1、初中数学 数学 刘徽刘徽刘徽 中国山东人公元3世纪数学刘徽生平不详自述“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”晋书、隋书之律历志称“魏陈留王景元四年(公元263年)刘徽注九章”九章算术注原十卷他自撰自注的第十卷“重差”自南北朝后期以海岛算经为名单行前九卷仍与九章算术合为一体行世唐初李淳风奉敕编纂算经十书，九章算术和海岛算经列为其中两部九章算术注之图及海岛算经之自注和图今已不传九章算术刘徽继承的数学遗产刘徽从事数学研究时，继承了一分以九章算术为主体的堪称丰厚而又有严重缺陷的数学遗产，其基本情况是：世界上最方便最先进的十进位置值制记数法
2、和计算工具算筹在中国首创并已使用至少千年算筹的截面已由圆变方，长度已由西汉的13厘米左右缩短为89厘米九章算术于公元前一世纪成书，至此时已300余年光和大司农斛、权(179年)“依黄钟律历、九章算术”制造，说明它至晚在东汉已成为官方认定的经典著作九章算术包括方田、粟米、衰分、少广、商功、均输、盈不足、方程、勾股九章，奠定了中国古算的基本框架；提出了上百个公式、解法，有完整的分数四则运算法则，比例和比例分配算法，若干面积、体积公式，开平方、开立方程序，盈不足算法，方程术即线性方程组解法，正负数加减法则，解勾股形公式和简单的测望问题算法，其中许多成就在世界上处于领先地位，形成了中国古算以计算为中心
3、的特点；含有246个应用题，体现了中国古算密切联系实际的风格；在编排上，九章算术或者先提出术文，后列出几个例题，或者先列出一个或几个例题，后提出术文，确立了中国古算以术文(公式、解法)挈领应用问题的基本形式公元元年前后，盛极一时的古希腊数学走向衰微，九章算术成书标志着世界数学研究重心从地中海沿岸转到了中国，开创了东方以算法为中心的数学占据世界数学舞台主导地位千余年的局面然而，九章算术也有不容忽视的缺点：对所有概念没有定义；对所有术文没作任何推导、证明；各章的编排或者按应用，或者按方法，或者两者混杂，不尽合理东汉以后许多学者如马续、张衡、郑玄、刘洪、徐岳、阚泽等都研究过九章算术，这些研究无疑成为
4、刘徽“采其所见”的资料，然好象仍停留在以某种方式验证的阶段，对九章算术的许多关键性公式、解法并未严格证明，对其中某些不精确或失误处，并未指出，理论建树不大其具体情况在论述刘徽的贡献时要提到面对这样的数学遗产，刘徽的业绩不言而喻主要体现在数学证明和数学理论上率计算的纲纪九章算术上百个公式、解法，每个都是一种算法，除个别失误外，都具有完全确定性、普适性和有效性等现代计算理论对算法的要求刘徽九章算术注的主要篇幅是通过“析理以辞、解体用图”对其算法的正确性进行证明，对诸算法间的内部联系及其应用进行论述为了用计算解决一个问题，关键是要根据问题的条件找到一种量作标准，进而找到诸量之间的关系中国古代数学概念
5、“率”承担了这个职责“率”的本意是规格、标准、法度孟子尽心上：“羿不为拙射变其彀率”墨子备城门：“城下楼卒，率一步一人，二十步二十人，城大小以此率之”反映了“率”逐步转化成一个数学概念的过程九章算术的许多术文和问题题设应用了率，提出了“今有术”和勾股数通解公式等重要成就，然有的应用却偏离了约定俗成的内涵刘徽则大大发展了率的思想，从而把九章算术的算法提高到系统理论的高度刘徽关于“率”的定义是：“凡数相与者谓之率”“相与”即相关，这里是一种线性相关“数”实际上是一组量现今的比率是最直观且应用最广泛的一种率关系，但是，率的涵义却比比率要深刻、广泛得多由率的定义，刘徽得出率的重要性质：“凡所得率知，细
