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宋元数学四大家简介_个人介绍

发布时间:2021-02-27 20:03人物 人已围观  来源:龙斗SEO  作者:龙斗斗

简介宋元数学四大家是指秦九韶、李冶、杨辉和朱世杰。中国古代数学在宋元时期达到繁荣的顶点,涌现了一大批卓有成就的数学家。其中秦九韶、李冶、杨辉和朱世杰成就最为突出,被誉...

  宋元数学四大家是指秦九韶、李冶、杨辉和朱世杰。中国古代数学在宋元时期达到繁荣的顶点,涌现了一大批卓有成就的数学家。其中秦九韶、李冶、杨辉和朱世杰成就最为突出,被誉为“宋元数学四大家”。

  中文名:宋元数学四大家

  数学:宋元时期达到繁荣的顶点

  涌现:一大批卓有成就的数学家

  1:秦九韶

  2:李冶

  3:杨辉

  4:朱世杰

  

1、简介

 

  宋元数学四大家是指秦九韶、李冶、杨辉和朱世杰。中国古代数学在宋元时期达到繁荣的顶点,涌现了一大批卓有成就的数学家。其中秦九韶、李冶、杨辉和朱世杰成就最为突出,被誉为“宋元数学四大家”。

  

2、秦九韶

 

  人物生平

  秦九韶(公元1202-1261),字道古,安岳人。秦九韶与李冶、杨辉、朱世杰并称宋元数学四大家。其父秦季栖,进士出身,官至上部郎中、秘书少监。秦九韶聪敏勤学。宋绍定四年(1231),秦九韶考中进士,先后担任县尉、通判、参议官、州守、同农、寺丞等职。先后在湖北、安徽、江苏、浙江等地做官,1261年左右被贬至梅州,不久死于任所。他在政务之余,对数学进行虔心钻研,并广泛搜集历学、数学、星象、音律、营造等资料,进行分析、研究。宋淳祜四至七年(1244至1247),他在为母亲守孝时,把长期积累的数学知识和研究所得加以编辑,写成了闻名的巨著《数学九章》,并创造了“大衍求一术”。这不仅在当时处于世界领先地位,在近代数学和现代电子计算设计中,也起到了重要作用,被称为“中国剩余定理”。他所论的“正负开方术”,被称为“秦九韶程序”。现在,世界各国从小学、中学到大学的数学课程,几乎都接触到他的定理、定律和解题原则。秦九韶在数学方面的研究成果,比英国数学家取得的成果要早800多年。秦九韶字道古.普州安岳(今四川安岳)人.南宋嘉泰二年(1202年)生;约景定二年(1261年)卒于梅州。

  秦九韶祖籍鲁郡(今河南范县),其父秦季槱,字宏父,绍熙四年(1193)进士,后任巴州(今四川巴中)守.嘉定十二年(1219)三月,兴元(今陕西汉中)军士张福、莫简等发动兵变,入川后攻取利州(今广元)、阆州(今阆中)、果州(今南充)、遂宁(今遂宁)、普州(今安岳)等地.在哗变军队进占巴州时,秦季槱弃城逃走,携全家辗转抵达南宋都城临安(今杭州).在临安,秦季槱曾任工部郎中和秘书少监等官职.宝庆元年(1225)六月,被任命为潼川知府,返回四川.

  秦九韶自幼生活在家乡,18岁时曾“在乡里为义兵首”,后随父亲移居京部.他是一位非常聪明的人,处处留心,好学不倦.其父任职工部郎中和秘书少监期间,正是他努力学习和积累知识的时候.工部郎中掌管营建,而秘书省则掌管图书,其下属机构设有太史局,因此,他有机会阅读大量典籍,并拜访天文历法和建筑等方面的专家,请教天文历法和土木工程问题,甚至可以深入工地,了解施工情况.他又曾向“隐君子”学习数学.他还向著名词人李刘学习骈俪诗词,达到较高水平.通过这一阶段的学习,秦九韶成为一位学识渊博、多才多艺的青年学者,时人说他“性极机巧,星象、音律、算术,以至营造等事,无不精究”,“游戏、毬、马、弓、剑,莫不能知.”

  1225年,秦九韶随父亲至潼川,担任过一段时间的县尉.数年后,李刘曾邀请他到南宋国史院校勘书籍文献,但未成行.端平三年(1236)元兵攻入四川,嘉陵江流域战乱频仍,秦九韶不得不经常参与军事活动.他后来在《数书九章》序中写道:“际时狄患,历岁遥塞,不自意全于矢石间,尝险罹忧,荏苒十祀,心槁气落”,真实地反映了这段动荡的生活.由于元兵进逼和溃卒骚乱,潼川已难以安居,于是他再度出川东下,先后担任过蕲州(今湖北蕲春)通判及和州(今安徽和县)守,最后定居湖州(今浙江吴兴).秦九韶在任和州守期间,利用职权贩盐,强行卖给百姓,从中牟利.定居湖州后,所建住宅“极其宏敞”,“后为列屋,以处秀姬、管弦”.据载,他在湖州生活奢华,“用度无算”.淳祐四年(1244)八月,秦九韶以通直郎为建康府(今江苏南京)通判,十一月因母丧离任,回湖州守孝.在此期间,他专心致志研究数学,于淳祐七年(1247)九月完成数学名著《数书九章》.由于在天文历法方面的丰富知识和成就,他曾受到皇帝召见,阐述自己的见解,并呈有奏稿和“数学大略”(即《数书九章》).

