數學史話之三角與增乘賈憲

在介紹完劉焯、僧一行、王孝通等人之後,中國數學進入了宋元時期。宋元時期是中國古代數學成就的一個高峰,而這個高峰的啟動者就是我們今天要說的北宋數學家賈憲。

數學史話之三角與增乘賈憲

據說這是賈憲?

賈憲的生卒年、生平事蹟在歷史上也並沒有明確的記載,我們只能通過一些資料來推測,賈憲大概活躍在11世紀的上半葉,在朝廷中擔任一個非常低級的武職,而且很有可能這個官職只是一個掛名的而已,並沒有實際的職務和事情要去做,所以賈憲很可能是一個職業的數學家,他的主要工作就是研究數學。賈憲的著作主要有《黃帝九章算經細草》九卷、《算法斆古集》兩卷,但是很可惜,這兩本書都已經散佚了。在南宋楊輝的《詳解九章算法》中有《黃帝九章算經細草》的大部分內容,也算是保存了賈憲的成果。

賈憲的數學成果有很多,最著名的則是"賈憲三角"和"增乘開方法"。"賈憲三角"是由一些由數字組成的三角形,它就出自於楊輝的著作《詳解九章算法》中,由於楊輝在書中的注中說"賈憲用此術",而在賈憲之前的數學著作中我們並沒有發現類似的方法,所以我們基本可以肯定是賈憲發明的"賈憲三角"。

數學史話之三角與增乘賈憲

古法七乘方圖

"賈憲三角"實際上就是(a+x)^n(n=0,1,2,……,6)展開式各項係數的排列。它的特點就是每一個數(除三角形頂點之外)都是這個數的左上角和右上角兩個數之和(如果沒有左上角或者右上角的話,就把左上角或者右上角看做是0)。賈憲用這個圖來闡明開方的法則而不僅僅是求出二項係數,所以它被稱為是"開方作法本源"。即可以用來解類似x^n-A=0的高次方程。具體的解法是:在求x^n=A的正根時,先估算出根的第一位數a,再設x1=x-a,將方程改寫成(x1+a)^n=A,然後再求出x1,而想要求出x1就要把(x1+a)^n展開,這時候就要用到賈憲三角了。比如我們要解x^3=1728的正根,因為1728是四位數,所以x肯定是個兩位數,這樣我們就可以設x=a+b,則有(a+b)^3=1728,根據賈憲三角的第4行(1,3,3,1)有a^3+3a^2b+3ab^2+b^3=1728,可以估算出a=10,帶入等式可以得到300b+30b^2+b^3=1728-1000=728,再估算第二位的商,必須要有b^3=8,所以b=2,代入等式中,發現等式成立,所以x=a+b=10+2=12是1728的立方根。從這裡我們就可以看出來賈憲三角在當時是十分先進的。賈憲三角在西方叫做"帕斯卡三角",這個我們在之前介紹帕斯卡那章裡面已經說過了,在這裡就不再贅述了。但是帕斯卡是十七世紀的數學家,要比賈憲晚了將近600年。

賈憲的另一個成果就是"增乘開方法"。"增乘開方法"是賈憲創立的用來解立方根為三位數的開立方方法。後來還被推廣到求任意高次冪或高次方程的正根。賈憲的"增乘開方法"後經秦九韶"正負開方術"加以完善,使高次方程求正跟的問題得以解決。加之從李冶的天元術(一元一次或高次方程)到朱世傑的四元術(四元一次或高次方程組)的建立,終於在十四世紀初建立起一套完整的方程學理論,使之成為宋元數學屆最有成就的課題。

數學史話之三角與增乘賈憲

增乘開方法

中國古代的數學書一般都會作為"類書"而存在的,比如後來楊輝的書中引用到了賈憲的著作,楊輝的著作後來則被編纂到了《永樂大典》中。《永樂大典》共有原本、正本和副本三部,但是原本、正本都毀於戰火,副本也漸漸散失。1900年,八國聯軍侵入北京,搶走了許多,現在仍然流傳在國外,比如劍橋大學中就有《永樂大典》中的《詳解九章算法》的一頁。


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