数学史课件：第二章中国数学历史发展概况.ppt

社会历史背景条件相对封闭的疆域大河背景下的农耕文化集中的王权中国数学的特点形成了以计算为核心的算法理论具有浓郁应用色彩中国数学的成就第一部数学著作 九章算术 大约公元前二百年左右 公元3世纪至13世纪 创造了许多领先于其它民族的众多数学成果 形成国家数学教育的体制 2 1 周易 与中国传统数学 周易 是我国古代专讲卜筮的书 约成书于殷商时期 在古代中国众多的儒 道典籍中 周易 是包含数学内容最丰富的著作 卜 是使用一定的工具弄出来 以决定事情吉凶的兆象 中国人常用龟甲和兽骨为占卜工具 筮 是按一定规则得到特定的数字 并用它来预测事情的吉凶 筮 字由 竹 字和 巫 字构成 后来改用蓍草 天子之蓍九尺 诸侯七尺 大夫五尺 士三尺 周易 由 易经 和 易传 两部分组成 自汉代开始 许多算学家都热衷于将算法与 周易 相联系 刘徽在 九章算术注 的序中就写道 昔在包牺氏始画八卦 以通神明之德 以类万物之情 作九九之术 以合六爻之变 易经 中利用爻卦的变化预测吉凶 分别用 与 表示阳爻和阴爻 构成八卦 六十四别卦研究认为 周易 中爻的符号 是由数字或数表演进而来的 理由是 其一 卦辞中 当对卦画进行解释时 总是用数 九 和 六 分别表示阳爻和阴爻 其二 考古发现商代甲骨文或陶器上有不少由六组数 每组三个数字 组成的数表 所用的数字逐渐增加一 六的使用频率 别的数字似乎有不用的趋势 大约在周初 约公元前1066 就只有一和六这两个数字了 学者认为 用数字表示占卜的结果 数 一 表示奇数 读数九的音 数 六 仍读六 表示偶数 由于古代六字的符号是 这样数 一 与 就具有爻的形象了 以后 字形逐渐变平 最后一分为二 成为阴爻 的表示形式 2 1 1从数 表 演进为爻 四盘磨卜骨上的字符 太极八卦图 2 1 2 周易 揲法 大衍演算 周易 中占筮确定取爻的方法称为 揲法 所谓 一十八变得一卦 朱熹 1130 1200 对揲法的解说如下 1 蓍策总数是50根 去其一 象征太一 即太极 实际用于占算的是49根 2 把它们任意分成两部分 象征天地 两仪 从第一部分里取出一根不参与计算 叫 挂一 配上 两仪 象征天地人 三才 3 对于第一部分的蓍策 每4根一组数出 叫 揲四 象征春夏秋冬四时 4 将所余的 奇数 为1 2 3 4四数之一 根蓍策 夹在左手指间 叫 归奇于扐 象征闰年 5 将第二部分蓍策也照 3 4 办理 于是两部分 归奇 的蓍数非4即8 加上 挂一 的一根 共5或9根 完成了 第一变 将 归奇 的蓍数 5或9根 不用 用余下44或40蓍参与第二变的计算 操作方法仿上述 2 5 此时 归奇 的蓍数仍然是非4即8 第三变揲法仿第二变 用蓍32或36 或40根 三变后余下蓍策的根数或36 或32 或28 或24根 均为4的倍数 最后 将第三变的余蓍除以4则得九 八 七 六 并称九为老阳 六为老阴 七为少阳 八为少阴 揲蓍的目的 就是为了取到这四个数中的一个 让阳数对应阴卦 阴数对应阴卦 于是数字变成了爻象 从中国古代的占筮工具和方法中 不难发现中国传统数学的历史渊源 数学 一词相当于我国古代的 算术 数学一词 在中国最早出现在12世纪宋代数学家秦九韶的著作中 他指出 物生有象 象生有数 乘除推阐 务究造化之源者 是数学 算筹中国古人称数学为算学 2 1 3组合数学的思想 洛书与河图 宋代的九宫格 明代的洛书 河图的解释 在历史上有多种说法 其中 尚书 中解释说 河图 八卦 伏羲王天下 龙马出河 遂则其文以画八卦 谓之河图 图中每个阳 阴爻分别代表数9与数6 其中数字的配置依照 九六 说 是一种均衡的数字配置 在八卦中 相对称的卦象 如乾与坤 其象数之和均为45 它与洛书中1至9的数字之和相同 易有太极 是生两仪 两仪生四象 四象生八卦 明代邵雍的易图数学结构 儒家以 九数 为核心 具有鲜明的政治和人文色彩 并以 周易 象数学宇宙论为哲学依托 墨家则以几何学为核心 具有一定的抽象性和思辨性 以 墨经 的逻辑学为其论说的工具 孔子 前551 前479 的 六艺 中的 周官九数 方田 粟米 差分 少广 商功 均输 方程 赢不足 旁要 是 九章算术 的雏形墨子 前468 前376 的抽象概念和逻辑知识 三个逻辑方法 以名举实 以辞抒意 以说出故 以类取 