  宝祐二年(1254),秦九韶回到建康,改任沿江制置使参议,不久去职.此后,他极力攀附和贿赂当朝权贵贾似道,得于宝祐六年(1258)任琼州守,但三个月后被免职.同时代的刘克庄说秦九韶“到郡(琼州)仅百日许,郡人莫不厌其贪暴,作卒哭歌以快其去”,周密亦说他“至郡数月,罢归,所携甚富”.看来,由于他在琼州的贪暴,百姓极为不满.秦九韶从琼州回到湖州后,投靠吴潜,得到吴潜赏识,两人关系甚密.吴潜曾相继在开庆元年(1259)拟任以司农寺丞,景定元年(1260)拟任以知临江军(今江西清江),都因遭到激烈反对而作罢.在这段时间里,秦九韶热衷于谋求官职,追逐功名利禄,在科学上没有显著成绩.在南宋统治集团内部的激烈斗争中,吴潜被罢官贬谪,秦九韶也受到牵连.约在景定二年(1261),他被贬至梅州做地方官,“在梅治政不辍”,不久便死于任所.

  秦九韶在数学上的主要成就是系统地总结和发展了高次方程数值解法和一次同余组解法,提出了相当完备的“正负开方术”和“大衍求一术”,达到了当时世界数学的最高水平.

  安岳修建的秦九韶纪念馆,恢宏壮观,雄伟气派。

  大事记

  嘉定元年(1208)春出生在普州,

  绍定二年(1229)十月,秦九韶擢郪县县尉,

  绍定四年(1231)八月,秦九韶参与魏了翁平抑泸州蛮夷,葺其城楼橹雉堞,

  绍定五年(1232)八月乙丑进士,绍定六年,秦九韶在魏了翁带领吴潜等督视潼川府路、成都府路时认识吴潜,魏了翁和吴潜同秦九韶去拜望病中的许奕。

  端平三年(1236)一月,秦九韶擢升湖北蕲州(今湖北蕲春县)通判,

  嘉熙元年(1237)年秋,秦九韶知和州(今安徽和县)

  嘉熙二年(1238),秦九韶回临安丁父忧,秦九韶在杭州丁父忧期中,发现西溪两岸的群众过河很不方便,在西溪上设计修建一座桥,名“西溪桥”,数学家朱世杰为纪念秦九韶,将桥命名为“道古桥”。

  嘉熙三年(1239),秦九韶在杭州处理完父亲的后事之后,便和母亲、妻子回到湖州西门外父亲早年备置的宅第,继续丁父忧。秦九韶在湖州丁父忧期中,与知庆元府(浙江宁波)吴潜交尤稔,着手改建父亲备置的住宅。

  淳祐三年六月,吴潜回湖州丁母忧,秦九韶与被夺官的吴潜交往更是密切。

  淳祐四年(1244),秦九韶以通直郎出任建康(南京)府通判,十一月,秦九韶丁母忧,解官离任,回湖州为近八旬的母亲守灵,将潜心研究、用于实践中的数学成果,著书《数学大略》。此时,吴潜也在湖州丁母忧,两人交往甚犹。

  淳祐八年(1248),《数学大略》得荐于朝。

  淳祐九年(1249),目录学家陈振孙,在编书目时向秦九韶请教,

  淳祐十年年(1250),秦九韶卸任建康通判,出任苏州州守。

  宝祐二年(1254),九韶出任江宁(江苏南京)府知府、沿江制置司参议官,管理江南十府粮道,宝祐四年去职。

  宝祐六年(1258),秦九韶由贾似道荐于李曾伯为琼州守,凡数月去之。

  开庆元年(1259)十月,吴潜第二次入相,秦九韶有江东(江苏南京)议幕之除。又除司农丞前去平江(府治在今苏州市)措置米餫,俱以事罢。

  景定元年(1260),秦九韶知临江军(江西清江县西临江镇,南宋为临江军,辖清江、新喻、等县)。

  景定二年(1261)六月,秦九韶广东梅州知军州事。

  咸淳四年(1268)二月,秦九韶在梅州治政近六年左右,得知朝廷为吴潜追复爵禄,了却心中惦念的沉冤,在梅州辞世,时年六十一岁。

  数学贡献

  秦九韶的数学成就基本表现在他写的《数书九章》之中。然而,这本书在当时并没有引起大的影响,稍后的杨辉、朱世杰都没有引征过秦九韶的成果。《数书九章》的主要内容偏重于数学的应用方面,全书八十一道题目都是结合当时的实际需要提出的问题。

  划时代巨著

  秦九韶潜心研究数学多年,在湖州守孝三年,所写成的世界数学名著《数书九章》,《癸辛杂识续集》中称作《数学大略》,《永乐大典》称作中《数书九章》。全书九章十八卷,九章九类:“大衍类”、“天时类”、“田域类”、“测望类”、“赋役类”、“钱谷类”、“营建类”、“军旅类”、“市物类”,每类9题(9问)共计81题(81问),该书内容丰富至极,上至天文、星象、历律、测候,下至河道、水利、建筑、运输,各种几何图形和体积,钱谷、赋役、市场、牙厘的计算和互易。许多计算方法和经验常数直到现在仍有很高的参考价值和实践意义,被誉为“算中宝典”。该书著述方式,大多由“问曰”、“答曰”、“术曰”、“草曰”四部分组成:“问曰”,是从实际生活中提出问题;“答曰”,给出答案;“术曰”,阐述解题原理与步骤;“草曰”,给出详细的解题过程。此书已为国内外科学史界公认的一部世界数学名著。此书不仅代表着当时中国数学的先进水平,也标志着中世纪世界数学的最高水平。我国数学史家梁宗巨评价道:“秦九韶的《数书九章》(1247年)是一部划时代的巨著,内容丰富,精湛绝伦。特别是大衍求一术(不定方程的中国独特解法)及高次代数方程的数值解法,在世界数学史上占有崇高的地位。那时欧洲漫长的黑夜犹未结束,中国人的创造却像旭日一般在东方发出万丈光芒。”