6、则俱细，粗则俱粗，两数相抱而已”即一组成率的数，在投入运算时，其中一个缩小或扩大某倍数，则其余的数必须同时缩小或扩大同一倍数根据率的这一性质，刘徽提出了乘、约、齐同三种等量变换它们最初都是从分数运算中抽象出来的事实上，分数的分子和分母可以看成率关系刘徽关于“率”的定义就是在“经分术”(即分数除法)注中提出来的那么，关于分数运算的三种等量变换自然推广到率的运算中成率关系的一组量如有等数即公因子)，则可用此等数约所有的量(称为“ 约”)，而不改变率关系，这就是“约以聚之”相反，成率关系的所有数可以同乘某一数，亦不改变率关系，这就是“乘以散之”利用这两种等量变换可以把成率关系的任意一组数(在现今实数
7、范围内)化成没有公因子的一组数，而不改变率关系，从而提出了“相与率”的概念：“等除法、实，相与率也”两个量的相与率实际上是今天互素的两个数在运算时，刘徽一般使用相与率几个分数只有化成同一分数单位才能进行加减，从而产生了齐同术：“凡母互乘子谓之齐，群母相乘谓之同同者，相与通同共一母也；齐者，子与母齐，势不可失本数也”而对比较复杂的问题，常常有相关的分别成率关系的两组或几组量，要通过齐同化成同一率关系，这就是“齐同以通之”齐同原理成为率的一种重要运算刘徽说：乘以散之，约以聚之，齐同以通之，此其算之纲纪乎？显然，刘徽把率看成运算的纲纪“今有术”在九章算术算法中起着基础性作用今有术曰：以所有数乘所求率
8、为实，以所有率为法，实如法而一法它传到印度和西方后被称为三率法刘徽认为：诚能分诡数之纷杂，通彼此之否塞，因物成率，审辨名分，平其偏颇，齐其参差，则终无不归于此术也这里前三句是说设法找出各种率关系，而“平其偏颇，齐其参差”就是齐同术对复杂的计算问题，一般说来必须通过齐同才能使用今有术或其他运算刘徽说：“齐同之术要矣错综度数，动之斯谐其犹佩 解结，无往而不理焉”下面简要介绍刘徽关于率及齐同的应用算术问题中的应用“诸率悉通”若甲、乙之率为a、b，乙、丙之率为c、d，bc，欲从甲求丙九章算术两次应用今有术，先从甲求乙，再从乙求丙，刘徽称之为“重今有术”刘徽认为，还可以应用齐同原理，先同两率关系中乙的率
9、，化为bc，然后使甲、丙的率与之相齐，分别化为ac、bd，三率悉通，直接用今有术由甲求丙刘徽指出：“凡率错互不通者，皆积齐同用之放此，虽四、五转不异也”显然，刘徽的方法比九章算术简便“齐同有二术，可随率宜也”同一问题，常有不同的途径实现齐同，可以灵活运用刘徽认为九章算术卷六第2026问尽管对象不同，其数学方法都与凫雁问同类凫雁问是：今有凫起南海，七日至北海，雁起北海，九日至南海今凫雁俱起，问何日相逢？术曰：并日数为法，日数相乘为实，实如法得一日刘徽提出两种齐同方式：一是“齐其至，同其日”，“并齐以除同，即得相逢日”此问63日凫9至，雁7至，故相逢日为63/(9+7)二是定距离为1，求出凫雁一日
10、所行，“齐而同之”，途同归，都证明了九章算术术文的正确性盈不足术中“齐其假令，同其盈 ”盈不足术是中国古算的传统问题，在九章算术中单列一章，占有重要地位即使一般算术问题，通过两次假设，均可化为盈不足问题求解(在非线性情况下只可得近似解)，因此传入欧洲后称之为双设法九章算术给出了盈不足问题的一般解法：置所出率，盈不足各居其下令维乘所出率，并，以为实并盈不足为法实如法而一刘徽认为“盈 维乘两设者，欲为齐同之意”，即“齐其假令，同其盈 ”， 即不足若假令a1，盈b1，假令a2，不足b2，同其盈 为b1b2，使假令与之相齐，则分别为a1b2和a2b1，那么b1+b2次假令，共出a1b2+a2b1而不盈
