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數(shù)學(xué)家的故事:趙爽

來源:網(wǎng)絡(luò)資源 文章作者:奧數(shù)網(wǎng)整理 2019-06-19 21:41:24

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  趙爽,又名嬰,字君卿,中國數(shù)學(xué)家。東漢末至三國時(shí)代吳國人。他是我國歷史上著名的數(shù)學(xué)家與天文學(xué)家。生平不詳,約生活于公元3世紀(jì)初。

  據(jù)載,他研究過張衡的天文學(xué)著作《靈憲》和劉洪的《乾象歷》,也提到過“算術(shù)”。他的主要貢獻(xiàn)是約在222年深入研究了《周髀》,該書是我國最古老的天文學(xué)著作,唐初改名為《周髀算經(jīng)》該書寫了序言,并作了詳細(xì)注釋。該書簡明扼要地總結(jié)出中國古代勾股算術(shù)的深?yuàn)W原理。其中一段530余字的“勾股圓方圖”注文是數(shù)學(xué)史上極有價(jià)值的文獻(xiàn)。它詳細(xì)解釋了《周髀算經(jīng)》中勾股定理,將勾股定理表述為:“勾股各自乘,并之,為弦實(shí)。開方除之,即弦。”。又給出了新的證明:“按弦圖,又可以勾股相乘為朱實(shí)二,倍之為朱實(shí)四,以勾股之差自相乘為中黃實(shí),加差實(shí),亦成弦實(shí)。”。“又”“亦”二字表示趙爽認(rèn)為勾股定理還可以用另一種方法證明。

  出入相補(bǔ)原理

  即2ab+(b-a)^2=c^2,化簡便得a^2+b^2=c^2。其基本思想是圖形經(jīng)過割補(bǔ)后,其面積不變。劉徽在注釋《九章算術(shù)》時(shí)更明確地概括為出入相補(bǔ)原理,這是后世演段術(shù)的基礎(chǔ)。趙爽在注文中證明了勾股形三邊及其和、差關(guān)系的24個(gè)命題。例如√(2(c-a)(c-b))+(c-b)=a,√(2(c-a)(c-b))+(c-a)=b,√(2(c-a)(c-b))+(c-a)+(c-b)=c等等。他還研究了二次方程問題,得出與韋達(dá)定理類似的結(jié)果,并得到二次方程求根公式之一。此外,使用“齊同術(shù)”,在乘除時(shí)應(yīng)用了這一方法,還在‘舊高圖論”中給出重差術(shù)的證明。趙爽的數(shù)學(xué)思想和方法對中國古代數(shù)學(xué)體系的形成和發(fā)展有一定影響。

  趙爽自稱負(fù)薪余日,研究《周髀》,遂為之作注,可見他是一個(gè)未脫離體力勞動(dòng)的天算學(xué)家。一般認(rèn)為,《周髀算經(jīng)》成書于公元前100年前后,是一部引用分?jǐn)?shù)運(yùn)算及勾股定理等數(shù)學(xué)方法闡述蓋天說的天文學(xué)著作。而大約同時(shí)成書的《九章算術(shù)》,則明確提出了勾股定理以及某些解勾股形問題。趙爽《周髀算經(jīng)注》逐段解釋《周髀》經(jīng)文。

  勾股圓方圖

  最為精彩的是附錄于首章的勾股圓方圖,短短500余字,概括了《周髀算經(jīng)》、《九章算術(shù)》以來中國人關(guān)于勾股算術(shù)的成就,其中包含了:

  勾股定理(這里以a,b,c分別代表直角三角形的勾、股、弦三邊之長)a^2+b^2=C^2

  及其變形b^2=c^2-a^2=(c-a)(c+a),a^2=c^2-b^2=(c-b)(c+b),c^2=2ab+(b-a)^2;

  有通過開帶從平方a^2+(b-a)a=1/2[c^2-(b-a)^2]求勾a開平方a=[c^2-(c^2-a^2)]^1/2求勾a開帶從平方(c-a)^2+2a(c-a)=c^2-a^2求勾弦差c-a的方法,以及:c=(c-a)+a,c+a=b^2/(c-1),c-a=b^2/(c+a),c=[(c=a)^2+b^2]/2(c+a),a=[(c+a)^2-b^2]/2(c+a)等公式,與上述公式對稱,也有求b,c-b,c+b及由c-b,c+b求c,b的公式,又有由勾弦差、股弦差求勾、股、弦的公式:a=[2(c-a)(c-b)]^1/2+(c-b),b=[2(c-a)(c-b)]^1/2+(c-a),c=[(2(c-a)(c-b)]^1/2+(c-b)+(c-a)以及勾股差b—a與勾股并b+a的關(guān)系式(a+b)^2=2c^2—(b-a)^2,a+b=[2c^2-(b-a)^2]^1/2,b-a=[2c^2-(b+a)^2]^1/2,進(jìn)而由此給出了求a,b的公式b=1/2[(a+b)+(b-a)],a=1/2[(a+b)-(b-a)],最后給出了由弦與勾(或股)表示的股(或勾)弦并與股(或勾)弦差之差:(c+b)-(c-b)=[(2c)^2-4a^2]^1/2(c+a)-(c-a)=[(2c)^2-4b^2]^1/2

  趙爽用出入相補(bǔ)方法對上述公式作了證明。這些公式大都與《九章算術(shù)》及其劉徽注所闡述的相同,證明方法也類似,只是最后兩個(gè)公式為劉徽注所沒有,所用術(shù)語也與劉徽稍異。可見,這些知識(shí)是漢魏時(shí)期數(shù)學(xué)家們的共識(shí)!懂犎藗鳌氛f勾股圓方圖注“五百余言耳,而后人數(shù)千言所不能詳者,皆包蘊(yùn)無遺,精深簡括,誠算氏之最也”。

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