  大衍求一术

  中国古代求解一类大衍问题的方法。大衍问题源于《孙子算经》中的“物不知数”问题:“今有物,不知其数,三三数之剩二,五五数之剩三,七七数之剩二,问物几何?”这是属于现代数论中求解一次同余式方程组问题。宋代数学家秦九韶在《数书九章》(1247年成书)中对此类问题的解法作了系统的论述,并称之为大衍求一术。九韶的“大衍求一术”,领先卡尔·弗里德里希·高斯554年,被康托尔称为“最幸运的天才”。秦九韶所发明的“大衍求一术”,即现代数论中一次同余式组解法,是中世纪世界数学的最高成就,比西方1801年著名数学家高斯(Gauss,1777—1855年)建立的同余理论早554年,被西方称为“中国剩余定理”。秦九韶不仅为中国赢得无上荣誉,也为世界数学作出了杰出贡献。

  任意次方程

  秦九韶的任意次方程的数值解领先霍纳572年。秦九韶在《数书九章》中除“大衍求一术”外,还创拟了正负开方术,即任意高次方程的数值解法,也是中世纪世界数学的最高成就,秦九韶所发明的此项成果比1819年英国人霍纳(W·G·Horner,1786—1837年)的同样解法早572年。秦九韶的正负方术,列算式时,提出“商常为正,实常为负,从常为正,益常为负”的原则,纯用代数加法,给出统一的运算规律,并且扩充到任何高次方程中去。

  一次方程组解法

  此外,秦九韶还改进了一次方程组的解法,用互乘对减法消元,与现今的加减消元法完全一致;同时秦九韶又给出了筹算的草式,可使它扩充到一般线性方程中的解法。在欧洲最早是1559年布丢(Buteo,约1490—1570年,法国)给出的,他开始用不很完整的加减消元法解一次方程组,比秦九韶晚了312年,且理论上的不完整也逊于秦九韶。

  三斜求积术

  秦九韶还创用了“三斜求积术”等,给出了已知三角形三边求三角形面积公式,与海伦(Heron,公元50年前后)公式完全一致。秦九韶还给出一些经验常数,如筑土问题中的“坚三穿四壤五,粟率五十,墙法半之”等,即使对现在仍有现实意义。秦九韶还在十八卷77问“推计互易”中给出了配分比例和连锁比例的混合命题的巧妙且一般的运算方法,至今仍有意义。

  

3、李冶

 

  人物生平

  李冶生于大兴(今北京市大兴县),父亲李通为大兴府推官。李冶自幼聪敏,喜爱读书,曾在元氏县(今河北省元氏县)求学,对数学和文学都很感兴趣。《元朝名臣事略》中说:“公(指李冶)幼读书,手不释卷,性颖悟,有成人之风。”

  李冶的父亲李遹是位博学多才的学者,曾在大兴府尹胡沙虎手下任推官,母亲姓王.李冶有两个同父异母的弟兄,兄名澈,刘氏所生;弟名滋,崔氏所生;还有两个同胞姐妹.李冶原名治,后来发现与唐高宗相同,于是减去一点,改为冶.

  李冶出生的时候,金朝正由盛而衰.章宗即位(1190)后,官僚政治日趋腐败.由于管理不善,酿成了连年水灾.再加上对外战争及任意挥霍,金朝出现了财政危机,于是滥发纸币,致使物价飞涨,国虚民穷.泰和八年(1208),金章宗病死,卫绍王允济即皇帝位.这时蒙古军队加紧向金朝进攻,腐朽的金朝内已潜伏着亡国的危机.李遹的上司胡沙虎是一个深得朝廷宠信的奸臣,“声势炎炎,人莫敢仰视”,动辄打骂同僚,欺压百姓,甚至“虐杀不辜”.李遹见他无恶不作,常常据理力争,置个人生死祸福于度外.只因为官谨慎,才免遭毒手.李遹为了防备不测,便把老小送回故乡栾城.这时李冶正是童年,他没有随家人回乡而独自到栾城的邻县元氏求学去了.至宁元年(1213),由于胡沙虎篡权乱政,李遹被迫辞职,隐居阳翟(今河南禹县),从此不再过问政事.他吟诗作画,在当地颇有名声.

  父亲的正直为人及好学精神对李冶深有影响.在李冶看来,学问比财富更可贵.他说:“积财千万,不如薄技在身”,又说:“金璧虽重宝,费用难贮蓄.学问藏之身,身在即有余.”他在青少年时期,对文学、史学、数学、经学都感兴趣,曾与好友元好问外出求学,拜文学家赵秉文、杨云翼为师,不久便名声大振.

  1230年,李冶在洛阳考中词赋科进士,正大七年(1230),李冶赴洛阳应试,被录取为词赋科进土,时人称赞他“经为通儒,文为名家”.同年得高陵(今陕西高陵)主簿官职,但蒙古窝阔台军已攻入陕西,所以没有上任.接着又被调往阳翟附近的钧州(今河南禹县)任知事,为官清廉、正直。1232年正月,钧州城被蒙古军队攻破。李冶不愿投降,只好换上平民服装,走上了漫长而艰苦的流亡之路。这是他一生的重要转折点,将近50年的学术生涯便由此开始了。

  李冶北渡后流落于山西的忻县、崞县之间,过着“饥寒不能自存”的生活.一年以后(1233),汴京(今河南开封)陷落,元好问也弃官出京,到山西避难.1234年初,金朝终于为蒙古所灭,李冶与元好问都感到政事已无可为,于是潜心学问.李冶经过一段时间的颠沛流离之后,定居于崞山(今山西崞县)的桐川。1234年初,金朝终于为蒙古所灭。金朝的灭亡给李冶生活带来不幸,但由于他不再为官,这在客观上使他的科学研究有了充分的时间。他在桐川的究工作是多方面的,包括数学、文学、历史、天文、哲学、医学。其中最有价值的工作是对天元术进行了全面总结,写成数学史上的不朽名著——《测圆海镜》。他的工作条件是十分艰苦的,不仅居室狭小,而且常常不得温饱,要为衣食而奔波。但他却以著书为乐,从不间断自己的写作。据《真定府志》记载,李冶“聚书环堵,人所不堪”,但却“处之裕如也”。他的学生焦养直说他:“虽饥寒不能自存,亦不恤也”,在“流离顿挫”中“亦未尝一日废其业”。经过多年的艰苦奋斗,李冶的《测圆海镜》终于在l248年完稿。它是我国现存最早的一部系统讲述天元术的著作。

