青少年想要知道的中国数学史:中国数学理论体系的建立

中国数学理论体系的建立

青少年想要知道的中国数学史:中国数学理论体系的建立

《九章算术》问世之后,我国的数学著述基本上采取两种方式:一是为《九章算术》作注;二是以《九章算术》为楷模编纂新的著作。其中刘徽的《九章算术注》被认为是我国古代数学理论体系的开端。

祖冲之的数学研究工作在南北朝时期最具代表性,他在刘徽《九章算术注》的基础上,将传统数学大大向前推进了一步,成为重视数学思维和数学推理的典范。我国古典数学理论体系至此建立。

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数学家刘徽

一位农妇在河边洗碗。她的邻居闲来无事,就走过来问:“你洗这么多碗,家里来了多少客人?”

农妇笑了笑,答道:“客人每2位合用一只饭碗,每3位合用一只汤碗,每4位合用一只菜碗,共用65只碗。”然后她又接着问邻居,“你算算看,我家里究竟来了多少位客人?”

这位邻居也很聪明,很快就算了出来。

这是《孙子算经》中的一道著名的数学题“河上荡杯”。荡杯在这里是洗碗的意思。

很明显,这里要求解的是65个碗共有多少人的问题。其中有能了解客数的信息是2人共碗饭,3人共汤碗,4人共菜碗。通过这几个数值,很自然就能解决客数问题。《孙子算经》有3卷,常被误认为春秋军事家孙武所著,实际上是魏晋南北朝时期前后的作品,作者不详。这是一部数学入门读物,通过许多有趣的题目,给出了筹算记数制度及乘除法则等预备知识。

“河上荡杯”,包含了当时人们在数学领域取得的成果。而“鸡兔同笼”这个题目,同样展示了当时的研究成果。

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■《九章算术》

孙武(前454年~前470年),我国春秋时期吴国将领。历史上著名军事家。其著有巨作《孙子兵法》13篇,为后世兵法家所推崇,被誉为“兵学圣典”,置于《武经七书》之首,成为国际间最著名的兵学典范之书。

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■古代数学著作

清谈 指是魏晋时期,承袭东汉时期清议的风气,就一些玄学问题析理问难,反复辩论的文化现象。魏晋名士以清谈为主要方式,针对本和末、有和无、动和静、一和多、体和用、言和意、自然和名教等诸多具有哲学意义的命题进行了深入的讨论。

鸡兔同笼的题意是:有若干只鸡兔同在一个笼子里,从上面数,有35个头;从下面数,有94只脚。求笼中各有几只鸡和兔?

这道题其实有多种解法。

其中之一:如果先假设它们全是鸡,于是根据鸡兔的总数就可以算出在假设下共有几只脚,把这样得到的脚数与题中给出的脚数相比较,看看差多少,每差2只脚就说明有1只兔,将所差的脚数除以2,就可以算出共有多少只兔。同理,也可以假设全是兔子。《孙子算经》还有许多有趣的问题,比如“物不知数”等,在民间广为流传,同时,也向人们普及了数学知识。

其实,魏晋时期特殊的历史背景,不仅激发了人们研究数学的兴趣,普及了数学知识,也丰富了当时的理论构建,使我国古代数学理论有了较大的发展。

在当时,思想界开始兴起“清谈”之风,出现了战国时期“百家争鸣”以来所未有过的生动局面。与此相适应,数学家重视理论研究,力图把从先秦到两汉积累起来的数学知识建立在必然的基础之上。

而刘徽和他的《九章算术注》,则是这个时代造就的最伟大的数学家和最杰出的数学著作。

刘徽生活在“清谈”之风兴起而尚未流入清谈的魏晋之交,受思想界“析理”的影响,对《九章算术》中的各种算法进行总结分析,认为数学像一株枝条虽分而同本干的大树,发自一端,形成了一个完整的理论体系。

刘徽的《九章算术注》作于263年,原10卷。前9卷全面论证了《九章算术》的公式、解法,发展了出入相补原理、截面积原理、齐同原理和率的概念,首创了求圆周率的正确方法,指出并纠正了《九章算术》的某些不精确之处或错误的公式,探索出解决球体积的正确途径,创造了解线性方程组的互乘相消法与方程新术。

刘徽(225年~295年),魏晋时数学家,在我国数学史上占有重要地位,他的杰作《九章算术注》和《海岛算经》,方法灵活,既提倡推理又主张直观。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,给中华民族留下了宝贵的财富。

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■《九章算术》

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■古代科学家祖冲之

张丘建 我国著名的数学家。他一生从事数学研究,数学造诣很深。著有《张丘建算经》3卷。算经的体例为问答式,条理精密,文词古雅,是我国古代数学史上的杰作,也是世界数学资料库中的一份遗产。

用十进分数逼近无理根的近似值等,使用了大量类比、归纳推理及演绎推理,并且以后者为主。

第十卷原名“重差”,为刘徽自撰自注,发展完善了重差理论。此卷后来单行,因第一问为测望海岛的高远,故名称《海岛算经》。

我国古典数学理论体系的建立,除了刘徽及其《九章算术注》不世之功和《孙子算经》的贡献外,魏晋南北朝时期的《张丘建算经》、《缀术》也丰富了这一时期的理论创建。

南北朝时期数学家张丘建著的《张丘建算经》3卷,成书于北魏时期。此书补充了等差级数的若干公式,其百鸡问题导致三元不定方程组,其重要之处在于开创“一问多答”的先例,这是过去我国古算书中所没有的。

百鸡问题的大意是公鸡每只值5文钱,母鸡每只值3文钱,而3只小鸡值1文钱。用100文钱买100只鸡,问这100只鸡中,公鸡、母鸡和小鸡各多少只?

这个问题流传很广,解法很多,但从现代数学观点来看,实际上是一个求不定方程整数解的问题。

百鸡问题还有多种表达形式,如“百僧吃百馍”和“百钱买百禽”等。宋代数学家杨辉算书内有类似问题。此外,中古时近东各国也有相仿问题流传,而且与《张丘建算经》的题目几乎全同。可见其对后世的影响。

与上述几位古典数学理论构建者相比,祖冲之则重视数学思维和数学推理,他将传统数学大大向前推进了一步。

祖冲之写的《缀术》一书,被收入著名的《算经十书》中,作为唐代国子监算学课本。

祖冲之将圆周率的真值精确到3.1415926,是当时世界上最先进的成就。他还和儿子祖暅一起,利用“牟合方盖”圆满地解决了球体积的计算问题,得到了正确的球体积公式。

祖冲之还在462年编订《大明历》,使用岁差,改革闰制。他反对谶纬迷信,不虚推古人,用数学方法比较准确地推算出相关的数值,坚持了实事求是的科学精神。

中国数学史上的趣味数学故事

祖冲之的儿子祖暅从小爱好数学,巧思入神,极其精微。专心致志之时,雷霆不能入。

有一次,祖暅边走路边思考数学问题,走着走着,竟然一头撞在了对面过来的仆射徐勉身上。“仆射”是很高的官,徐勉是朝廷要人,倒被这位年轻小伙子碰得够呛,不禁大叫起来。这时祖暅方才醒悟。

祖暅发现了著名的等幂等积定理,又名“祖暅原理”,是指所有等高处横截面积相等的两个同高立体,其体积也必然相等。在当时的世界上处于领先地位。

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