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杨辉:幻方的探索者 普及数学的教育家

时间:2021-01-28 11:33:32

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杨辉:幻方的探索者 普及数学的教育家

01、

杨辉,字谦光,钱塘人,是南宋杰出的数学家和数学教育家。但是,古代中国比较注重治国安邦及文学方面的素养,对于物理、化学、数学等科学技术则缺少关注,因此史书上对杨辉这个人并没有过多的记载,我们只知道他曾担任过地方行政官员,为政清廉,足迹遍及苏杭一带。

在1261年到1275年的这时间里,杨辉独立完成了5部数学著作,分别是《详解九章算法》、《日用算法》、《乘除通变本末》、《田亩比类乘除捷法》,以及《续古摘奇算法》。

唐代中期以后,社会经济蓬勃发展,手工业和商业也迅速兴盛起来,人们急需一种便于掌握,又方便快捷的计算方法,因此,中晚唐时期出现了不少实用的算术书籍,只可惜这些书籍大多都已失传。

唯一流传至今的《韩延算术》,大约编写于公元770年前后,书中介绍了很多乘除捷算法的例子。比如,某数乘以42可以化为某数乘以6,再乘以7;某数除以12可以化为某数除以2,再除以6。

杨辉在前人的基础上,进一步发展了乘除捷算法,提出了“相乘六法”,比如,对于乘数末位为一的两位数乘法,可以通过乘法分配律,将多位数乘法化为一位数乘法和加法,举个例子,257×21=257×20十257。

再比如,当乘数为9、8、7时,可以用10与被乘数相乘,再减去被乘数的1、2、3倍。

杨辉对各种乘除捷算法的总结及改进,大大加快了人们的运算速度,同时促进了运算工具的改革,一种更为方便快捷的运算工具——算盘应运而生,到了元末时期,已经广为流行。

这就是杨辉在数学方面的第一个重要成就。

02、

杨辉在数学方面的第二个重要成就在幻方方面,他是世界上第一个讨论幻方的构成规律,并依据规律排出丰富的幻方的数学家。

幻方,又称纵横图,最早起源于中国,一般是方形的,行数与列数相等,各行各列的数字之和也相等。

纵横图有几行,就称为几阶。我国最早的纵横图是汉代的“九宫图”,它是三阶的,每行每列的数字之和为15,对角线上的数字之和也是15。由于有这样奇妙的性质,宋代的理学家们便把它与《固易》中的“河出图,洛出书”联系起来,认为九宫图即天生的神物——洛书。

在13世纪以前,中国数学家们并没有认真对待这张图,只把它看成一种数字游戏,甚至觉得它笼罩着一层神秘的色彩。

杨辉却孜孜不倦地探索幻方的性质,以自己的研究成果证明,这种图形是有规律的。

杨辉不仅给出了这些图的编造方法,而且对一些图的一般构造规律有所认识,打破了幻方的神秘性,这是世界上对幻方最早的系统研究和记录。自杨辉以后,明清两代中算家关于纵横图的研究相继不断。

说起杨辉的这一成就,还有一个有趣的小故事。

有一天,杨辉作为台州府的地方官,出外巡游,铜锣开道,大轿抬起,好不威风。可是走着走着,却被一个孩童挡住了去路,孩童说先生给自己布置了一道题目,题目是这样的,“把1到9的数字分三行排列,不论直着加,横着加,还是斜着加,结果都等于15。”

那孩童正算到关键之处,不料杨辉的队伍过来了,孩童怕杨辉的队伍过去之后,会把自己的算式踩掉,自己就想不起来该怎么计算了,所以就拦住了杨辉的去路,一定要将自己的题目算完才肯让杨辉的队伍过去。

于是杨辉就下了轿子,帮这孩童一起计算,直到天已过午,才完成了这道题目。杨辉想要拜访一下这孩童的先生,却得知孩子家境贫寒,没钱读书,只能趁给地主家放牛时,偷偷地躲在学生的窗下偷听,今天上午先生出了这道题,这孩童用心自学,终于把它解决了。

杨辉听了很感动,带着孩童找到先生,说了这孩子的情况,又掏出银两,给孩童交了学费。教书先生对杨辉的清廉为人非常敬佩,于是俩人谈论起数学。

交谈中杨辉得知方才和孩童做的那道题出自《大戴礼》,这虽然是一部记载各种礼仪制度的文集,但其中也包含着一定的数学知识。

南北朝的甄鸾在《数术记遗》一书中就写过:“九宫者,二四为肩,六八为足,左三右七,戴九履一,五居中央。”