11、不 ，所以每次假令为(a1b2+a2b1)/(b1+b2)即为不盈不 之正数代数问题中的应用方程术即线性方程组解法是九章算术最值得称道的成就刘徽把率及其齐同原理拓展到方程术中首先，他借助率提出了方程的定义：群物总杂，各列有数，总言其实令每行为率，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“令每行为率”大体相当于现今行向量的概念用率定义方程，因此对方程各行施行“乘以散之，约以聚之齐同以通之”同时，他提出：“举率以相减，不害余数之课也”即方程的整行与其他行相减，不影响方程的解刘徽把它当作不必加以证明的真理，成为方程消元的理论基础九章算术采用直除消元法，即以一行某项系数乘另一行，然后
12、以该行多次相减那一行，直至该项系数为0刘徽指出：方程的直除消元法符合齐同原理他说：“先令右行上禾乘中行，为齐同之意为齐同者谓中行直减右行也从简易虽不言齐同，以齐同之意观之，其义然矣”这里“同”是使两行欲消元的系数相同(通过直除作到)，“齐”是使一行中其余各项系数及常数项与该项系数相齐(通过 乘实现)齐同既达到了消元的目的，又保证了“举率以相减”，故其变换不影响方程的解在深刻理解方程消元符合齐同原理的基础上，刘徽创造了互乘相消法以代替九章算术的直除法他在“牛羊直金”问注说：“假令为同齐，头位为牛，当相乘，右行定：更置十、羊四、直金二十两；左行：牛十、羊二十五、直金四十两”牛数相同，可以一次相减消
13、去刘徽说：“以小推大，虽四、五行不异也”刘徽通过互乘，同时作到齐同，比直除法简便得多刘徽还创造了“方程新术”他通过诸行相减求出诸元的两两相当之率，施行齐同，对易其数，得出诸元的相与之率，然后用衰分术或直接用今有术求解上述这些原理和方法在负系数方程中同样适用刘徽说：“赤黑相杂足以定上下之程，减益虽殊足以通左右之数，差实虽分足以应同异之率然则其正无入负之，负无入正之，其率不妄也”此处“赤黑”即正负数九章算术在方程直除消元过程中提出了正负术：正负术曰：同名相除，异名相益，正无入负之，负无入正之其异名相除，同名相益，正无入正之，负无入负之这是世界数学史上第一次引入正负数概念及其加减法则前四句讲正负数减
14、法，设a0，b0 ，即(a)-(b)=a b，(-a)-( b)=-(a b)；后四句讲正负数加法，同样，设a0，b0，即(a)( b)=a b，(-a)+(b)=-(a b)刘徽解释了这些法则的正确性，并且认为用正负数足可以列出任何一个方程，而通过正负数的加减运算(实际上把率和齐同原理推广到负系数方程中)足可以对任何一个方程消元五家共井问六个未知数，方程只有五行九章算术由于没有方程的定义，实际上把它的一组最小正整数解作为定解，而不知有无数组解刘徽指出，九章算术的解是“举率以言之”，实际上承认它是不定问题，这是中国古算中第一次明确提出不定方程问题几何问题中的应用刘徽把率广泛应用于面积、体积和勾
15、股等几何问题的计算中刘徽指出九章算术圆面积公式中周、径为“至然之数”，求出了周径相与之率即的近似值；堑堵中“阳马居二，鳖 居一，不易之率也”这两个重要问题，下面要专门分析这里介绍一下率在勾股、测望问题中的应用九章算术以率的形式表示出勾股形三边的关系：此处(ca)b=mn，m，n实际上互素这是世界数学史上第一次提出完整的勾股数组通解公式不过，九章的术文未离开具体数字，刘徽则用出入相补原理对其一般形式作了证明相似勾股形中勾股弦“相与之势不失本率”，是刘徽概括出的一个重要原理九章算术利用勾股数组通解公式解勾股形，即基于这一原理刘徽还用这一原理援引今有术、衰分术解决勾股容方、容圆及测望问题我们试举二例
