秦九韶是南宋著名数学家,精研星象、音律、算术、诗词、弓剑、营造之学。1247年完成著作《数书九章》,其中的大衍求一术(一次同余方程组问题的解法,也就是现在所称的中国剩余定理)、三斜求积术和秦九韶算法(高次方程正根的数值求法)是有世界意义的重要贡献,表述了一种求解一元高次多项式方程的数值解的算法——正负开方术,达到了当时世界数学的最高水平。
公元1208年,秦九韶出生于普州安岳的一个官宦家庭。父亲秦季槱是进士出身,辗转当过潼川府、秘书省秘阁、工部郎中和秘书少监等官职。因为秦九韶的父亲为官期间,主要负责掌管天下的城池宫室建筑、舟车器械、山川水泽、河渠督造等等方面的工事,秦九韶跟随在父亲身边,自然近水楼台先得月,拥有了很好的学习机会和条件。长期的耳濡目染,使得秦九韶的知识面非常广。在秦九韶三十岁那年,父亲秦季槱才在临安去世。
父亲秦季槱生前结交许多挚友,其中同朝为官的许奕、真德秀、魏了翁等人,对秦九韶的影响很大。他们是南宋刚正之臣,敢于直面朝廷腐败现实,直言进谏,抨击朝中的贪官污吏、当道奸臣,主张振兴朝纲、抵抗外贼。父亲经常告诉秦九韶,要多向各位长辈学习,不仅要学习他们的渊博知识和精深的学问,更要学习他们身上刚正不阿的品质和道德情操。而这些长辈对秦九韶,同样倍加关注,成为他的良师益友,这使得秦九韶长大后,成为了像他们一样的忠正爱国之臣。
秦九韶天资聪颖,又十分好学勤奋,对于学习不敢有丝毫的懈怠,经常拜访隐居的有学之士。不管是在天象、占星、音律、算数,还是在器械、建筑、工事、营造等方面,秦九韶都乐于学习,精通其中,还取得了不俗的成就。秦九韶还潜心向父亲的挚友们学习诗词歌赋、天文祭祀、历法等领域的知识,渐渐成长为一名全能的科学家。
说起秦九韶的数学思想,就不得不提他的数学启蒙导师——隐士陈元靓。陈元靓当时在临安,素来有隐士君子的美称,和许多名人学士来往密切。他博览群书,学识渊博,尤其是在数学方面,研究非常深。秦九韶在听到他的美名之后,多次结交拜访,向对方请教数学方面的问题。在他的影响下,秦九韶在数学方面形成了自己独特的一套思想理论,认为“数学和道,其实是一体的,而不是各自独立的两个领域”。
后来,秦九韶辗转多地为官,却因为蒙古举兵入侵,不得不离乡背井,躲避灾难。公元1244年,秦九韶的母亲去世,他回到湖州给母亲守孝,在这段时间里,他潜心整理自己多年所学的知识,实践验证数学成果,精挑细选后,将极具代表性的81个数学问题记录下来。这就是世界上最高水平的数学专著《数学九章》,成书共9大类,每个大类下细分为9小题,共18卷。这本《数学九章》凝聚了秦九韶的毕生心血,对后世子孙而言,具有不可替代的重要意义。
秦九韶的数学成就及对世界数学的贡献主要表现在以下方面:
1、秦九韶的《数书九章》是一部划时代的巨著
秦九韶潜心研究数学多年,在湖州守孝三年,所写成的世界数学名著《数学九章》,《癸辛杂识续集》称作《数学大略》,《永乐大典》称作《数学九章》。全书九章十八卷,九章九类:“大衍类”、“天时类”、“田域类”、“测望类”、“赋役类”、“钱谷类”、“营建类”、“军旅类”、“市物类”,每类9题(9问)共计81题(81问),该书内容丰富至极,上至天文、星象、历律、测候,下至河道、水利、建筑、运输,各种几何图形和体积,钱谷、赋役、市场、牙厘的计算和互易。许多计算方法和经验常数直到现在仍有很高的参考价值和实践意义,被誉为“算中宝典”。