  1251年,李冶的经济情况有所好转,他结束了在山西的避难生活,回元氏县封龙山定居,并收徒讲学。李冶的学生越来越多,家里逐渐容纳不下了,于是师生共同努力,在北宋李遹读书堂故基上建起封龙书院.李冶在书院不仅讲数学,也讲文学和其他知识.他呕心沥血,培养出大批人才,并常在工作之余与元好问、张德辉一起游封龙山,被称为“龙山三老”.1257年在开平(今内蒙古正蓝旗)与金朝遗老窦默、姚枢、李俊民等多人接受忽必烈召见,又派董文用专程去请李冶,说:“素闻仁卿学优才赡,潜德不耀,久欲一见,其勿他辞.”同年五月,李冶在开平(今内蒙古正蓝旗)见忽必烈,陈述了自己的政治见解:“为治之道,不过立法度、正纪纲而已.纪纲者,上下相维持;法度者,赏罚示惩劝.”在谈到人才问题时,他说:“天下未尝乏材,求则得之,舍则失之,理势然耳.”最后,他向忽必烈提出“辨奸邪、去女谒、屏馋慝、减刑罚、止征伐”五条政治建议,得到忽必烈的赞赏。

  李冶会见忽必烈之后,回封龙山继续讲学著书,于1259年写成另一部数学著作——《益古演段》.1260年,忽必烈即皇帝位,是为元世祖.第二年七月建翰林国史院于开平,聘请李冶担任清高而显要的工作——翰林学士知制诰同修国史.但李冶却以老病为辞,婉言谢绝了.从时代背景及李冶思想分析,他拒绝应聘的原因有二.第一,蒙古统治者没有接受李冶“止征伐”的建议,而是大举攻宋,从而引起李冶不满;第二,忽必烈初登帝位,其弟阿里不哥不服,起兵反抗,蒙古统治区陷入连年内战.李冶是不愿在这种动荡的局势下作官的.他说:“世道相违,则君子隐而不仕.”

  忽必烈降服阿里不哥、平定蒙古内乱后,再召李冶为翰林学士知制诰同修国史.李冶于至元二年(1265)来到燕京(今北京),勉强就职,参加修史工作.但他不久便感到翰林院里思想不自由,处处都要秉承统治者的旨意而不能畅所欲言.因此,他在这里工作一年之后便以老病辞职了.李冶是个追求思想自由的人,尤其不愿在学术上唯命是从.他说:“翰林视草,唯天子命之;史馆秉笔,以宰相监之.特书佐之流,有司之事,非作者所敢自专而非非是是也.今者犹以翰林、史馆为高选,是工谀誉而善缘饰者为高选也.吾恐识者羞之.”

  李冶辞职后一直在封龙山下讲学著书.他在晚年完成的《敬斋古今黈(音tǒu)》与《泛说》是两部内容丰富的著作.《泛说》一书今已不存,据《元朝名臣事略》中的几段引文及书名来看,这是一本随感录,记录李冶对各种事物的见解.《敬斋古今黈》则是一本读书笔记,“上下千古,博极群书”,在文史方面颇有独到见解.另外,李冶作过不少诗,其中有五首保存在《元诗选癸集》中.从这些诗来看,李冶的文学造诣相当深.李冶还著有《文集》40卷与《璧书丛削》12卷,均已失传。1279年,李冶病逝于元氏。李冶在数学上的主要成就是总结并完善了天元术,使之成为中国独特的半符号代数。这种半符号代数的产生,要比欧洲早三百年左右。他的《测圆海镜》是天元术的代表作,而《益古演段》则是一本普及天元术的著作。

  李冶一生著作虽多,但他最得意的还是《测圆海镜》.他在弥留之际对儿子克修说:“吾平生著述,死后可尽燔去.独《测圆海镜》一书,虽九九小数,吾常精思致力焉,后世必有知者.庶可布广垂永乎?”

  李冶的数学研究是以天元术为主攻方向的.这时天元术虽已产生,但还不成熟,就像一棵小树一样,需要人精心培植.李冶用自己的辛勤劳动,使它成长为一棵枝叶繁茂的大树。

  数学贡献

  天元术

  所谓天元术,就是一种用数学符号列方程的方法,“立天元一为某某”相当于今“设x为某某”是一致的。在中国,列方程的思想可追溯到汉代的《九章算术》,书中用文字叙述的方法建立了二次方程,但没有明确的未知数概念。到唐代,王孝通已经能列出三次方程,但仍是用文字叙述的,而且尚未掌握列方程的一般方法。经过北宋贾宪、刘益等人的工作,求高次方程正根的问题基本解决了。随着数学问题的日益复杂,迫切需要一种普遍的建立方程的方法,天元术便在北宋应运而生了、洞渊、石信道等都是天元术的先驱。但直到李冶之前,天元术还是比较幼稚的,记号混乱、复杂,演算烦琐。例如李冶在东平(今山东省东平县)得到的一本讲天元术的算书中,还不懂得用统一符号表示未知数的不同次幂,它“以十九字识其上下层,曰仙、明、霄、汉、垒、层、高、上、天、人、地、下、低、减、落、逝、泉、暗、鬼。”这就是说,以“人”字表示常数,人以上九字表示未知数的各正数次幂(最高为九次),入以下九字表示未知数的各负数次幂(最低也是九次),其运算之繁可见一斑。从稍早于《测圆海镜》的《铃经》等书来看,天元术的作用还十分有限。李冶则在前人的基础上,将天元术改进成一种更简便而实用的方法。当时,北方出了不少算书,除《铃经》外,还有《照胆》、《如积释锁》、《复轨》等,这无疑为李冶的数学研究提供了条件。特别值得一提的是,他在桐川得到了洞渊的一部算书,内有九客之说,专讲勾股容圆问题。此书对他启发甚大。为了能全面、深入地研究天元术,李冶把勾股容圆(即切圆)问题作为一个系统来研究。他讨论了在各种条件下用天元术求圆径的问题,写成《测圆海镜》十二卷,这是他一生中的最大成就。

