《九章算术》的出现标志着中国古代数学体系的形成。它经历了张苍(约公元前200年)、耿寿昌(约公元前50年)等人的修订,约成书于东汉初年。《九章算术》能流芳千古,中国魏晋时期数学家刘徽绝对功不可没,他于公元263年所做的锦上添花般的注解,一直为世人传颂。
刘徽Ⓟ
刘徽对《九章算术》中的方法和算法作了全面的论述,指出并纠正了原书中的错误,在数学方法和数学理论上作出了杰出贡献。因而,刘徽的注文绝非仅仅是对原书的简单诠释,在某种意义上,可被视为创新性成果,并以此在中国数学史上开辟了一个全新的时代。我们来看看刘徽所作的主要贡献:
(1)运用极限思想,创立了“割圆术”,以证明圆面积公式,并求出圆周率的近似分数,提出了计算圆周率的方法。
在很长一段时期内,对圆周率的计算成了数学界的马拉松赛,各路英才纷纷提出自己计算出的近似值。这一点上,中国长期走在世界的前列,至少在计算机问世前是如此。借助割圆术,刘徽计算出被后人称为“徽率”的圆周率近似值3.1416。
(2)用无限分割的方法解决了锥体体积的计算问题,提出并证明了“刘徽原理”:将一个“壍堵”(即用一平面沿长方体相对两棱切割而得到的楔形立体)分解为一个“阳马”(即直角四棱锥)与一个“鳖臑”(即四个面均为直角三角形的四面体),则阳马与鳖臑的体积之比恒为2∶1。以此为基础,解决了许多多面体的体积问题。
纪念刘徽的邮票Ⓨ
纪念刘徽割圆术的邮票Ⓞ
将一个“壍堵”分解为一个“阳马”与一个“鳖臑”Ⓟ
这一结果,其重要性不仅仅在于2∶1这个结果,更在于刘徽在证明过程中所使用的“无穷递降法”。虽然这种方法在今天看来有些缺乏逻辑依据,但它无疑是正确的。刘徽的那种大胆探索的意识也值得后人赞赏和学习。
(3)在开方不尽的问题中,他提出求“微数”的思想,这种方法与后来求无理根近似值的方法一致,它不仅是圆周率精确计算的必要条件,而且促进了十进小数的产生。
(4)指出解决球体积问题的方向。关于球体积,《九章算术》给出一个错误的公式,刘徽指出产生错误的原因在于把球与其外切圆柱的体积之比看成了 。他进一步设计了一个“牟合方盖”(即球的两个相等的外切圆柱体正交时的公共部分),指出球与牟合方盖的体积比才是 。虽然他未能求出牟合方盖的体积,但指出了解决球体积问题的方向。
(5)提出了许多公认正确的判断作为证明的前提,大多数推理和证明都合乎逻辑,十分严谨,还采用了图形类比的方法,从而把《九章算术》及刘徽自己的解法和公式建立在必然性的基础之上,对后世数学的发展产生了重要影响。
牟合方盖Ⓟ
(6)发展了天文观测中的重差术,即利用相似直角三角形对应边成比例的原理测量不可达距离的方法。刘徽自撰“重差”,作为《九章算术注》的第10卷,后单独印行,即《海岛算经》,为“算经十书”之一。刘徽在其中总结了重差法,提出了重表法、连索法、累矩法这三种基本测量方法,为地图学、航海学的发展奠定了数学基础。
由以上可以看到,在中国数学史上,刘徽堪称以“推理论证”来证明数学命题的第一人。这一思想一直是欧洲数学发展的主流,它可以避免经验数学不可避免的各种失误,推动数学朝着更加健康的方向发展。