數學史話之中國整部科學史上最卓越的人沈括

在賈憲之後,中國科學史上終於迎來了一個上古大神級的人物,他在數學、物理、化學、天文、地理、水利、醫藥、經濟、軍事、藝術等方面都頗有建樹。在這點上這個人跟科普君之前說到的萊布尼茨、牛頓等人有點類似,什麼都會,還什麼都做得很不錯。這個人就是北宋著名的科學家--沈括。

數學史話之中國整部科學史上最卓越的人沈括

沈括

沈括於1031年(宋仁宗天聖九年)出生在浙江錢塘(現在的杭州),沈括自幼好學,據說他14歲的時候就已經把家裡的藏書都讀完了(不知道沈家的藏書是多少),後來跟隨當官的父親四處遊歷,開拓了眼界,增長了見識,在這個過程中,沈括對大自然表現出了強烈的興趣和敏銳的觀察力。沈括從小身體不是太好,所以他需要經常服食藥物調理,而正好錢塘沈氏在醫學上又頗有建樹,還有家傳醫書《博濟方》,因此沈括也開始研究醫方。

沈括在數學方面的貢獻主要有兩個:隙積術和會圓術。隙積術是高階等差數列的求和法,會圓術是關於弓形的計算方法。

沈括在他的著作《夢溪筆談·技藝》中說到:算術求積尺之法,如芻萌、芻童……之類,物形備矣,獨未有"隙積"一術。……隙積者,謂積之有隙者,如累棋、層壇及酒家積罌之類。在這裡沈括說的很明白,他認為過去算體積的方法,比如"芻萌"、"芻童"之類的,都是形體是沒有空隙的,都是實心的,所以可以用這些方法。但是如果碰到像把缸、甕、罌之類的堆積成長方臺(芻童)時,由於中間有空隙,所以就不能用芻童的方法來求它的總數了。實際上,沈括的"隙積術"和後來的"堆垛術"以及西方的"積彈法"是一個意思,就是把許多同樣大小的彈丸堆積起來,各層都是矩形,每一層都要比上一層長、寬多一個,然後求其總數。我們可以設第一層(最上層)長b個,寬a個,則第二層的長、寬分別為b+1,a+1個,第n層則為b+n-1,a+n-1。所以總數就應該是:S=ab+(a+1)(b+1)+……(a+n-1)(b+n-1)=nab+[1+2+……(n-1)](a+b)+[1^2+2^2+……+(n-1)^2],這樣這個等式就變成了求n個自然數的和以及n個自然數平方的和,前者是等差數列的求和,非常簡單,但是後者在沈括之前從來沒有人提到過。沈括在書中給出了當a=b=2,n=11時的總數,但是他沒有用自然數的平方和公式來計算,而是通過他自己發明的隙積術公式來計算的,問題的他自己發明的隙積術公式似乎只能計算a=b=2,n=11時的情況,所以沈括的公式雖然是正確的,但是似乎並不能推廣到所有的情況當中去。但是不管怎麼說,隙積術為後面的跺積術開闢了道路,影響十分深遠。

數學史話之中國整部科學史上最卓越的人沈括

隙積術示意圖

"會圓術"是沈括的另一個在數學史上的貢獻。所謂的"會圓術"實際上是指由弦求弧的方法,它的主要思路是局部以直代曲,對圓的弧矢關係給出一個比較實用的近似公式。在《夢溪筆談》中沈括只給出了利用圓的直徑、弓形的高和弓形所對弦的長來計算弓形所對弧形的長的公式:

數學史話之中國整部科學史上最卓越的人沈括

其中h為弓形的高,d為弓形所在圓的直徑,b為弓形所對弦的長度。沈括並沒有給出這個公式的來源,也沒有給出這個公式的推理過程,所以我們並不清楚沈括是如何得到這個公式的。但不管怎麼說,他是第一個利用弦、矢求出了孤長的近似值。這一方法的創立,不僅促進了平面幾何的發展,而且在天文計算中也起了重要的作用,為中國球面三角學的發展作出了重要貢獻。這一公式為元代郭守敬創制《授時歷》提供了直接的數學依據。


數學史話之中國整部科學史上最卓越的人沈括

會圓術

沈括在宋哲宗紹聖二年(1095年)去世,他一生致志於科學研究,在眾多學科領域都有很深的造詣和卓越的成就,被譽為"中國整部科學史中最卓越的人物"。他的代表作《夢溪筆談》,內容豐富,集前代科學成就之大成,在世界文化史上有著重要的地位,被稱為"中國科學史上的里程碑"。1979年,為紀念沈括,中科院紫金山天文臺將1964年發現的一顆小行星2027命名為沈括星。



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