  《测圆海镜》

  《测圆海镜》不仅保留了洞渊九容公式,即9种求直角三角形内切圆直径的方法,而且给出一批新的求圆径公式。卷一的识别杂记阐明了圆城图式中各勾股形边长之间的关系以及它们与圆径的关系,共六百余条,每条可看作一个定理(或公式),这部分内容是对中国古代关于勾股容圆问题的总结。后面各卷的习题,都可以在“识别杂记”的基础上以天元术为工具推导出来。李冶总结出一套简明实用的天元术程序,并给出化分式方程为整式方程的方法。他发明了负号和一套先进的小数记法,采用了从零到九的完整数码。除O以外的数码古已有之,是筹式的反映。但筹式中遇O空位,没有符号O。从现存古算书来看,李冶的《测圆海镜》和秦九韶《数书九章》是较早使用O的两本书,它们成书的时间相差不过一年。《测圆海镜》重在列方程,对方程的解法涉及不多。但书中用天元术导出许多高次方程(最高为六次),给出的根全部准确无误,可见李冶是掌握高次方程数值解法的。

  《测圆海镜》不仅是我国现存最早的一部天元术著作,而且在体例上也有创新.全书基本上是一个演绎体系,卷一包含了解题所需的定义、定理、公式,后面各卷问题的解法均可在此基础上以天元术为工具推导出来.李冶之前的算书,一般采取问题集的形式,各章(卷)内容大体上平列.李冶以演绎法著书,这是中国数学史上的一个进步.

  《测圆海镜》的成书标志着天元术成熟,对后世有深远影响.元代王恂、郭守敬在编《授时历》的过程中,曾用天元术求周天弧度.不久,沙克什用天元术解决水利工程中的问题,收到良好效果.元代大数学家朱世杰说:“以天元演之、明源活法,省功数倍.”清代阮元说:“立天元者,自古算家之秘术;而海镜者,中土数学之宝书也.”

  《益古演段》

  《测圆海镜》的成书标志着天元术成熟,它无疑是当时世界上第一流的数学著作。但由于内容较深,粗知数学的人看不懂。而且当时数学不受重视,所以天元术的传播速度较慢。李冶清楚地看到这一点,他坚信天元术是解决数学问题的一个有力工具,同时深刻认识到普及天元术的必要性。他在结束避难生活、回元氏县定居以后,许多人跟他学数学,促使他写一本深入浅出、便于教学的书,《益古演段》便是在这种情况下写成的。《测圆海镜》的研究对象是离生活较远而自成系统的圆城图式,《益古演段》则把天元术用于解决实际问题,研究对象是日常所见的方、圆面积。李冶大概认识到,天元术是从几何中产生的。因此,为了使人们理解天元术,就需回顾它与几何的关系,给代数以几何解释,而对二次方程进行几何解释是最方便的,于是便选择了以二次方程为主要内容的《益古集》(11世纪蒋周撰)。正如《四库全书·益古演段提要》所说:“此法(指天元术)虽为诸法之根,然神明变化,不可端倪,学者骤欲通之,茫无门径之可入。惟因方圆幂积以明之,其理尤届易见。”李冶是很乐于作这种普及工作的,他在序言中说:“使粗知十百者,便得入室啖其文,顾不快哉!”

  《益古演段》全书64题,处理的主要是平面图形的面积问题,所求多为圆径、方边、周长之类.除四道题是一次方程外,全是二次方程问题,内容安排基本上是从易到难.李冶在完成《测圆海镜》之后写《益古演段》,他对天元术的运用自然会更加熟练.但他却没有像前者那样,完全用天元术解题.书中新旧二术并列,新术是李冶的代数方法——天元术;旧术是蒋周的几何方法——条段法,这是一种图解法,因为方程各项常用一段一段的条形面积表示,所以得名.该书揭示了两者的联系与区别,对我们了解条段法向天元术的过渡、探讨数学发展规律有重要意义.书中常用人们易懂的几何方法对天元术进行验证,这对于人们接受天元术是有好处的.该书图文并茂,深入浅出,不仅利于教学,也便于自学.正如砚坚序中的评价:“说之详,非若溟津黯淡之不可晓;析之明,非若浅近粗俗之无足观.”这些特点,使它成为一本受人们欢迎的数学教材,对天元术的传播发挥了不小的作用.

  在数学理论上,《益古演段》也有创新.该书的问题同《测圆海镜》不同,所求量不是一个而是两个、三个甚至四个.按古代方程理论:“二物者再程,三物者三程,皆如物数程之.”应该用方程组来解,所含方程个数与所求量个数一致.但解二次方程组要比解一元方程困难得多.李冶既已完善了天元术程序,便力图提高它的一般化程度,用以解决各种多元问题.他的主要方法是利用出入相补原理(即“一个平面图形从一处移置他处,面积不变.又若把图形分割成若干块,那么各部分面积的和等于原来图形的面积,因而图形移置前后诸面积间的和、差有简单的相等关系.”吴文俊语)及等量关系来减少未知数,化多元为一元,找到关键的天元一.一旦这个天元一求出来,其他要求的量就可根据与天元一的关系,很容易求出了.