以类予 具有比较明确的逻辑思维形式 非常类似演绎数学中的定义 定理和证明 对几何中的几何形状 几何性质 空间关系提出了明确的定义 论述了推理 说 的各种形式 惠施 约前370 前318 对无穷性质的认识 一尺之棰 日取其半 万世不竭 镟矢之疾有不行不止之时 2 2先秦显学中的数学思想 公元1世纪至8世纪初 改变了先前只追求算法 不研究算理的学风 开始给出概念的定义 进行推理论证 取得了许多世界领先的成果 同时涌现出一批杰出数学家 2 3 1刘徽与 九章算术注 西汉年间 中国有了专门的数学著作 许商算术 杜忠算术 算数书 和 九章算术 其中前两部著作早已失传 算数书 1984年从湖北张家山古墓中发掘出土的 据考证 算数书 是公元前206年 前179年的一部数学著作 它以实际应用问题的形式编纂 2 3中国传统数学理论的研究 九章算术 是中国古代的一本传世数学名著 一直作为中国传统数学的代表作 现在传世的是三国时代刘徽于263年完成的注释本 刘徽布衣出身 生平不详 从他的 九章算术注 自序中可以知道 他早年系统地学习过 九章算术 并以 注 的形式将其研究成果记载下来 完成了 九章算术注 九章算术 成书的确切起始年代无法确定 只知在汉代就曾经过北汉平侯张苍 约前200年 和大司农中丞耿寿昌 约前50年 的整理 第一章方田 分数四则运算和平面图形求面积 第二章粟米 粮食交易的计算方法 第三章衰分 比例分配 第四章少广 开平方与开立方 第五章商功 体积计算 第六章均输 运输中的均匀负担 第七章盈不足 盈亏类问题计算 第八章方程 一次方程组解法与正负数 第九章勾股 勾股定理的应用 全书的编排方法是 先举出问题 再给出答案 通过对一类问题解法的考察 最后给出 术 全书共有202个 术 术 是一类问题的一般算法描述 它是研究中国传统数学成果的主要依据 九章算术 是以应用问题集的形式表述 一共收入246个问题 九章算术 把246个问题分为九章 明代刊印的 九章算术注 九章算术 标志着中国传统数学的知识体系已初步形成 代表了中国传统数学体系和思想方法的特点 注重实际问题的数值计算方法 缺少抽象的理论和逻辑系统性 使用算筹 形成世界上独有的计算工具和程序化计算方法 九章算术 的内容是由周代的 九数 发展而来的 刘徽称 周公制礼而有九数 九数之流则 九章 是矣 九章算术注 对数学方法的贡献开始了其独特的推理论证的尝试 析理以辞 解体用图 创立了 出入相补 的方法 提出了 割圆术 上首次将极限概念用于近似计算 引入十进制小数的记法和负整数的知识 他试图建立球体积公式 虽然没有成功 但为后人提供了科学的方法 他对勾股测量问题的深入研究 在几何研究中 从少数几个原理出发 运用逻辑手段推导出结果的方法 提出 审辨名分 不但对自己提出的每一个新概念都给出界定 九章算术注 丰富了 九章算术 的数学成果 主要表现在算术 代数和几何诸方面 诸如 割圆术与徽率 割之弥细 所失弥少 割之又割 以至于不可割 则与圆合体而无所失矣 设圆面积为S0 半径为r 圆内接正n边形边长为ln 周长为Ln 面积为Sn 将边数加倍后 得到圆内接正2n边形 其边长 周长 面积分别记为l2n L2n S2n 刘徽首先指出 由ln及勾股定理可求出l2n 其次知道了圆内接正n边形的周长Ln 又可求得正2n边形的面积 如果在圆内接n边形的每边上作一高为CD的矩形 就可以证明刘徽不等式 S2n S0 S2n S2n Sn 割圆术的基本原理 从圆内接正六边形出发 取半径r为1尺 一直计算到192边形 得出圆周率的近似值 3 14 化成分数为157 50 这就是有名的 徽率 2 3 2祖率与祖暅原理 祖冲之 429 500 与祖率据 随书 律历志 记载 祖冲之求得的 值的取值范围为3 141592 3 1415927 并称为朒 盈数 如果利用刘徽的割圆术得到上述结果 需要从正六边形起 连续的倍增正多边形的边数 至24576边形 用水平截面去截球和 牟合方盖 可知截面的面积之比恒为 4 于是由刘徽原理立即得到V球 V牟 4即V球 4 V牟 祖暅原理 幂势既同 则积不容异 与球体积公式刘徽原理与 牟合方盖 小方盖差 与球体积公式 左图 小牟合方盖中 PQ是小牟合方盖被水平截平面得到正方形的一边 设为a UQ是球半径r UP是高h 根据勾股定理得a2 r2 