16、九章算术勾股容圆问已知勾a、股b，问勾中容圆径d，其公个公式：又画中弦以观除会，则勾、股之面中央各有小勾股弦勾之小股、股之小勾皆小方之面，皆圆径之半，其数故可衰以勾、股、弦为列衰，副并为法，以勾乘未并者，各自为实，实如法而一，得勾面之小股可知也以股乘列衰为实，则得股面之小勾可知在这里刘徽过圆心作平行于弦的直线，称为中弦，分别与垂直于勾、股的半径及勾、股形成与原勾股形相似的小勾股形，且其周长分别等于勾、股设勾上小勾股形边长为a1，b1，c1，则a1b1c1=abc，且a1b1c1=a由衰分术b1=ab/(ab+c)，d=2b1=2ab/(abc)同样，由股上小勾股形亦可求出此公式九章算术“出南北
17、门求邑方”问是：今有邑方不知大小，各中开门出北门二十步有木出南门一十四步，折而西行一千七百七十五步见木问邑方几何？术曰：以出北门步数乘西行步数，倍之，为实并出南、北门步数为从法，开方除之，即邑方如图3，设出北门BC为a，出南门DC为k，西行CA为b，邑方为x，则九章算术术文给出了二次方程：x2+(a+k)x=2ab刘徽注的第一部分为：此以折而西行为股，自木至邑南一十四步为勾，以出北门二十步为勾率，北门至西隅为股率，即半广数故以出北门乘折西行股，以股率乘勾之幂然此幂居半，以西行，故又倍之，合东，尽之也刘徽根据勾股形ABC与ABC相似，BCBC=ACAC，重差问题的公式亦可借助于勾股相与之势不失本
18、率的原理来证明总之，刘徽使用率证明了九章算术大部分算法、大多数题目，使率的应用空前广泛、深入，提高到理论的高度出入相补原理“出入相补”见之于刘徽为九章算术勾股术“勾股各自乘，并而开方除之，即弦”所作的注：“勾自乘为朱方，股自乘为青方，令出入相补，各从其类，因就其余不动也，合成弦方之幂，开方除之，即弦也”如何将勾方与股方出入相补成弦方，刘徽未具体提示，学界历来有不同看法，图4的两种方法，分别将、移到、，是比较常见的两种推测“出入相补”在卷一、卷五刘徽注中又称作“以盈补虚”它是中国古算中证明面积和体积问题的主要方法，应该说，在刘徽之前，甚至在九章算术成书时代，人们就已熟悉这种方法刘徽则对它作了概括
19、、发展我们仍以上文提到的“勾股容圆”和“出南北门求邑方”两问为例说明对勾股容圆，刘徽注的出入相补方法是：勾股相乘为图本体，朱、青、黄幂各二，倍之则为各四可用画于小纸，分裁邪正之会，令颠倒相补，各以类合成修幂：圆径为广，并勾、股、弦为袤故并勾、股、弦以为法这是将勾股形由圆垂直于勾、股、弦的半径分成朱、青、黄三块，将两个勾股形合成一个长方形(其面积为ab)，则有朱、青、黄各二块再加倍，则各四块将朱、青各中分，则此四朱、青、黄拼成以圆径为宽，勾、股、弦之和为长的长方形，其面积为2ab，显然d=2ab/(abc)“出南北门求邑方”问刘徽注的第二部分是：“此术之幂，东西如邑方，南北自木尽邑南十四步之幂，
20、各南北步为广，邑方为袤，故连两广为从法，并以为隅外之幂也”如图6，画出长方形BEAC，勾股形BEA和BCA面积相等，AGA和AFA面积相等，故长方形BEGC等于2ab，它可以分解成x2和x(a+k)，即BC和DC之和为从法这就证明了术文的正确性出入相补原理对解决平面直线图形是行之有效的，刘徽用这种方法解决了大量问题据信，重差问题亦用出入相补原理证明周髀算经中测望太阳的“日高术”奠定了重差问题的基础刘徽在介绍了日高术之后说，九章算术的测望问题“皆端旁互见，无有超邈若斯之类”他说：“虽夫圆穹之象犹曰可度，又况泰山之高与江海之广哉？”因此，“辄造重差，并为注解，以究古人之意，缀于勾股之下”，即九章算