  《益古演段》的价值不仅在于普及天元术,理论上也有创新首先,李冶善于用传统的出入相补原理及各种等量关系来减少题目中的未知数个数,化多元问题为一元问题。其次,李冶在解方程时采用了设辅助未知数的新方法,以简化运算。

  

4、杨辉

 

  人物生平

  杨辉,中国南宋时期杰出的数学家和数学教育家。在13世纪中叶活动于苏杭一带,其著作甚多。

  他著名的数学书共五种二十一卷。著有《详解九章算法》十二卷(1261年)、《日用算法》二卷(1262年)、《乘除通变本末》三卷(1274年)、《田亩比类乘除算法》二卷(1275年)、《续古摘奇算法》二卷(1275年)。杨辉的数学研究与教育工作的重点是在计算技术方面,他对筹算乘除捷算法进行总结和发展,有的还编成了歌决,如九归口决。

  他在《续古摘奇算法》中介绍了各种形式的纵横图及有关的构造方法,同时垛积术是杨辉继沈括隙积术后,关于高阶等差级数的研究。杨辉在纂类中,将《九章算术》246个题目按解题方法由浅入深的顺序,重新分为乘除、分率、合率、互换、二衰分,勾股等九类。

  他非常重视数学教育的普及和发展,在《算法通变本末》中,杨辉为初学者制订的习算纲目是中国数学教育史上的重要文献。

  数学贡献

  (一)主要著述

  杨辉一生留下了大量的著述,它们是:《详解九章算法》12卷(1261年),《日用算法》2卷(1262年),《乘除通变本末》3卷(1274年,第3卷与他人合编),《田亩比类乘除捷法》2卷(1275年),《续古摘奇算法》2卷(1275年,与他人合编),其中后三种为杨辉后期所著,一般称之为《杨辉算法》。

  《详解九章算法》现传本已非全帙,编排也有错乱。从其序言可知,该书乃取魏刘微注、唐李淳风等注释、北宋贾宪细草的《九章算术》中的80问进行详解。在《九章算术》9卷的基础上,又增加了3卷,一卷是图,一卷是讲乘除算法的,居九章之前;一卷是纂类,居书末今卷首图、卷l乘除,卷2方田、卷3粟米、卷4衰分的衰分、反衰诸题、卷6商功的诸同功问题已佚。卷4衰分下半卷、卷5少广存《永乐大典》残卷中,其余存《宜稼堂丛书》中。从残本的体例看,该书对《九章算术》的详解可分为:一、解题。内容为解释名词术语、题目含义、文字校勘以及对题目的评论等方面。二、明法、草。在编排上,杨辉采用大字将贾宪的法、草与自己的详解明确区分出来。三、比类。选取与《九章算术》中题目算法相同或类似的问题作对照分析。四、续释注。在前人基础上,对《九章算术》中的80问进一步作注释。杨辉的“纂类”,突破《九章算术》的分类格局,按照解法的性质,重新分为乘除、分率、合率、互换、衰分、叠积、盈不足、方程、勾股九类。

  杨辉在《详解九章算法》一书中还画了一张表示二项式展开后的系数构成的三角图形,称做“开方做法本源”,现在简称为“杨辉三角”。

  杨辉三角是一个由数字排列成的三角形数表,一般形式如下:

  1

  11

  121

  1331

  14641

  15101051

  1615201561

  .....................................

  杨辉三角最本质的特征是,它的两条斜边都是由数字1组成的,而其余的数则是等于它肩上的两个数之和。

  《日用算法》,原书不传,仅有几个题目留传下来。从《算法杂录》所引杨辉自序可知该书内容梗概:“以乘除加减为法,秤斗尺田为问,编诗括十三首,立图草六十六问。用法必载源流,命题须责实有,分上下卷。”该书无疑是一本通俗的实用算书。

  《乘除通变本末》三卷,皆各有题,在总结民间对等算乘除法的改进上作出了重大贡献。上卷叫《算法通变本末》,首先提出“习算纲目”,是数学教育史的重要文献,又论乘除算法;中卷叫《乘除通变算宝》,论以加减代乘除、求一、九归诸术;下卷叫《法算取用本末》,是对中卷的注解。

  《田亩比类乘除捷法》,其上卷内容是《详解九章算法》方田章的延展,所选例子非常贴近实际。下卷主要是对刘益工作的引述。杨辉在《田亩比类乘除捷法》序中称“中山刘先生作《议古根源》。……撰成直田演段百间,信知田体变化无穷,引用带从开方正负损益之法,前古之所未闻也。作术逾远,罔究本源,非探喷索隐而莫能知之。辉择可作关键题问者重为详悉著述,推广刘君垂训之意。”《田亩比类乘除捷法》卷下征引了《议古根源》22个问题,主要是二次方程和四次方程的解法。

  《续古摘奇算法》上卷首先列出20个纵横图,即幻方。其中第一个为河图,第二个为洛书,其次,四行、五行、六行、七行、八行幻方各两个,九行、十行幻方各一个,最后有“聚五”“聚六”:聚八”“攒九”“八阵”“连环”等图。有一些图有文字说明,但每一个图都有构造方法,使图中各自然数“多寡相资,邻壁相兼”凑成相等的和数。卷下评说《海岛》也有极高的科学价值。

  杨辉著作大都注意应用算术,浅近易晓。其著作还广泛征引数学典籍和当时的算书,中国古代数学的一些杰出成果,比如刘益的“正负开方术”,贾宪的“开方作法本源图”“增乘开方法,”幸得杨辉引用,否则,今天将不复为我们知晓。

  (二)主要研究成果

  杨辉的数学研究与数学教育工作之重点在于改进筹算乘除计算技术,总结各种乘除捷算法,这是由当时的社会状况决定的。唐代中期以后,社会经济得到较大发展,手工业和商业交易都具有相当的规模,因而,人们在生产、生活中需要数学计算的机会,较前大大增加,这种情况迫切要求数学家们为人们提供便于掌握、快捷准确的计算方法。为适应社会对数学的这种需求,中晚唐时期出现了一些实用的算术书籍。但是,这些书籍除了《韩延算术》,被宋人误认为《夏侯阳算经》而刊刻流传到现在外,都已失传。《韩延算术》大约编写于公元770年前后,书中介绍了很多乘除捷法的例子。比如,某数乘以42可以化为某数乘以6,再乘以7;某数除以12可以化为某数除以2,再除以6。对于更复杂的问题可同样处理。通过将乘数、除数分解为一位数,可以使运算在一行内实现,简化了运算,提高了速度。韩延还介绍了其他一些简捷算法。比如“身外添加四”、“隔位加二”。北宋科学家沈括也总结了增成、重因等捷算法。