h2 这正是截平面PQRS的面积中图 小方盖差在等高处的截面面积等于r2 a2 h2 右图 底边为r 高也是r的倒正四棱锥 在等高处的截面面积也是h2 根据祖暅原理可知 小方盖差和倒立正四棱锥的体积相等 内插法 已知f x 在xi a b i 1 2 n 的值为 那么通过及适当公式 计算y f x 在 a b 内其他一些点的函数值 如果xi 1 xi为定数 这时的内插法称为等间距内插法 反之 称为不等间距内插法 历法编制中的内插法最早求影长的一次内插公式 约公元前2世纪 f n f a n 其中 f n 是夏至之后的第 个节气的影长 f a 160分 f b 1350分分别是夏至 冬至的中午八尺杆子的影长 2 3 3内插法与天文历法 乾象历 206年 已发现了月亮不均匀运动及其规律 公元570年 北齐朝的天文学家张子信发现 自春分到秋分所需的时间要比秋分到春分的时间长 进而证明了太阳 视运动 的速度是不均匀的隋朝刘焯 544 610 的 皇极历 提出了等间距二次内插法公式 f nl s f nl 1 2 1 2 张遂 683 727 的 大衍历 创造了不等间距二次内插法公式 f t s f t s s 其中 l1 l2分别为不同节气的时间长度 张遂假定它们不相等 算经十书 记载的中国传统数学成就 周髀算经 约公元前240年至公元前156年 与商高 陈子 定理 周髀 是测量日影的工具 八尺长竿全书由三部分组成 第一部分共264个字 记述了周公与大夫商高的问答记录 提到 勾广三 股修四 径隅五 说明 周代初期人们已经知道勾股定理的特例 勾三 股四 弦五 第二部分是荣方与陈子的对话 对话中包含了勾股定理的一般陈述形式 以日下为勾 日高为股 勾股各自乘 并而开方除之 得邪至日 第三部分是讲计算问题的 有 术 13条 书写形式和内容与 九章算术 基本一致 2 3 4明算学与 算经十书 隋唐时期的数学教育制度 明算学 孙子问题 今物不知其数 三三除之余二 五五除之余三 七七除之余二 问物几何 孙子问题相当于求解一次同余式组N 2 mod3 3 mod5 2 mod7 这个问题源于历法编算中的求上元积年问题其解法写作 孙子歌 三人同行七十稀 五树梅花廿一枝 七子团圆正半月 除百零五便得知 计算过程为 N 70 2 21 3 15 2 2 105 显然 这里的70 21 15是求解的关键 其求法 70 2 5 7 1 mod3 0 mod5 0 mod7 21 3 7 0 mod3 1 mod5 0 mod7 15 3 5 0 mod3 0 mod5 1 mod7 由题设 用3 5 7分别除以N所得的余数为2 3 2 故用2 3 2分别去乘70 21和15 再相加即得233 2 mod3 3 mod5 2 mod7 求出这个同余组的最小整数解N 23 孙子算经 约公元4世纪 与 孙子问题 张邱建算经 约公元五世纪 与 百鸡问题 今有鸡翁一 直钱五 鸡母一 直钱三 鸡雏三 直钱一 凡百钱 买鸡百只 问鸡翁 母 雏各几何 给出三组答案 4 18 78 8 11 81 12 4 84 张邱建算经 的应用领域较 九章算术 有了新的发展 其主要数学成果包括求最小公倍数 等差数列及不定方程等内容 缉古算经 公元600多年 与 带从开方法 对当时的土木工程中出现的数学问题的研究和总结 在一些体积计算中隐含了求解三次方程的 带从开方法 虽然由于解法过程空缺 因而没能清楚地呈现这一方法的具体操作过程和原理 该书在理论上的贡献是陈述了筹算的运算方法 这在中国数学史上尚属首次 2 4 1杨辉三角与增乘开方法杨辉 约13世纪后期 在 详解九章算法 中记载了北宋人贾宪的一张 开方作法本源图 1050 现今称为杨辉三角的 贾宪三角 在西方它被又称为帕斯卡三角 1655年 2 4中国传统数学发展的顶峰 900年到1368年 创造出许多具有世界历史意义的成就数学家辈出数学著作涌现 若A开平方的首商 次商分别为a b 则有A a2 B a2 2ab b2则B A a2 2ab b2 2a b b继而用2a b试除B 且若B 2ab b2 0 则开方完成 否则再继续试第三位商 这个方法用于筹算 就形成了增乘开方法 其过程简述如下 借助贾宪三角 给出一种开高次方的方法 增乘开方法 a aaab bb 将上图转换适当角度 就变为贾宪三角 