该书著述方式,大多由“问曰”、“答曰”、“术曰”、“草曰”四部分组成:“问曰”,是从实际生活中提出问题;“答曰”,给出答案;“术曰”,阐述解题原理与步骤;“草曰”,给出详细的解题过程。此书已为国内外科学史界公认的一部世界数学名著。此书不仅代表着当时中国数学的先进水平,也标志着中世纪世界数学的最高水平。我国数学史家梁宗巨评价道:“秦九韶的《数书九章》(1247年)是一部划时代的巨著,内容丰富,精湛绝伦。特别是大衍求一术(不定方程的中国独特解法)及高次代数方程的数值解法,在世界数学史上占有崇高的地位。那时欧洲漫长的黑夜犹未结束,中国人的创造却像旭日一般在东方发出万丈光芒。”
2、秦九韶的“大衍求一术”,领先高斯554年,被康托尔称为“最幸运的天才”
秦九韶所发明的“大衍求一术”,即现代数论中一次同余式组解法,是中世纪世界数学的最高成就,比西方1801年著名数学家高斯(Gauss,1777—1855年)建立的同余理论早554年,被西方称为“中国剩余定理”。秦九韶不仅为中国赢得无尚荣誉,也为世界数学作出了杰出贡献。
3、秦九韶的任意次方程的数值解领先霍纳572年
秦九韶在《数书九章》中除“大衍求一术”外,还创拟了正负开方术,即任意高次方程的数值解法,也是中世纪世界数学的最高成就,秦九韶所发明的此项成果比1819年英国人霍纳(W·G·Horner,1786—1837年)的同样解法早572年。秦九韶的正负方术,列算式时,提出“商常为正,实常为负,从常为正,益常为负”的原则,纯用代数加法,给出统一的运算规律,并且扩充到任何高次方程中去。
此外,秦九韶还改进了一次方程组的解法,用互乘对减法消元,与现今的加减消元法完全一致;同时秦九韶又给出了筹算的草式,可使它扩充到一般线性方程中的解法。在欧洲最早是1559年布丢(Buteo,约1490—1570年,法国)给出的,他开始用不很完整的加减消元法解一次方程组,比秦九韶晚了312年,且理论上的不完整也逊于秦九韶。
秦九韶还创用了“三斜求积术”等,给出了已知三角形三边求三角形面积公式,与海伦(Heron,公元50年前后)公式完全一致。秦九韶还给出一些经验常数,如筑土问题中的“坚三穿四壤五,粟率五十,墙法半之”等,即使对现在仍有现实意义。秦九韶还在十八卷77问“推计互易”中给出了配分比例和连锁比例的混合命题的巧妙且一般的运算方法,至今仍有意义。
大衍求一术
中国古代求解一类大衍问题的方法。大衍问题源于《孙子算经》中的“物不知数”问题:“今有物,不知其数,三三数之剩二,五五数之剩三,七七数之剩二,问物几何?”这是属于现代数论中求解一次同余式方程组问题。宋代数学家秦九韶在《数书九章》(1247年成书)中对此类问题的解法作了系统的论述,并称之为大衍求一术。德国数学家C.F.高斯是在1801年才建立起同余理论的,大衍求一术反映了中国古代数学的高度成就。
秦九韶是一位既重视理论又重视实践,既善于继承又勇于创新,既关心国计民生,体察民间疾苦,主张施仁政,又是支持和参与抗金、抗蒙战争的世界著名南宋数学家。他所提出的大衍求一术和正负开方术及其名著《数书九章》,是中国数学史、乃至世界数学史上光彩夺目的一页,对后世数学发展产生了广泛的影响。秦九韶独立推出了三斜求积公式,它填补了我国传统数学的一个空白,从中可以看到我国古代已具有很高的数学水平。
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