摘要:数学家兼官员,其代表作《数书九章》系统总结宋元数学成就,提出"大衍求一术"(中国剩余定理)和高次方程数值解法。该著作包含81个实际应用题,涵盖天文、工程、税收等领域。
1. 秦九韶(1208-1268)
数学家兼官员,其代表作《数书九章》系统总结宋元数学成就,提出"大衍求一术"(中国剩余定理)和高次方程数值解法。该著作包含81个实际应用题,涵盖天文、工程、税收等领域。
2. 杨辉(约1238-1298)
民间数学家,代表作《详解九章算法》创新性地将贾宪三角(二项式系数表)图形化,并提出高阶等差级数求和方法。其《杨辉算法》首次系统记录珠算口诀。
3. 李冶(1192-1279)
金元之际数学家,发明"天元术"(代数方程理论),其《测圆海镜》通过170个几何问题构建天元术完整体系,标志中国代数学符号化突破。
天元术:用“元”字表示未知数,就是现代数学的“用字母表示未知数”。
金代李冶《测圆海镜》圆城图式
1. 高阶方程求解技术
发展出"增乘开方法",可解高达十次方程,较欧洲霍纳法早500余年。秦九韶在《数书九章》中给出方程 的精确解。
秦九韶《数书九章》原文示例:
“以商生廉,并入下实。商第二位得数,以乘上廉,并入下廉……退位,再商第三位得数,如前。”
通过逐次试商和调整系数,最终求得 ,展现了宋元数学对高次方程的系统解法。
2. 组合数学与级数理论
杨辉在《详解九章算法》中记录了贾宪三角(二项式系数表),并给出构造规则。
杨辉三角
原文描述:
“开方作法本源图:左袤乃积数,右袤乃偶算,中藏者皆廉。以廉乘商方,命实而除之。”
白话文解释:
左袤乃积数:左侧对应最高次项的系数(如 的系数 )右袤乃隅算:右侧对应常数项的系数(如 )中藏者皆廉:中间各数是展开各中间(如 )以廉乘商方,命实而除之:指开方时用中间系数乘以试商的幂次(如 ),再结合被开方数(实)进行除法调整。贾宪三角
贾宪-杨辉三角的现代表示
图中每一行的数字对应二项式展开系数,例如第五行“一、四、六、四、一”(对应 展开式系数)。
- :所求和的自然数上限。
公式表达式:
1. 符号含义
- :表示从 到 的自然数平方和,即 。
- :所求和的自然数上限。
- :系数,与高阶等差数列求和公式的结构相关。
- :连续两自然数相乘项,体现级数的对称性。
- :调整项,用于修正平方和公式的精度。
2. 公式等价性说明
该公式与标准平方和公式 等价:
展开后两式完全一致,可见古代数学表述形式的独特视角。
以 和 为例验证公式。
当 时- 左侧计算:。
- 右侧代入:
2. 当 时
- 左侧计算: 。
该公式体现了宋朝数学家杨辉在高阶等差级数领域的成就:
1. 杨辉对贾宪三角的推广:通过二项式系数表(贾宪三角)递推公式,发现组合数与级数求和的关联。
2. 构造性算法特征:公式通过分解多项式系数实现求和,与西方数学的符号化推导形成对比。例如,杨辉还推导了更高阶的垛积公式,如 。
3. 历史地位:该公式早于欧洲数学家格雷戈里和牛顿的同类成果约400年,被称为“世界冠军级成就”。
3. 数论突破
"大衍求一术"解决同余式组问题,秦九韶处理的最大模数达8位数,算法复杂度堪比现代计算机程序。
秦九韶《数书九章·大衍类》:
“置奇右上,定居右下,立天元一于左上。先以右上除右下,所得商数与左上一相生入左下。然后乃以右行上下以少除多,递互除之,所得商数随即递互累乘,归左行上下。须使右上末后奇一而止。乃验左上所得以为乘率。”
示例:解同余式 ,通过递除求得 ,验证得 。
1. 东亚数学范式确立
南宋数学著作通过朝鲜传入日本,直接影响和算发展,《杨辉算法》成为江户时代数学家必读书目。
2.现代计算机科学溯源
吴文俊指出:"宋元数学的构造性、机械化特征,为人工智能时代的数学机械化证明提供了历史范式"。
结语
宋朝数学在保持《九章算术》实用传统的同时,实现了理论体系的重大突破,其算法化、构造性特征形成独特的东方数学思维。
来源:华夏五千年