刘徽的数学成就

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  刘徽是中国古代伟大的数学家之一,
  他是三国时代魏国人,籍贯山东,生卒年不详,约死于西晋初年,刘徽出身于平民,终生未仕,被称为“布衣”数学家。
  刘徽在童年时代就学习过《九章算术》,成年后又对该书进行了深入的研究,于公元263年左右写成《九章算术注》,刘徽在其自序中说:“徽幼习《九章》,长再详览,观阴阳之割裂,总算术之根源,探赜之暇,遂悟其意,是以敢竭顽鲁,采其所见,为之作注,”刘徽在研究《九章算术》的过程中,对其中的重要结论一一进行了证明,并纠正了书中的一些错误,总结出了一些新的结论,《九章算术注》是刘徽留给后世十分珍贵的数学遗产,是中国传统数学理论研究的奠基之作。《重差》是刘徽的另一部著作,专讲测量问题,《重差》是《九章算术注》的第十卷,唐代初,人们将其改成单行本,并改名为《海岛算经》。
  从刘徽的著作来看,他学风严谨,实事求是,富于批判精神,敢于创新,对理论的研究相当深入,堪称数学史上的楷模。
  一、《九章算术注》
  1.算术
  (1)十进分数
  (2)齐同术
  《九章算术》中虽有分数通分的方法,但没有形成完整的理论体系,刘徽提出了齐同术,使这一理论趋于完善,他说:“凡母互乘子谓之齐,群母相乘谓之同,”它的意思是,一个分数用同一个(非零)数一乘一除,其值不变,并且,他还提供了通分后数值不变的理论依据,另外,刘徽利用齐同术解决了盈不足问题。
  2.代数
  (1)定义正、负数
  《九章算术》成书后,正、负数虽然被应用于更为广泛的领域,却还没有明确的定义,刘徽在《九章算术注》中首次明确地给出了正负数的定义:“今两算得失相反,要令正负以名之,”这就是说,正负数表示的是相反的两个量,他还进一步阐述了正负的意义:“言负者未必负于少,言正者未必正于多,”即负数的绝对值未必少,正数的绝对值未必大,另外,他又介绍了筹算中表示正负数的两种方法:一种是用红筹表正数,黑筹表负数;另一种是用算筹中的正、斜摆法来表示正、负数,这两种方法,对后世数学的发展都产生了深远的影响。
  (2)简化线性方程组的解法
  《九章算术》中记载了用直除法解线性方程组的方法,但该方法比较麻烦浏徽在方程章的注释中,给出了简化后的直除法,并创立了互乘相消法,例如方程组。
  显然,这种方法与现代解方程的方法是一致的,不过那时用的是筹算,刘徽认为,这种方法可以推广到解多元方程问题:“以小推大,虽四、五行不异也,”他还进一步指出,在“相消”时,要注意看两方程首项系数的同异,同则相减,异则相加。
  (3)总结出初步的方程理论
  刘徽在《九章算术》方程章的基础上,提出了更为全面的方程理论,刘徽所谓的“程”是程式或关系式的意思,相当于现在的方程,而“方程”则相当于现在的方程组,他说:“二物者再程,三物者三程,皆如物数程之,并列为行,故谓之方程,”这就是说:“有两个所求之物,需列两个程;有三个所求之物,需列三个程,程的个数必须与所求物的个数一致,诸程并列,恰成一方形,所以叫方程,”这里的“物”,实质上是未知数,只是当时还没有未知数的概念,定义中的“皆如物数程之”是十分重要的,它与刘徽提出的另一原则“行之左右无所同存”,共同构成了方程组有唯一组解的条件,若译成现代数学语言,即方程的个数必须与未知数的个数一致,任意两个方程的系数不能相同或成比例,刘徽还认识到,当方程组中方程的个数少于所求物的个数时,方程组的解不唯一;如果是齐次方程组,则方程组的解可以成比例地扩大或缩小,即“举率以言之”。
  对于方程组的性质,刘徽总结出如下诸条:“令每行为率”,即方程中的各项成比例地扩大或缩小,方程组的解不变;“在每一行中,虽复赤黑异算,无伤”,即方程的各项同时变号,方程组的解不变;“举率以相减,不害余数之课也,即两方程的对应项相减,方程组的解不变彳艮明显,刘徽已经基本掌握了线性方程组的初等变换方法,不过,他没有想到交换两个方程位置的情况,因为不进行这种变换亦可顺利求出方程组的解。