21、术注第十卷，今之海岛算经刘徽说：“凡望极高，测绝深，而兼知其远者必用重差、勾股，则必以重差为率，故曰重差”从测量技术上说，刘徽使用了重表、连索、累矩三种基本方法，有的要测望三次或四次刘徽说：“度高者重表，测深者累矩，孤离者三望，离而又旁求者四望触类而长之，则虽幽遐诡伏，靡所不入”而就数学内容上说，望海岛(同日高术)、望松、望深谷代表了望高、知远、测深三个基本结果，其余诸题皆可由这三个基本公式得出由于刘徽自注已佚，他怎样证明这些结果，学界未有定论根据刘徽的数学水平，以率的原理和以出入相补原理来证明都是可信的，很可能同时采用这两种，如上两例然此以立两表测海岛为例说明怎样以出入相补原理证明已知表高、
22、表间，以及使人目、表末及岛峰叁相直从两表却行的距离，两却行之差称为相多，刘徽提出岛高公式岛高=表间表高/相多+表高，前表去岛公式去岛=表间前表却行/相多吴文俊认为证明方法如下： IK= IB， HJ= HB，相减得IK HJ= IC，或后表却行(岛高表高)前表却行(岛高表高)=表间表高，岛高=表间表高/(后表却行前表却行)+表高，此即岛高公式，又从 HJ= HB得前表去岛表高=前表却行(岛高表高)，代入岛高公式，即得前表去岛公式立体问题中也可应用出入相补原理棊验法就是如此刘徽说：“说算者乃立棊三品，以效广深之积”说明棊验法是刘徽前的一种传统方法它是将所要讨论的立体分解或拼合成三品棊，即长、宽、
23、高均为一尺的立方、堑堵、阳马(如图8)，适当加倍(如果需要的话)，重新拼合成一个或几个方体，从而推知其体积显然，这种方法只适用于可分解或拼合成三品棊的特殊多面体，而对一般尺寸的多面体则无能为力刘徽指出了它的局限性例如三个长、宽、高一尺的阳马合成一个正方体，那么阳马棊的体积为正方体的1/3，这种方法对长、宽、高不等的阳马则无能为力又如，上底宽1尺、长2尺，下底宽3尺、长4尺，高1尺的刍童可以分解成2个立方棊、6个堑堵棊、4个阳马棊(图9(1)6个这样的刍童共12个立方棊、36个堑堵棊，24个阳马棊它们可以重新组合成一个长10尺(两下底长加上底长)、宽3尺(下底宽)高1尺的长方体及一个长8尺(两上
24、底长加下底长)、宽1尺、高1尺的长方体(图9(2)，(3)因此，一个这样的刍童的体积为此两长方体体积之和的1/6显然，它对一般的刍童是不适用的刘徽通过以盈补虚即出入相补证明了堑的体积公式h的长方体，从而证明了公式(图(10)刘徽还用出入相补证明开平方、开立方程序的正确性如开A的立方，初商a1，则减根方程无穷小分割在数学证明中的应用1割圆术圆面积公式的证明九章算术提出了正确的圆面积公式：“半周半径相乘得积步”，即其中S、L、r分别表示圆面积、周长和半径在刘徽之前，人们以圆内接正6边形周长代替L，以正12边形的面积代替S，出入相补，拼成一个长为正6边形周长、宽为r的矩形，验证(1)式，这实际上取=