左边斜行由1组成 称为 积数 它们是借算 右斜行也都是1 称为偶算 它们是a的各次幂的系数 贾宪利用贾宪三角得到了开高次方的一般方法 增乘开方法 是一个和高度机械化的和非常有效的算法 与现代通用的 霍纳算法 1819 已基本一致 增乘开方法 可适用于开任意高次方 但贾宪本人没有认识到这一点 另外直到贾宪时 中国数学家们所处理的方程系数都是正数 12世纪北宋学者刘益首先突破了系数必须为正的限制 并且也不再像以往那样要求首项系数为1 大衍求一术 为求得满足条件的乘率ki 秦九韶把奇数gi与定数ai辗转相除 相继得商数qi和余数ri 即ai q1gi r1 并可得到 c1 q1gi q2r1 r2 c2 q2c1 1r1 q3r2 r3 c3 q3c2 c1 rn 2 qnrn 1 rn秦九韶指出 当rn 1且n为偶数时 则最后所得cn就是乘率ki 当rn 1 且n为奇数时 可将rn 1与rn相除后 形式上取qn 1 rn 1 1 那么余数rn 1仍为1 再做cn 1 qn 1cn cn 1 这时n 1为偶数 则cn 1就是所求ki 总之 当辗转相除得到余数1时 整个计算结束 2 4 2秦九韶与中国剩余定理秦九韶 1202 1261 与 数书九章 高次方程数值解法 正负开方术 开10次方的问题 一次同余组解法 大衍总数术 衍 同 演 元代初期 开始用文字表示方程中的未知量 并形成了相应的算法 天元术 李冶 与四元术 朱世杰 高阶等差级数和公式沈括 约1031 1095 隙积术 与二阶等差数列求和公式数列 22 32 42 52 62 1 该数列相邻项之差依次为5 7 9 11 2 显然 2 是一个公差为2的等差数列 今天 1 式被称为一个二阶等差数列 杨辉的 垛积术 与 三角垛公式 1 1 2 1 2 3 1 2 3 n n n 1 n 2 6 2 4 3方程与级数的研究 廉数是斜行上数的和上一斜行各数之和 等于下行短线所指的一个数 左边第二斜行为1 2 3 4 5 6 7 8 是公差为1一阶等差数列 它的前n项和 茭草垛 公式 左边第三斜行为1 3 6 10 15 21 28 是二阶等差数列 它的前n项和为 三角垛 公式 左边第四斜行为1 4 10 20 34 56 是三阶等差数列 它的前n项和为 撤星形垛 公式 朱世杰得到了p阶等差数列求和的一般公式 朱世杰的一般高阶等差级数公式及其应用贾宪三角与等差级数公式 设日数为n 每日招兵数为 n 2 3 问第15日招兵多少 解答中用到了四次内插公式 f n n 1 n n 1 2 n n 1 n 2 3 n n 1 n 2 n 3 4其中f n 表示第n日总共的招兵数 且其 四次差 分别为 1 27 2 37 3 24 4 6 恰好是 古法七乘方图 中的各级数之和 朱世杰的发现表明 借助于高阶等差级数的研究结果 完全可以写出任意高次的招差公式 在欧洲 1670年英国天文学家格烈高里最先对招差法作了说明 牛顿在1676 1678年的著作中才出现了招差法的一般公式 比朱世杰等人的研究成果晚了近四百年 招差术与等差级数和的关系 2 5 1算法化特征 算术 与算法化成果算筹为中国数学发展提供了了技术工具 使中国在世界上最早采用了十进位值制记数法 使计算程序化和自动化长期坚持走算法化的发展道路 限制了数学方法的流传和改进 影响了逻辑体系的发展 很难达到现代数学的发展水平 2 5 2实用性思想数学著作都以社会生产和生活实践中的问题为纲 这些问题基本按社会 生活领域进行分类 过分重实用 不利于抽象概念和命题的形成 2 5 3政府控制的特征中国传统数学始终置于政府控制之下 直接受制于统治阶级的意识形态和社会的需求 2 5中国传统数学的特点 较早的形成国家数学教育体制明代封建统治者的政策不利于数学发展 2 5 4连续性特征主要表现在以下几个方面 历代数学典籍体例的一致性数学的各分支发展的继承性计算工具使用的一贯性不受外来数学文化的影响英国现代著名学者李约瑟这样评述外域文化对中国的影响 中国和它的西方邻国以及南方邻国之间的交往和反映 要比一向所认为的多得多 尽管如此 中国思想和文化模式的基本格调 却保持着明显的 从未间断的自发性 这是中国 与世隔绝 的真正涵义 过去 中国和外界是有接触的 但是 这种接触从来没有多到足以影响它所特有文化以及科学的格调