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我国古代数学家把解方程式的步骤称为“开方”。宋元时期,“开方法”又向前迈进了巨大的一步。
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11世纪中,贾宪在《黄帝九章算法细草》【47】中首先展示出“开方作法本源图”,不仅列出各高次方展开式各项系数,并指出求这些系数的方法。朱世杰《四元玉鉴》中,所称“古法七乘方图”,更推广至八次方。这两幅图的出现,表示在宋元时期,中国人已经掌握了高次幂的开方法。这种图是贾宪首创,理应称为“贾宪三角”。在欧洲一直到阿皮纳斯(德,Apianus)和巴斯加(法,Pascal,1623—1672)才得出这个表,并被西方数学家称为“巴斯加三角”。
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图7-10 古法七乘方图
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贾宪求“开方作法本源图”中各项系数的方法,就是贾宪在开平方、开立方中所用的新法,即随乘随加的“增乘开方法”。用这种“增乘开方法”,可求得任意高次展开式系数,也可用这方法进行任意高次幂的开方,这是一项杰出的创造。
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推广“增乘开方法”使其成为求解高次方程的普遍解法并不困难,需要打破首项系数为“正一”的条件限制。首先突破这一限制的是刘益,杨辉说:“中山刘先生(刘益),作《议古根源》……引用带从开方正负损益之法(系数不拘正负),前古之所未闻也。”【48】
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“增乘开方法”经过贾宪、刘益的努力而逐步发展。一百年后,秦九韶的《数书九章》把增乘开方法推广成为任意高次方程的数值解法。书中有二次方程、三次方程、四次方程共25题,还有十次方程1题。在这许多问题中,系数有正有负,有整数也有小数,发展到这一步,“增乘开方法”就成为各种方程都适用的一种数值解法了。
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秦九韶在解题当中,其算法的特点还是随乘随加的方法进行的减根变换,这和现代求数学方程正根的方法基本上一致。这种现代算法是在秦九韶之后五百多年,意大利人鲁斐尼(Ruffini,1765—1822)在1804年和英国人霍纳(Horner,1786—1837)在1819年提出的,这也就是为人们所熟知的鲁斐尼-霍纳方法,其实理应改称“秦九韶方法”。
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天元术和四元术
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用求解方程的方法来解决实际问题,一般说来都需要两个步骤。首先要根据问题来设未知数,再按题给条件列出一个含有未知数的方程,这就是所谓的“造术”。天元术正是为解决列方程问题的一项突出成就。在金元之际,特别是在当时的北方,出现了一批有关天元术的著作,可惜都亡佚了,但在《测圆海镜》、《益古演段》、《算学启蒙》、《四元玉鉴》中都有着关于天元术的详细记载;特别是《四元玉鉴》还把天元术推广为四元术——多元高次方程组的解法。
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图7-11 天元术筹式一例
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天元术中“立天元一为某某”正是“设X为某某”的意思。在表示方法上,天元术是在一次项旁边写上“元”字,或在常数项旁边写上“太”字,为了简便起见,往往只记一字,或记“元”或记“太”,元字每上一层增加一次幂,太字每下一层即负幂指数增加一次,负的系数则加一捺。如右列的筹式即表示方程:x2-5x+6=0。“天元术”和目前代数学列方程的方法是一样的,只是符号和排列方式不同罢了。
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天元术的出现,解决了一元高次方程式列方程的问题,我国数学家很快便将其扩充到多元高次方程组,这是继天元术之后又一项杰出的创造。
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朱世杰《四元玉鉴》按天、地、人、物,立成四元,天元术是将各项系数纵列成行,而四元术则既有纵列,又有横列,摆成一个方阵模样,用以表示一个可以包含四个未知数的多项式或方程,并有一整套多元多项式的运算方法。朱世杰在《四元玉鉴》中共收有四元方程组问题7题,三元者13题,2元者36题。
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解多元方程组时用消去法,将四元四式消去一元后变为三元三式,再消去一元变为二元二式。更消去一元就得一元方程式,然后用增乘开方法求正根。
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我国数学家求解方程的方法,这时已经发展到高峰。由于筹算本身的局限性,无法布置更多的元,解题显然不能超过四元以上。到18世纪法国数学家别朱(Bazout)在1779年也对高次方程组的消去法问题作了系统的叙述。
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高阶等差级数
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宋元时期高阶等差级数的研究,可以说是始自北宋沈括的“隙积术”。杨辉又进一步丰富了垛积术的类型。但是高阶等差级数问题的研究,自古以来就和历法的推算即内插法有着密切关系。
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1281年,王恂、郭守敬等人考虑了日月五星的不等速运动情况,采用三次差分的内插法原理计算日月五星的运行,成为授时历中五大创举之一。
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朱世杰在《四元玉鉴》中对垛积招差问题作了系统而又详细的研究,得到了关于高次招差的一般公式,从而最后完成了宋元数学在这一方面的研究工作。这在中国数学史和世界数学史上都是首创,它和后来的牛顿(英,Newton)公式完全一致。
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大衍求一术
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“大衍求一术”就是中国古代求解联立一次同余式方法的发展,秦九韶称它为“求一术”,因又将其与《周易》[XP(]周 易[XP)]大衍之数相附会,称为“大衍求一术”。在秦九韶的《数书九章》中,求解一次同余组的“大衍求一术”也是数学史上的一项卓越成就。
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联立一次同余式问题,从数学文献上说,最早见于《孙子算经》中的一个问题:“今有物不知数,三三数之剩二,五五数之剩三,七七数之剩二,问物几何?”这就是著名的孙子问题,它的解法用到求三个一次同余式的共同解。这类问题和中国古代历法计算“上元积年”(即假想中历法的理想起点到编历时的年数)有关。从汉代到宋代历代的各家历法都有着自己的关于“上元积年”的数据,但却没有留下有关算法的记载。在现有资料中是秦九韶的《数书九章》首次对这一算法进行介绍并把它推广到解决各种数学问题中去。秦九韶举出的例题就不是“孙子问题”中的3、5、7之类的简单数据,其中的数据可以是整数,也可以是分数、小数。秦九韶系统地指出了求解一次同余组的一般计算步骤,正确而又严密。过了五百多年,欧洲的欧拉(Euler,1707—1783)和高斯(Gauss,1777—1855)等人对联立一次同余式方才进行了较为深入的研究。
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