  3.几何
  (1)割圆术
  对于开方不尽的问题,刘徽认为求出的位数越多,所得到的值就越接近真值,但永远不会达到真值,只能根据需要达到“虽有所弃之数,不足言之也”的程度,刘徽正是在这种观念的基础上创立十进分数的,他在证明有关体积的定理(如阳马定理)时也用到了极限,并指出,极限问题“谓以情推,不用筹算”,这就是说研究极限依靠的是推理,而不是计算,
  二、刘徽的重差术
  重差术是中国古代一种重要的测量方法,用以测量不可到达的距离,刘徽写出了重差术专著——《海岛算经》(即《重差》),他在序言中说:“凡望极高、测绝深而兼知其远者必用重差,”全书只有九道题,但都很有代表性。
  例如第一题(译为今文):为测量海岛,立两根3丈高的标杆,前后相距1000步,令后杆与前杆对齐,从前杆后退123步,人眼着地看岛峰,视线正好过杆顶,从后杆后退127步,人眼着地看岛峰,视线也过杆顶,问岛高和岛离杆的距离各是多少?
  按题意画图如下:
  因公式中用到d(两杆与岛的距离差)和a1-a2两差之比,所以叫重差术,这是书中最简单的一题,只需测望二次,对其他的问题往往要测望三次或四次,但原理与本题相同。
  如果用三角知识去解答重差问题,其结果也是一样的,中国传统数学中无三角,重差术便起着与西方平面三角类似的作用,这是中国数学的特色之一。
  三、劉徽的学术思想
  刘徽之所以能在数学上取得卓越成就,与他先进的学术思想是分不开的,概括起来说,他的学术思想有如下几个特点。
  1.富于批判精神,刘徽在数学研究中不迷信权威,也不盲目地踩着前人的脚印走,而是有自己的主见,他曾一针见血地指出张衡关于球体积观点的不正确之处,批评了固守古人“周三径一”的“踵古”思想,说:“学者踵古,习其谬失,”正是因为具有这种可贵的批判精神,他才在研究《九章算术》时发现了许多问题,通过深入探讨,写出名垂千古的《九章算术注》。
  2.注意寻求数学知识内部的联系,刘徽在《九章算术注》的序言中说:“事类相推,各有攸归,故枝条虽分而同本干者,知发其一端而已,”不难看出,他的整个数学研究中都贯穿了这一思想,例如,他把许多平面几何问题归为出入相补问题,把许多体积公式的推导归为刘徽原理的应用问题,把各种比例问题归为今有术问题,以及用重差术的一般方法解决各种测量问题等,都是这一思想的体现。
  3.把数学的逻辑性和直观性结合起来,刘徽主张“析理以辞,解体用图”,就是说对问题的理论分析要用明确的语言表达出来,空间图形的分解情况要用图形显示出来,也就是理论和直观并用,他认为只有这样才能使数学中的知识、结论、原理等表达形式既简洁又明白,实际上,他对原书和《九章算术注》中提出的重要数学概念,都给出了明确的定义,他对定理、公式的证明基本上都采取演绎法,推理相当严密,例如,他从长方体的体积公式出发,运用极限观念,证明了阳马定理,又用阳马定理证明了棱锥、棱台的体积公式,然后根据刘徽原理推出圆锥、圆台的体积公式,都是一环扣一环的,另一方面,刘徽也很注意数学的直观性,他常借助图形来证明平面几何定理,称为图验法;借助立体模型来研究开立方和推导体积公式,称为棋验法(刘徽称特定的立体模型为棋),有时,他还在证明的过程中辅之以剪贴和涂色,总之,他在数学研究中既注意逻辑推理,又注意运用直观手段,所以他的理论清晰易懂。
  刘徽思想敏捷,既提倡推理又主张直观,他是中国最早明确主张用逻辑推理的方式来论证数学命题的人,刘徽的工作,不仅对中国古代数学的发展产生了深远的影响,在世界数学史上也具有极高的地位。
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