之 知,以盈补虚,得中平之周。周则为从,径则为广,故广从相乘而得其积。既合 分母,还须分母出之。故令周、径分母相乘而连除之,即得积步。不尽,以等数 除之而命分。以亩法除积步,得亩数也。〕

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