  杨辉生活在南宋商业发达的苏杭一带,进一步发展了乘除捷算法。他说:“乘除者本钩深致远之法。《指南算法》以‘加减’、‘九归’、‘求一’旁求捷径,学者岂容不晓,宜兼而用之。”在前人的基础上,他提出了“相乘六法”:一曰“单因”,即乘数为一位数的乘法;二曰“重因”,即乘数可分解为两个一位数的乘积的乘法;三曰“身前因”,即乘数末位为一的两位数乘法,比如257×21=257×20十257,实际上,身前因就是通过乘法分配律将多位数乘法化为一位数乘法和加法来完成。四曰相乘,即通常的乘法;五曰“重乘”,就是乘数可分解为两因数的积,作两次相乘;六曰“损乘”,是一种以减代乘法,比如,当乘数为9、8、7时,可以10倍被乘数中,减去被乘数的—、二、三倍。杨辉还进一步发展了唐宋相传的求一算法,总结出了“乘算加法五术”、“除算减法四术”。求一实际上就是通过倍、折、因将乘除数首位化为一,从而用加减代乘除。杨辉的“乘算加算加法五术”,即“加一位”、“加二位”、“重加”、“加隔位”、“连身加”。乘数为11至19的,用加一位;乘数为101至199的,用加二位法;乘数可分为两因数的积,且可用加一或加二时,称为重加;乘数为101至109时,用隔位加;乘数为21至29、201至299时,用连身加。例如,342×56的计算,用现代符号写出,便是:342×56=342×112÷2=(34200+342×12)÷2=(34200十3420十342×2)÷2。其“除算减法四木”即“减一位”、“减二位”、“重减”、“减隔位”,用法与乘算加法类似。

  北宋初年出现的一种除法——增成法,在杨辉那里得到进一步的完善。增成法的优点在于用加倍补数的办法避免了试商,但对于位数较多的被除数,运算比较繁复,后人改进了它,总结出了“九归古括”,包含44句口诀。杨辉在其《乘除通变算宝》中引《九归新括》口诀32句,分为“归数求成十”、“归数自上加”,“半而为五计”三类。

  客观上讲,杨辉不遗余力改进计算技术,大大加快了运算工具改革的步伐。随着筹算歌诀的盛行,运算速度大大加快,以至人们感觉到摆弄算筹跟不上口诀。在这样的背景下,算盘便应运而生了,及至元末,已经广为流行。

  纵横图,即所谓的幻方。早在汉郑玄《易纬注》及《数术记遗》都记载有“九宫”即三阶幻方,千百年来一直被人披上神秘的色彩。杨辉创“纵横图”之名。在所著《续古摘奇算法》上卷作出了多种多样的图形。图ll是四阶纵横图;图12是百子图,即十阶纵横图。其每行每列数之和为50—5(对角线数字之和不是505);图13是“聚八”图,杨辉按“二十四子作三十二子用”设子的这种幻方共有四圈,每圈数字之和为100;图14是“攒九”图,用前33个自然数排列,达到“斜直周围各一百四十七”的效果。杨辉不仅给出了这些图的编造方法,而且对一些图的一般构造规律有所认识,打破了幻方的神秘性。这是世界上对幻方最早的系统研究和记录。自杨辉以后,明清两代中算家关于纵横图的研究相继不断。

  杨辉的另一重要成果是垛积术。这是杨辉继沈括“隙积术”之后,关于高阶等差级数求和的研究。在《详解九章算法》和《算法通变本末》中记叙了若干二阶等差级数求和公式,其中除有一个即沈括的当童垛外,还有三角垛、四隅垛、方垛三式,用现今的记号表示就相当于下面三式:

  上述三式可由沈括之刍童公式推出。

  对数学重新分类也是杨辉的重要数学工作之一。杨辉在详解《九章算术》的基础上,专门增加了一卷“纂类”,将《九章》的方法和246个问题按其方法的性质重新分为乘除、分率、合率、互换、衰分、叠积、盈不足、方程、勾股九类。

  杨辉不仅是一位著述甚丰的数学家,而且还是一位杰出的数学教育家。他一生致力于数学教育和数学普及,其著述有很多是为了数学教育和普及而写。《算法通变本末》中载有杨辉专门为初学者制订的“习算纲目”,它集中体现了杨辉的数学教育思想和方法。

  

5、朱世杰

 

  人物生平

  朱世杰(1300前后),字汉卿,号松庭,寓居燕山(今北京附近),“以数学名家周游湖海二十余年”,“踵门而学者云集”。中国元代数学家,对多元高次方程组解法、高阶等差级数求和,高次内插法都有深入研究,他著有《算学启蒙》(1299年)、《四元玉鉴》(1303年)各3卷,在后者中讨论了多达四元的高次联立方程组解法,联系在一起的多项式的表达和运算以及消去法,已接近近世代数学,处于世界领先地位,他通晓高次招差法公式,比西方早四百年,中外数学史家都高度评价朱世杰和他的名著《四元玉鉴》。

  主要著述

  朱世杰长期从事数学研究和教育事业,以数学名家周游各地20多年,四方登门来学习的人很多。朱世杰数学代表作有《算学启蒙》(1299)和《四元玉鉴》(1303)。《算学启蒙》是一部通俗数学名著,曾流传海外,影响了朝鲜、日本数学的发展。《四元玉鉴》则是中国宋元数学高峰的又一个标志,其中最杰出的数学创作有“四元术”(多元高次方程列式与消元解法)、“垛积法”(高阶等差数列求和)与“招差术”(高次内插法)。