25、3，当然不是严格证明刘徽指出，以周三径一的论证“皆非也”，提出基于极限思想的割圆术严格证明了(1)式首先，刘徽从圆内接正6边形开始割圆，依次得到圆内接正62n边形(n=1，2，3，)他认为，割得愈细，即n愈大，圆内接正多边形与圆面积之差愈小“割之又割，以至于不可割，则与圆周合体而无所失矣”即在不可割的状态，正多边形与圆周重合，其面积之差为0，换言之，若正62n边形的面积为Sn，有另一方面，圆内接正多边形每边与圆周间有一余径rn若以每边长ln乘余径rn得lnrn，加到Sn上，显然S62n62nlnrnS，亦即S62n2(Sn+1-Sn)S但在正多边形与圆合体的情况下，“则表无余径表最后，将与圆合
26、体的正多边形分割成无数个以圆心为顶点以边长为底的小等腰三角形由于以每边乘半径等于每个小等腰三角形面积的两倍，那么这无数个小等腰三角形面积之和应是半周与半径的乘积，正如刘徽所说：“以一面乘半径，解而裁之，每辄自倍，故以半周乘半径而为圆幂”即这就完成了圆面积公式(1)的证明2刘徽原理锥体体积公式的证明刘徽极限思想最精彩的应用当推他关于阳马和鳖 体积公式的证明鳖 是有下宽无下长，有上长无上宽，即每面都是勾股形的四面体(图13(1)，九章算术给出的体积公式是：“广袤相乘，以高乘之，六而一”即其中a是下宽，b是上长，h是高阳马是一棱垂直于底面的四棱锥(图13(2)，九章算术给出的体积公式是：“广袤相乘，
27、以高乘之，三而一”即a、b为底的宽、长，h是高刘徽指出，在abh的情况下，由于“鳖 殊形，阳马异体”，用棊验法“则难为之矣”，无法证明(2)、(3)式他只好另辟蹊径为此，刘徽首先提出一个重要原理：邪解堑堵，其一为阳马，一为鳖 阳马居二，鳖 居一，不易之率也即对任一堑堵，将其分解为一阳马与一鳖 ，则恒有VyVb=21 (4)(3)两式是显而易见的这个原理可以称为刘徽原理刘徽用无穷小分割证明了它他将一个鳖 (红色)与一个阳马(黑色)拼成一个堑堵(图14(1)再用三个互相垂直的平面平分堑堵的长、宽、高(图14(2)，则阳马被分解为一个小长方体()、两个小堑堵(、)和两个小阳马(、)(图14(3)；鳖
28、 被分解为两个小堑堵(、)和两个小鳖 (、)(图14(4)鳖 中两小红堑堵、与阳马中两小黑堑堵、拼成两个小长方体、，与小黑长方体，共三个全等的小长方体，其中属于阳马与属于鳖 的体积之比为21两小红鳖 、与两小黑阳马、恰是两小堑堵、它们又可合成第四个全等的小长方体，阳马与鳖 在其中体积之比仍未知总之，在原堑堵的3/4中已证明(4)式成立，在1/4中仍未知，“是为别种而方者率居三，通其体而方者率居一”(图14(5)刘徽指出：“余数具而可知者有一、二分之别，即一、二之为率定矣”就是说，在余下的1/4中能证明可知部分阳马与鳖 体积之比仍为21，则就可以确定在整个堑堵中阳马与鳖 体积之比为21为什么呢？
29、由于所余1/4中，两个小堑堵的结构与原堑堵完全相似(图14(6)，因此可以重复刚才的分割，同样(4)式尚末被证明这个过程可以无限继续下去，“半之弥少，其余弥细至细曰微，微则无形由是言之，安取余哉？”无限分割到最后，没有证明(4)式成立的部分为0，换言之，在整个堑堵中证明了(4)式下面将看到，刘徽原理是刘徽体积理论的核心3牟合方盖和截面积原理在证明其他面积和体积，尤其是曲面面积和圆体体积时，刘徽以另一种方式使用了无穷小分割刘徽指出，九章算术“开立圆术”所蕴涵的球体积公式是错误的，其中D是球直径他用两个底径等于球径的圆柱正交，其公共部分称作牟合方盖(图15)他指出，球与外切牟合方盖的体积之比为4：“合盖者，方率也；丸居其中，即圆率也”刘徽虽然没能求出牟合方盖的体积，却指出了彻底解决球体积的正确途径二百多年后，祖冲之父子求出了牟合方盖的体积，从而求出了球体积的正确公式
