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被埋沒的賈憲三角

 昵稱75938435 2021-06-24

  中國(guó)的數(shù)學(xué)發(fā)展到宋元時(shí)期,終于走到了它的高峰。在這個(gè)數(shù)學(xué)創(chuàng)新的黃金時(shí)期中,各種數(shù)學(xué)成果層出不窮,令人目不暇接。其中特別引人注目的,當(dāng)首推北宋數(shù)學(xué)家賈憲創(chuàng)制的賈憲三角了。

  由于史書沒有賈憲的傳記,所以我們今天對(duì)這位數(shù)學(xué)家的生平事跡已經(jīng)無法搞清楚了。只知道他曾經(jīng)當(dāng)過宋代左班殿直的小官,是當(dāng)時(shí)天文數(shù)學(xué)家楚衍的學(xué)生,還寫過兩部數(shù)學(xué)著作,可惜這兩部著作現(xiàn)在都失傳了。幸虧南宋數(shù)學(xué)家楊輝在他的書中引述了賈憲的許多數(shù)學(xué)思想資料,才使我們今天得以了解賈憲在數(shù)學(xué)上的重大貢獻(xiàn)。

  賈憲最著名的數(shù)學(xué)成就,是他創(chuàng)制了一幅數(shù)字圖式,即開方作法本源圖(見圖1)。這幅圖現(xiàn)見于楊輝的書中,但楊輝在引用了這幅圖后特意說明:賈憲用此術(shù)。所以過去我國(guó)數(shù)學(xué)界把這幅圖稱為楊輝三角,實(shí)際上是不妥當(dāng)?shù)?,?yīng)該稱為賈憲三角才最為恰當(dāng)。


1開方作法本源圖

  用現(xiàn)代的數(shù)學(xué)術(shù)語來說,這幅開方作法本源圖實(shí)際上是一個(gè)指數(shù)為正整數(shù)的二項(xiàng)式定理系數(shù)表。稍懂代數(shù)的讀者都知道:


  如果把以上式子中等號(hào)右邊的各個(gè)系數(shù)排列起來,則可得:


  這正好與開方作法本源圖上的數(shù)字完全相符。

  這樣一種二項(xiàng)式系數(shù)的展開規(guī)律,在西方數(shù)學(xué)史上被稱為帕斯卡三角形。帕斯卡是法國(guó)數(shù)學(xué)家,他是在1654年所著的書中給出類似于賈憲開方作法本源圖的數(shù)字三角形表的(見圖2)。其實(shí)在歐洲,類似的數(shù)字三角形也并非帕斯卡最先發(fā)明,只是開始沒有廣泛流傳罷了。西方最古的此類數(shù)字三角形,可以上溯到1527年;但與賈憲的這個(gè)圖相比,已經(jīng)晚了四百多年。因此我們完全有理由把這項(xiàng)中國(guó)人最先發(fā)明的數(shù)學(xué)成果稱為賈憲三角而載人史冊(cè)。

  不僅如此,賈憲的這個(gè)圖還蘊(yùn)含了圖中數(shù)字的產(chǎn)生規(guī)律。細(xì)心的讀者也許已經(jīng)發(fā)現(xiàn),這個(gè)三角形的兩條斜邊都是由數(shù)字1所組成的,而其他的數(shù)都等于它肩上的兩個(gè)數(shù)相加。按此規(guī)律,這個(gè)數(shù)字三角形可以寫到任意多層;也就是說,二項(xiàng)式任意正整次冪的

  系數(shù)展開都可以按照這個(gè)圖很容易地得到。


2 帕斯卡三角形

  根據(jù)楊輝的記載,賈憲求開方作法本源圖中各項(xiàng)系數(shù)的方法,就是他在開平方、開立方中所用的新法——“增乘開方法。應(yīng)用這種增乘開方法,既可求得任意高次展開式系數(shù),又可進(jìn)行任意高次冪的開方。在賈憲之前,從漢代一直到唐代的一千多年時(shí)間里,中國(guó)古代數(shù)學(xué)家只能進(jìn)行正數(shù)的開平方和開立方運(yùn)算,對(duì)于四次方以上的高次冪開方?jīng)]有什么好的方法。直到賈憲的增乘開方法問世,才真正找到了開高次方的最佳方法,并能用它開任意有理數(shù)的高次方。這在中國(guó)數(shù)學(xué)史乃至世界數(shù)學(xué)史上,都是具有極其重要的價(jià)值的。以后的數(shù)學(xué)家在這個(gè)基礎(chǔ)上繼續(xù)前進(jìn),又把它推廣為任意高次方程的數(shù)值解法。南宋時(shí)期的數(shù)學(xué)家秦九韶在系統(tǒng)總結(jié)前人成果的基礎(chǔ)上,終于把以增乘開方法為主體的高次方程數(shù)值解法發(fā)展到了十分完備的程度。在秦九韶的著作中,方程的系數(shù)既有正的,也有負(fù)的;既有整數(shù),也有小數(shù);方程的次數(shù)最高達(dá)10次方。如:


  其解法與現(xiàn)代通常使用的霍納法(由英國(guó)數(shù)學(xué)家霍納于1819年給出)基本一致,但比霍納法要早了五百多年。從賈憲到秦九韶逐步發(fā)展完備起來的高次方程數(shù)值解法,是中國(guó)數(shù)學(xué)在宋元時(shí)期的一項(xiàng)杰出的創(chuàng)造。

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