答题:从始皇开始

妖皇

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第170章 数学家

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祖暅之是南北朝时期南朝杰出的数学家和天文学家,他是祖冲之之子。

他的主要成就之一是提出了祖暅原理。祖暅原理的内容是“幂势既同,则积不容异”。意思是等高的两个立体,若在任意高处的水平截面积相等,那么它们的体积相等。凭借这个原理,他成功解决了刘徽没能解决的球体积公式问题。西方在17世纪才由卡瓦列里发现类似的原理,这比祖暅之晚了1000多年。

他还在历法方面有贡献。祖冲之编制的《大明历》,因为戴法兴等人的阻挠,在祖冲之生前没有施行。祖暅之三次上书,最终使得《大明历》在梁武帝天监九年(510年)得以采用。

在天文观测与仪器制造上,他也有所建树。他监造八尺铜表来测量日影长度,并且发现北极星与北天极不动处相差约一度有余。他还对漏壶等计时器进行了改进。

在生平经历方面,他受到家庭的熏陶,自幼钻研数学和天文知识,继承了父亲的研究成果。他修补编辑《缀术》,这本书代表当时数学的最高水平,不过很可惜后来失传了。

他在梁朝担任员外散骑侍郎、太府卿等职。普通六年(525年)在徐州被北魏俘虏,后来又回到南朝。

他把自己的学问传授给信都芳、毛栖成和儿子祖皓,使得他们在数学等领域有所成就,为学术的传承和发展做出了贡献。

他着有《漏刻经》《天文录》等作品。不过《漏刻经》已经失传,《天文录》也仅存残篇。

刘徽介绍:

人物生平:

刘徽约生于公元225年,卒于公元295年,是魏晋时期山东邹平县人,出身平民家庭。

他自幼聪颖,博览群书,对《九章算术》深入钻研,于魏陈留王景元四年(263年)为其作注,并自撰自注《重差》一卷,后被称为《海岛算经》。

刘徽终生未仕,致力于数学研究,后半生曾在河南活动,于西晋初年逝世,北宋大观三年(1109年)被封为淄乡男。

主要思想:

极限思想:受名家和墨家影响,提出极限观念,如“割之又割,以至于不可割,则与圆合体而无所失矣”,并将其用于证明《九章算术》中的面积公式等。

唯物主义思想:在《九章算术·少广》章开立圆术注里,指出张衡计算球体积的错误,体现了实事求是的唯物主义精神。

逻辑推理思维:是中国最早以演绎逻辑论证数学命题的人,主张“析理以辞,解体用图”,把逻辑推理与直观分析结合起来。

思辨思想:重视数学理论研究,反对生搬硬套公式,强调对数学理论的抽象概括和提炼,还对许多重要数学概念给出明确定义。

出入相补思想:将图形的有限可分性概括为出入相补原理,用于证明勾股容圆公式及直线形的面积公式等。

主要成就:

完善数学理论体系:通过注释《九章算术》,阐述各算法的理论依据,揭示内在联系,使其成为严谨、完整的理论体系。

数系理论:发明“求微数法”,创造十进分数逼近无理根,完善了实数系统。

筹式演算理论:建立从比率到“方程”的筹式演算统一理论,实现筹式演算的模式化与程序化。

勾股与测量理论:提出勾股“不失本率原理”,建立相似勾股形理论,奠定勾股测量术的理论基础,还将其与比率算法结合,构成勾股测量方法与原理。

几何学的求积理论:以长方形面积公式为公理,用出入相补原理处理平面直边多边形求积问题,提出“牟合方盖”理论推进球体积计算,用极限方法建立刘徽体积原理,奠定多面体求积理论基础。

数学创作:创建“割圆术”,算出圆周率近似值,为当时世界最精确值,该方法将极限概念用于实际数学问题,影响深远;还创立“刘徽定理”,利用极限思想和无穷小分割方法证明原理,解决多面体体积问题。

《九章算术》是中国古代重要的数学典籍,以下是对其的分条列举:

成书背景:原书作者不详,一般认为是西汉张苍和耿寿昌整理编纂成书,其内容源于先秦数学知识系统,后经刘徽注释得以完善。

主要内容:共分为九章,包含246个与社会生活相关的数学问题及解题思路和答案 。第一章方田,主要讲述长方形等平面图形的面积计算方法、分数四则运算法则及计算分子分母最大公约数;第二章粟米,讲述谷物粮食的按比例折换方法及比例算法;第三章衰分,讲述比例分配问题;第四章少广,讲述已知图形面积和体积计算边长和径长以及开平方、开立方的方法;第五章商功,讲述土石工程的分配方法及各种立体的体积计算方法;第六章均输,讲述用衰分术等比例方法解决赋税和劳役问题;第七章盈不足,讲述通过两次假设解决盈亏问题;第八章方程,讲述一次线性方程组及利用直除法、正负数的加减乘除法解决方程组等内容;第九章勾股,讲述利用勾股定理解决实际问题。

主要思想:具有数形结合思想,在解决应用问题时将算数方法和绘制图形相结合;重视实际,核心是数学适用于社会生活生产的实用性;体现了统计思想,包括统计分组、线性回归分析、随机抽样和数量关系等。

版本情况:版本众多且较为冗杂,现代以郭书春的汇校本较为流行、清晰。

价值意义:史料价值方面,保留了大量两汉社会生活史料,为研究当时社会经济发展提供参考;教育价值方面,对今天中小学的数学教育在教学题目选择、教学精神及培养学生能力素养等方面具有重要参考和借鉴意义。