  朱世杰在数学科学上,全面地继承了秦九韶、李冶、杨辉的数学成就,并给予创造性的发展,写出了《算学启蒙》、《四元玉鉴》等著名作品,把我国古代数学推向更高的境界,形成宋元时期中国数学的最高峰。《算学启蒙》是朱世杰在元成宗大德三年(1299)刊印的,全书共三卷,20门,总计259个问题和相应的解答。这部书从乘除运算起,一直讲到当时数学发展的最高成就“天元术”,全面介绍了当时数学所包含的各方面内容。

  它的体系完整,内容深入浅出,通俗易懂,是一部很著名的启蒙读物。这部著作后来流传到朝鲜、日本等国,出版过翻刻本和注释本,产生过一定的影响。而《四元玉鉴》更是一部成就辉煌的数学名著。它受到近代数学史研究者的高度评价,认为是中国古代数学科学著作中最重要的、最有贡献的一部数学名著。《四元玉鉴》成书于大德七年(1303),共三卷,24门,288问,介绍了朱世杰在多元高次方程组的解法——四元术,以及高阶等差级数的计算——垛积术、招差术等方面的研究和成果。

  “天元术”是设“天元为某某”,即某某为x。但当未知数不止一个的时候,除设未知数天元(x)外,还需设地元(y)、人元(z)及物元(u),再列出二元、三元甚至四元的高次联方程组,然后求解。这在欧洲,解联立一次方程开始于16世纪,关于多元高次联立方程的研究还是18至19世纪的事了。朱世杰的另一重大贡献是对于“垛积术”的研究。他对于一系列新的垛形的级数求和问题作了研究,从中归纳为“三角垛”的公式,实际上得到了这一类任意高阶等差级数求和问题的系统、普遍的解法。朱世杰还把三角垛公式引用到“招差术”中,指出招差公式中的系数恰好依次是各三角垛的积,这样就得到了包含有四次差的招差公式。

  他还把这个招差公式推广为包含任意高次差的招差公式,这在世界数学史上是第一次,比欧洲牛顿的同样成就要早近4个世纪。正因为如此,朱世杰和他的著作《四元玉鉴》才享有巨大的国际声誉。近代日本、法国、美国、比利时以及亚、欧、美许多国家都有人向本国介绍《四元玉鉴》。美国已故的著名的科学史家萨顿是这样评说朱世杰的:“(朱世杰)是中华民族的、他所生活的时代的、同时也是贯穿古今的一位最杰出的数学科学家。”“《四元玉鉴》是中国数学著作中最重要的,同时也是中世纪最杰出的数学著作之一。它是世界数学宝库中不可多得的瑰宝。”从此中可以看出,宋元时期的科学家及其著作,在世界数学史上起到了不可估量的作用。

  数学贡献

  朱世杰的主要贡献是创造了一套完整的消未知数方法,称为四元消法.这种方法在世界上长期处于领先地位,直到18世纪,法国数学家贝祖(Bezout)提出一般的高次方程组解法,才超过朱世杰。除了四元术以外,《四元玉鉴》中还有两项重要成就,即创立了一般的高阶等差级数求和公式及等间距四次内插法公式,后者通常称为招差术.此书代表着宋元数学的最高水平,美国科学史家萨顿(G.Sarton)称赞它“是中国数学著作中最重要的一部,同时也是中世纪的杰出数学著作之一”。朱世杰处于中国传统数学发展的鼎盛时期,当时社会上“尊崇算学,科目渐兴”,数学著作广为传播。

  从天元术推广到二元、三元和四元的高次联立方程组,是宋元数学家的又一项杰出的创造。留传至今,并对这一杰出创造进行系统论述的是朱世杰的《四元玉鉴》。《四元玉鉴》成书于1303年。全书共3卷,24门,288问,主要论述高次方程组的解法(这也是朱世杰的最大贡献)、高阶等差级数求和以及高次内插法等内容。是流传至今且对四元术进行系统论述的重要代表作。

  在天元术的基础上,朱世杰建立了“四元高次方程理论”,他把常数项放在中央(即“太”),然后“立天元一于下,地元一于左,人元一于右,物元一于上”,“天、地、人、物”这四“元”代表未知数,(即相当于现在的x、y、z、w,)四元的各次幂放在上、下、左、右四个方向上,其它各项放在四个象限中。如果用现代的x、y、z、w表示天、地、人、物,那我们可以把朱世杰列高次多元方程的方法表示:而上面的两个图形“四元一次筹式”与“四元二次筹式”所表示的方程分别为:x+y+z+w=0,

  用上述方法列出四元高次方程后,再联立方程组进行解方程组,方法是用消元方法解答,先择一元为未知数,其它元组成的多项式作为这未知数的系数,然后把四元四式消去一元,变成三元三式,再消去一元变二元二式,再消去一元,就得到只含一元的天元开方式,然后用增乘开方法求得正根。这是线性方法组解法的重大发展,在西方,较有系统地研究多元方程组要等到16世纪。高阶等差级数求和与高次内插法也是《四元玉鉴》的重要内容。由许多求和问题中的一系列三角垛公式可归纳得公式。朱世杰给出了上式中当p=1,2,……6时的公式。此外,还有其它高阶等差级数求和公式。在招差法方面,朱世杰相当于给出了招差公式,这比西方要早400多年。

  美国著名的科学史家萨顿评论说:“朱世杰是他所生存时代的,同时也是贯穿古今的一位最杰出的数学家”,《四元玉鉴》是“中国数学著作中最重要的一部,同时也是整个中世纪最杰出的数学著作之一。”朱世杰不仅是一名杰出的数学家,他还是一位数学教育家,曾周游四方各地,教授生徒20余年。并亲自编著数学入门书,称为《算学启蒙》。在《算学启蒙》卷下中,朱世杰提出已知勾弦和、股弦和求解勾股形的方法,补充了《九章算术》的不足。

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