杨辉发现书中内容正与上午他和孩童摆的数字一样,于是询问先生是否可知道这个九宫图是如何造出来的?但教书先生也不知出处。

杨辉回到家中,反复琢磨,一有空闲就在桌上摆弄着这些数字,终于发现了九宫图的规律。按照类似的规律,杨辉后来又得到了“五五图”、“六六图”、“衍数图”、“易数图”、“九九图”、“百子图”等许多类似的图。

杨辉把这些图总称为纵横图,并于1275年写进自己的数学著作《续古摘奇算法》一书中,并流传后世。

杨辉不仅是一位著述甚丰的数学家,同时还是一位杰出的数学教育家。他在详解《九章算术》的基础上,专门增加了一卷,将《九章》中的246个问题,按照解题方法的难易程度,重新分为九类。

他一生致力于数学教育和数学普及,其著述有很多是为了数学教育和普及而写。《算法通变本末》中载有杨辉专门为初学者制订的“习算纲目”,集中体现了杨辉的数学教育思想和方法。杨辉的几部著作极大地丰富了我国古代数学宝库,为数学科学的发展做出了卓越的贡献,不愧为“宋元四大家”之一。

03、

相比杨辉对数学研究的持之以恒,秦九韶的学术生涯就比较短暂了。

他出生在四川,青少年时期饱受战争之苦,成年后离开四川,考中进士,在湖北、安徽、江苏、福建等地做官。晚年受贾似道打击,贬于梅州,五年后死于梅州,时年61岁。

37岁时,秦九韶的母亲去世,他离任返回湖州,为母亲守孝三年,在这段时间里,他刻苦研究数学,写出了全面超越《九章算术》的传世之作——《数书九章》。

《数书九章》与《九章算术》一样,密切联系社会实际,但《数书九章》中的问题的深度和广度远远超过了《九章算术》,书中的不少数学成果都是世界领先的,其中最重要的两项成果是“正负开方术”和“大衍术”。

正负开方术,又称“秦九韶算法”,实际上是一套求高次方程整根的方法。

古时候,人们将解方程称为“开方”。我们都知道,一次和二次方程是好解的,三次方程就比较难了,解三次以上的方程更是难上加难。秦九韶却在前人基础上,总结出一套十分精确的可以解任意次方程的方法,只不过在这一过程中,要反复进行正、负数运算,所以称为“正负开方术”。

大衍术又称大衍法,实际上是一套求解一次同余式方程组的完整程序。

什么叫同余呢?举个例子,9除以5余4,14除以5也余4,我们就认为9和14对5来说是同余的。含有同余关系的式子叫同余式,同余式和方程式一样,可以分为一次、二次、三次等等,几个同余式联立,就成为同余式组。

中国古代重要的数学著作《孙子算经》中有一道闻名世界的“物不知数”题,题目大意是:某数被3除余2,被5除余3,被7除余2,问这个数是多少?

这其实是由三个一次同余式构成的同余式组,答案是23,但书中求出答案的方法含有试猜的成分,不是普遍适用的。

秦九韶的功绩,就在于他研究了各种形式的一次同余式组,发明了一套普遍适用的完整程序,可以求出此类问题的准确答案。

“大衍求一术”是中世纪世界数学的成就之一,比西方1801年著名数学家高斯建立的同余理论早554年,被西方称为“中国剩余定理”。

纵观秦九韶一生,他可以称得上是一位学识渊博、多才多艺的学者,尤其在数学上,做出了卓越贡献。他研究数学不是为了做官,也不仅仅是出于兴趣,而是为了应用,为了解决老百姓在社会生活中遇到的实际问题。

他千万百计地使自己的学问为社会服务,所提出的大衍求一术、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深刻而广泛的影响。

秦九韶的数学成就已得到世界公认,清代著名数学家陆心源称赞说:“秦九韶能于举世不谈算法之时,讲求绝学,不可谓非豪杰之士。”

美国的著名科学史家萨顿这样评价秦九韶:“他是他那个民族,他那个时代,并且确实也是所有时代最伟大的数学家之一。”

参考资料:

百度词条“杨辉”

百度词条“秦九韶”

管成学、赵骥民,《中国数学史上最光辉的篇章:李冶、秦九韶、杨辉、朱世杰的故事》,吉林科学技术出版社

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