《九章算术注》是南北朝刘徽创作的数学着作,以下是相关介绍:

作者简介:

刘徽约公元225年—295年,汉族,山东邹平人,是魏晋期间伟大的数学家,中国古典数学理论的奠基者之一。

创作背景:

刘徽自幼学习《九章算术》,在长期研究过程中,他发现原书存在一些不足和有待完善之处,于是对其进行了详细注释,

主要内容:

数系理论:用数的同类与异类阐述通分、约分等运算法则,明确给出正数、负数概念,探讨数系基本元素问题,完善正负数加减方法,还创造了用十进分数无限逼近无理根的方法。

筹式演算理论:给率明确定义,以遍乘、通约、齐同等三种基本运算为基础,建立数与式运算的统一理论基础,并用“率”定义中国古代数学中的“方程”。

勾股理论:逐一论证勾股定理与解勾股形的计算原理,建立相似勾股形理论,发展勾股测量术,形成中国特色的相似理论。

面积与体积理论:用出入相补、以盈补虚的原理及“割圆术”的极限方法提出刘徽原理,解决多种几何形、几何体的面积、体积计算问题。

重要创见:

割圆术与圆周率:在《九章算术·圆田术》注中,用割圆术证明圆面积精确公式,并算出圆内接正192边形的面积,得到π=3.14,又算到3072边形的面积,得出π=3.1416,即“徽率”。

刘徽原理:在《九章算术·阳马术》注中,用无限分割方法解决锥体体积时,提出多面体体积计算的刘徽原理。

牟合方盖:在《九章算术·开立圆术》注中,指出球体积公式的不精确性,并引入“牟合方盖”几何模型。

方程新术:在《九章算术·方程术》注中,提出解线性方程组的新方法,运用比率算法思想。

重差术:在自撰的《海岛算经》中,提出重差术,采用重表、连索和累矩等测高测远方法,并使重差术由两次测望发展为“三望”“四望”。

作品影响:

《九章算术注》中蕴含的逻辑思想、重验思想、极限思想等极其深邃,使以《九章算术》为代表的中国传统数学发生根本性变化并上升到新的阶段,刘徽也堪称世界数学泰斗。

割圆术的基本原理是用圆内接正多边形的面积或周长去无限逼近圆的面积或周长,进而求得圆周率的近似值。具体如下:

从圆内接正六边形开始:由于圆的内接正六边形的边长等于半径,其周长与直径之比为“周三径一”。在此基础上,依次等分圆周,得到圆内接正十二边形、二十四边形等,边数不断加倍。

利用勾股定理计算边长:通过勾股定理,根据已知的圆内接正多边形的边长和半径等数据,计算出边数增加后的正多边形的边长,从而得到其周长和面积 ,这些数值会随着边数的增加越来越接近圆的周长和面积。

极限思想的应用:刘徽指出,当分割越来越细,达到“不可再割”的极限程度时,内接正多边形与圆相合,内接正多边形与圆面积之差递减为零,即通过不断增加边数,使正多边形无限逼近圆,以实现用有限的计算来逼近无穷的精确值。

“重差”是中国古代数学中的一种测量方法。

它主要用于测量远方物体的高度、深度、宽度等。通过两次测量的差值来计算目标物体的相关数据。

在刘徽的《海岛算经》中,重差术发挥了重要作用。书中记载了多种利用重差术进行测量的情况。比如“今有望海岛,立两表齐,高三丈,前后相去千步,令后表与前表相直。从前表却行一百二十三步,人目着地取望岛峰,与表末参合。从后表却行一百二十七步,人目着地取望岛峰,亦与表末参合。问岛高及去表各几何?”这就是利用重差术解决海岛高度和距离问题的典型例子,通过设立两根等高的标杆,测量两次人目看岛峰与标杆顶端重合时后退的步数等数据,根据这些数据之间的比例关系,进而推算出海岛的高度和与标杆的距离等相关信息。这种方法体现了中国古代数学在实际测量应用中的智慧。

《海岛算经》是魏晋时期数学家刘徽所着的一部测量学着作,原是《刘徽九章算术注》的第十卷,名为《重差》,唐代时从《九章算术》中分离出来单独成书,并以第一题“今有望海岛”得名。以下是其详细介绍:

内容:

全书共9题,所有问题都是利用两次或多次测望所得的数据,来推算目标的高、深、广、远等 。比如第一题通过立两根等高的表,测量人目看岛峰与表末重合时从前表和后表退行的步数等数据,进而求得岛高和岛与前表的距离;第二题求松高及山与表的距离;第三题则是通过立两表用索连之,测量相关数据来计算邑方及邑与表的距离等。

方法:

书中使用了重表法、连索法、累矩法等测量方法。重表法如第一题中通过两根等高表测量海岛;连索法是用绳索连接两表进行测量,如第三题测量方邑;累矩法是通过设置多个矩尺来测量,如第四题测量深谷。

历史意义:

《海岛算经》是中国最早的测量数学专着,使中国在测量学方面领先于西方约一千年。它为中国古代高度发达的地图学奠定了数学基础,书中的重差术更是测量学历史上的领先创造 。此外,该书在唐代传入朝鲜、日本等国,对周边国家的数学发展也产生了一定影响。

后世研究:

南北朝数学家祖冲之曾为《九章重差图》作注。 唐初李淳风等注释《算经十书》,《海岛算经》是其中之一,且规定其学习期限为三年,可见该书在唐代受重视程度。后世还有诸多数学家如南宋秦九韶、杨辉,元代朱世杰,清戴震、李潢、沈钦裴等都对其进行过研究或注释。

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