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    一、天元術(shù)

    1、天元術(shù)是利用未知數(shù)列方程的一般方法,與現(xiàn)代代數(shù)學中列方程的方法基本一致,在古代數(shù)學中,列方程和解方程是相互聯(lián)系的兩個重要問題。

    2、“天元”二字首次出現(xiàn)在北宋數(shù)學家蔣周的《益古集》中。此后,李文一的《照膽》,石信道的《鈐經(jīng)》,劉汝諧的《如積釋鎖》,李思聰?shù)摹抖礈Y九容》等著作均對“天元術(shù)”進行了一定闡述。但這些方法不系統(tǒng),一般淺談輒止。對天元術(shù)貢獻最大的數(shù)學家當屬金元人李冶和朱世杰。李冶的《測圓海鏡》、《益古演段》,朱世杰的《算學啟蒙》、《四元玉鑒》都系統(tǒng)地介紹了用天元術(shù)建立二次方程。

    3、公元1248年,12卷的《測圓海鏡》的天元術(shù)專著誕生。從此書開始,文詞代數(shù)演變成符號代數(shù)?!稖y圓海鏡》是一本高雅、正宗的數(shù)學專著。其高雅之處有三:

    4、一是總結(jié)性強。該書第一卷“識別雜記”闡述了用勾股弦求內(nèi)切圓直徑的方法,這些方法都是整合前代數(shù)學家所成。該書600多條定義,就是古代勾股容圓的總結(jié)。從第二卷起,他總結(jié)出一套行之有效的天元術(shù)程序,并用182種方法先后解答了148個問題。

    5、二是專業(yè)度高。書中所列的天元術(shù)理論,勾股形解法,數(shù)學抽象化的新起點等知識,都是當時最先進的理論知識。

    6、三是敢于創(chuàng)新。為了計算方便,該書中首次使用了負號(在數(shù)字上面加一橫)和符號○(中文數(shù)字),以及一套先進的小數(shù)記法。這些都比西方數(shù)學家早幾百年。

    7、李治很快認識到,自己花費十幾年心血寫出的《測圓海鏡》太過高雅、精深,一般人看不懂,普及天元術(shù)從何談起?為此,他決心寫一部天元術(shù)的基礎(chǔ)讀物。經(jīng)過十幾年努力,他終于完成了三卷《益古演段》。“益古”指蔣周的專著《益古集》,“演段”即《益古集》中演示的條段法。所謂條段法,是根據(jù)古書《九章算術(shù)》中用幾何方法代替代數(shù)方程的方法,因方程中各項均用條形面積所表示而得名。很顯然,條段法是一種舊法,雖然直觀,但計算麻煩且占篇幅?!兑婀叛荻巍氛前褩l段法轉(zhuǎn)化為天元術(shù)的第一理論書,正如序言所講:“使粗知十百者,便得入室啖其文,顧不快哉!”

    8、《益古演段》最大特色就是用天元術(shù)解決日常所見的方、圓面積等問題。除四道題是一次方程外,其它都是二次方程,內(nèi)容安排基本上是從易到難。當時只要熟讀《益古演段》,便可依葫蘆畫瓢地列出方程解決類似問題??梢赃@么說,目前初中數(shù)學教材上的一元二次方程,其解題思想均來自于李冶的《益古演段》。

    9、《測圓海鏡》和《益古演段》成為世界上至今保留下來的有關(guān)“天元術(shù)”研究的最早、最完整而詳細的著作。如果說之前的天元術(shù)還像一棵小樹,那經(jīng)過這李冶這兩本書的“灌溉”,小樹長得枝葉繁茂。

    10、天元術(shù)是宋元時期數(shù)學家作出的重要貢獻,但當某個問題中包含多個未知數(shù)時,應當怎么辦呢?朱世杰將天元術(shù)原理應用于聯(lián)立方程組,在著作《四元玉鑒》中指出,當未知數(shù)不止一個時,除設(shè)天元外,根據(jù)需要還可以設(shè)地元、人元、物元,這就相當于我們今天常用的字母符號x、y、z、u,然后列出有四個未知數(shù)的四元聯(lián)立高次方程組。朱世杰在《四元玉鑒》中給出了天、地、人、物四元及常數(shù)項的算籌放置方法,進而舉例說明了如何用消去法逐漸消去多元方程組中的未知數(shù),最終得到一個只含一個未知數(shù)的一元高次方程的方法。《四元玉鑒》雖未提及一元高次方程的解法,但這個問題顯然已不成為問題了,朱世杰的前人已解決了它。在歐洲,法國數(shù)學家貝佐于18世紀也系統(tǒng)敘述了高次方程組的消元法。由天元術(shù)引入的四元術(shù),不僅是中國古代數(shù)學領(lǐng)域最光輝的篇章,也是中世紀世界數(shù)學史上最杰出的一頁。

    11、天元術(shù)的成熟,標志著中國代數(shù)學進入了“半數(shù)學符號”發(fā)展階段。由于各種原因,這個階段持續(xù)時間比較長。公元1798年,清代藏書家鮑廷博刊印的《知不足齋叢書》中收錄了后人學習天元術(shù)的《測圓海鏡細草》十二卷;此后,數(shù)學家焦循和李銳合寫的《天元一釋》和《開方通釋》兩書,用較為明白的語言詳細記載了解未知數(shù)的天元術(shù)。至此,天元術(shù)終于和現(xiàn)代方程論融合于一體。

    12、天元術(shù)的發(fā)明,在世界數(shù)學史上有重要的意義。西方數(shù)學史上,16世紀的法國數(shù)學家韋達較為系統(tǒng)地引進數(shù)學符號,比中國天元術(shù)晚了300多年。

    二、天元術(shù)影響

    13、天元術(shù)的出現(xiàn),提供了列方程的統(tǒng)一方法,其步驟要比阿拉伯數(shù)學家的代數(shù)學進步得多。而在歐洲,只是到了十六世紀才做到這一點。此外,宋代創(chuàng)立的增乘開方法又簡化了求解數(shù)學高次方程正根的運算過程。因此,在這一時期,列方程和解方程都有了簡單明確的方法和程式,中國古典代數(shù)學發(fā)展到了比較完備的階段。

    14、不僅如此,繼天元術(shù)之后,數(shù)學家又很快把這種方法推廣到多元高次方程組,如李德載《兩儀群英集臻》有天、地二元,劉大鑒《乾坤括囊》有天、地、人三元等,最后又由朱世杰創(chuàng)立了四元術(shù)。

    三、貢獻者簡介

    15、李治李冶(1192年—1279年),原名李治,字仁卿,自號敬齋,真定欒城(今河北省石家莊市欒城區(qū))人。金元時期的數(shù)學家。金正大末進士,辟知鈞州。

    16、金亡北渡后,流落忻崞間,常與元好問唱和,世稱“元李”。晚家封龍山(今河北省元氏縣)下,隱居講學。元世祖至元初,以翰林學士召,就職期月,以老病辭歸。能詩詞,有《敬齋集》,今有考訂之作《敬齋古今黈》40卷傳世。另著有《測圓海鏡》12卷(1248年)、《益古演段》3卷(1259年)、《泛說》40卷、《壁書叢削》12卷。

    17、李冶在數(shù)學上的主要貢獻是天元術(shù)(設(shè)未知數(shù)并列方程的方法),用以研究直角三角形內(nèi)切圓和旁切圓的性質(zhì)。與楊輝、秦九韶、朱世杰并稱為“宋元數(shù)學四大家”。

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