书城科普数学:追踪数学发展
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第14章 古典数学理论奠基者刘徽

数学名家

我国古代数学领域涌现了许多学科带头人,是他们让古典数学大放异彩。假如历史上没有人研究数学,就绝不会有《周髀算经》、《九章算术》等这样的书流传下来;没有数学家,周王开井田、秦始皇建陵墓等一样也做不成。

我国古代许多数学家曾写下了不少著名的数学著作,记载了他们在数学领域的发现和创建。许多具有世界意义的成就正是因为有了这些古算书而得以流传。这些古代数学名著是了解我国古代数学成就的宝库。

刘徽是三国后期魏国人,是我国古代杰出的数学家,也是我国古典数学理论的奠基者之一。他的杰作《九章算术注》和《海岛算经》,是我国最宝贵的数学遗产。

刘徽的一生是为数学刻苦探求的一生。他不是沽名钓誉的庸人,而是学而不厌的伟人,他给我们中华民族留下了宝贵的精神财富。他在世界数学史上也有着崇高的地位。

魏晋时期杰出的数学家刘徽,曾经提出一个测量太阳高度的方案:

在洛阳城外的开阔地带,一南一北,各立一根8尺长的竿,在同一天的正午时刻测量太阳给这两根竿的投影,以影子长短的差当作分母,以竿的长乘以两竿之间的距离当作分子,两者相除,所得再加上竿的长,就得到了太阳到地表的垂直高度。

再以南边一竿的影长乘上两竿之间的距离作为分子,除以前述影长的差,所得就是南边一竿到太阳正下方的距离。

以这两个数字作为直角三角形两条直角边的边长,用勾股定理求直角三角形的弦长,所得就是太阳距观测者的实际距离。

刘徽的这个方案,运用了相似三角形相应线段的长对应成比例的原理,巧妙地用一个中介的三角形,将另外两个看似不相干的三角形联系在一起。

这一切,和我们今天在中学平面几何课本中学到的一模一样。如果我们把刘徽这道题里的太阳换成别的光源,把它设计成一道几何证明题兼计算题,放到今天的中学课本里,也是完全没有问题的。

刘徽的数学著作留传后世的很少,所留之作均为久经辗转传抄。他的主要著作有:《九章算术注》10卷;《重差》1卷,至唐代易名为《海岛算经》。

刘徽之所以能够写出《九章算术注》,这与他生活的时代大背景是有关系的。

汉代末期的****打破了西汉时期“罢黜百家,独尊儒术”这个儒家学说经学独断的局面,思想解放了。后来形成的三国鼎立局面,虽然是没有大统一,但是出现了短暂的相对的统一,促成了思想解放、学术争鸣的局面。

此外,东汉末年,佛教进入我国,道教开始兴起,而且儒道开始合流,有些人用道家的思想开始来解释儒家的东西。百家争鸣、辨析明理的局面,促进了当时国人的逻辑思维。已经被废除或者停止好多年的逻辑问题,又提到了学术界。因为数学是个逻辑过程,有逻辑推理、逻辑证明,没有这种东西做基础,那数学是不可想象的。科技的复苏和发展,就需要一些科学技术的东西,来推进生产力的发展。因此,刘徽的数学思想就在这样的背景下产生了。

事实上,他正是我国最早明确主张用逻辑推理的方式来论证数学命题的人。

从《九章算术》本身来看,它约成书于东汉初期,共有246个问题的解法。在许多方面:如解联立方程,分数四则运算,正负数运算,几何图形的体积面积计算等,都属于世界先进之列。

但因原书的解法比较原始,缺乏必要的证明,刘徽则作《九章算术注》,对其均作了补充证明。这些证明,显示了他在众多方面的创造性贡献。

《海岛算经》原为《九章算术注》第九卷勾股章内容的延续和发展,名为《九章重差图》,附于《九章算术注》之后作为第十章。唐代将其从中分离出来,单独成书,按第一题“今有望海岛”,取名为《海岛算经》,是《算经十书》之一。

《海岛算经》研究的对象全是有关高与距离的测量,所使用的工具也都是利用垂直关系所连接起来的测竿与横棒。

所有问题都是利用两次或多次测望所得的数据,来推算可望而不可即的目标的高、深、广、远。是我国最早的一部测量数学著作,也为地图学提供了数学基础。

《海岛算经》运用二次、三次、四次测望法,是测量学历史上领先的创造。刘徽的数学成就可以归纳为两个方面:一是清理我国古代数学体系并奠定了它的理论基础;二是在继承的基础上提出了自己的创见。

刘徽在古代数学体系方面的成就,集中体现在《九章算术注》中。此作实际上已经形成为一个比较完整的理论体系。

在数系理论方面,刘徽用数的同类与异类阐述了通分、约分、四则运算,以及繁分数化简等的运算法则;在开方术的注释中,他从开方不尽的意义出发,论述了无理方根的存在,并引进了新数,创造了用十进分数无限逼近无理根的方法。

在筹式演算理论方面,刘徽先给率以比较明确的定义,又以遍乘、通约、齐同等基本运算为基础,建立了数与式运算的统一的理论基础。他还用“率”来定义我国古代数学中的“方程”,即现代数学中线性方程组的增广矩阵。

在勾股理论方面,刘徽逐一论证了有关勾股定理与解勾股形的计算原理,建立了相似勾股形理论,发展了勾股测量术,通过对“勾中容横”与“股中容直”之类的典型图形的论析,形成了我国特色的相似理论。

在面积与体积理论方面,刘徽用出入相补、以盈补虚的原理及“割圆术”的极限方法提出了刘徽原理,并解决了多种几何形、几何体的面积、体积计算问题。这些方面的理论价值至今仍闪烁着光辉。

刘徽在继承的基础上提出了自己的见解。这方面主要体现为以下几项有代表性的创见:一是割圆术与圆周率。他在《九章算术·圆田术》注中,用割圆术证明了圆面积的精确公式,并给出了计算圆周率的科学方法。他首先从圆内接正六边形开始割圆,每次边数倍增,得到比以前更为准确的圆周率数值,被称为“徽率”。

二是刘徽原理。在《九章算术·阳马术》注中,他在用无限分割的方法解决锥体体积时,提出了关于多面体体积计算的刘徽原理。

三是“牟合方盖”说。在《九章算术》注中,他指出了球体积公式的不精确性,并引入了“牟合方盖”这一著名的几何模型。“牟合方盖”是指正方体的两个轴互相垂直的内切圆柱体的贯交部分。

四是方程新术。在《九章算术·方程术》注中,他提出了解线性方程组的新方法,运用了比率算法的思想。

五是重差术。在自撰《海岛算经》中,他提出了重差术,采用了重表、连索和累矩等测高测远方法。

刘徽不仅对我国古代数学的发展产生了深远影响,而且在世界数学史上也有着崇高的地位,他被称作“中国数学史上的牛顿”。