數(shù)學瑰寶《夢溪筆談》
來源:人民日報海外版 2008-05-07 18:08:08
宋代是中國古代數(shù)學最輝煌的時期之一。北宋大科學家沈括的名著《夢溪筆談》中,有10多條有關(guān)數(shù)學的討論,內(nèi)容既廣且深,堪稱我國古代數(shù)學的瑰寶。
沈括最重要的數(shù)學探討是隙積術(shù)和會圓術(shù)。隙積術(shù)在我國數(shù)學史上開辟了高階等差級數(shù)求和的研究領(lǐng)域,對高階等差級數(shù)的研究始自沈括。
所謂“隙積”,指的是有空隙的堆積體、例如酒店中堆積的酒壇、疊起來的棋子等,這類堆積體整體上就像一個倒扣的斗,與平截頭的長方錐(芻童)很像。但是隙積的邊緣不是平的,而中間又有空隙,所以不能照搬芻童的體積公式。沈括經(jīng)過思考后,發(fā)現(xiàn)了正確的計算方法。他以堆積的酒壇為例說明這一問題:設(shè)最上層為縱橫各2個壇子,最下層為縱橫各12個壇子,相鄰兩層縱橫各差1壇,顯然這堆酒壇共11層;每個酒壇的體積不妨設(shè)為1,用芻童體積公式計算,總體積為3784/6,酒壇總數(shù)也應(yīng)是這個數(shù)。顯然,酒壇數(shù)不應(yīng)為非整數(shù),問題何在呢?沈括提出,應(yīng)在芻童體積基礎(chǔ)上加上一項“(下寬-上寬)×高/6”,即為110/6,酒壇實際數(shù)應(yīng)為(3784+110)/6=649。加上去的這一項正是一個體積上的修正項。在這里,沈括以體積公式為基礎(chǔ),把求解不連續(xù)的個體的累積數(shù)(級數(shù)求和),化為連續(xù)整體數(shù)值來求解,可見他已具有了用連續(xù)模型解決離散問題的思想。
會圓術(shù)是對圓的弧矢關(guān)系給出的比較實用的近似公式,主要思想是局部以直代曲。沈括進一步應(yīng)用《九章算術(shù)》中弧田的面積近似公式,求出弧長,這便是會圓術(shù)公式。沈括得出的雖是近似公式,但可以證明,當圓心角小于45°時,相對誤差小于2%,所以該公式有較強的實用性。這是對劉徽割圓術(shù)以弦(正多邊形的邊)代替圓弧思想的一個重要佐證,很有理論意義。后來,郭守敬、王恂在歷法計算中,就應(yīng)用了會圓術(shù)。
在《夢溪筆談》中,沈括還應(yīng)用組合數(shù)學法計算得出圍棋可能的局數(shù)是3 361種,并提出用數(shù)量級概念來表示大數(shù)3 361的方法。沈括還在書中記載了一些運籌思想,如將暴漲的汴水引向古城廢墟來搶救河堤的塌陷,以及用挖路成河、取土、運輸,最后又將建筑垃圾填河成路的方法來修復皇宮等。沈括對數(shù)的本質(zhì)的認識也很深刻,指出:“大凡物有定形,形有真數(shù)!憋@然他否定了數(shù)的神秘性,而肯定了數(shù)與物的關(guān)系。他還指出:“然算術(shù)不患多學,見簡即用,見繁即變,乃為通術(shù)也!
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