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第4章 刘徽发明“重差术”

刘徽是我国三国时代的魏国人,可能是山东人。他曾从事度量衡考校工作,研究过天文历法,但主要是研究数学。

刘徽自幼就学习《九章算术》,对该书有独到的研究。他不迷信古人,对《九章算术》中许多问题的解法不满意,于公元263年完成了《九章算术注》,对《九章算术》的公式和定理给出了合乎逻辑的证明,对其中的重要概念给出了严格的定义,为我国古代数学建立了完备的理论。

刘徽创造了一种测量可望而不可即目标的方法,叫做“重差术”。重差术也叫“海岛算经”,附在《九章算术》之后,共有九个问题。

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,故曰重差也。”这段话的意思是,重差用于测不可到达物的距离。用两次测量之差,再利用相似比来进行计算。

“海岛算经”的第一个问题是“测海岛高及距离”,题目原文是:“今有望海岛,立两表齐高三丈,前后相去千步,令后表与前表参相直。从前表却行123步,人目著地取望岛峰,与表末参合。从后表却行127步,人目著地取望岛峰,亦与表末参合。问岛高及去表各几何。”按现代数学语言译出,就是:“为了求出海岛上的山峰AB的高度,在D和F处树立标杆DC和FE,标杆高都是3丈,两标杆相距1000步,AB、CD和EF在同一平面内。从标杆DC退后123步到G点,看到岛峰A和标杆顶端C在一条直线上;从标杆FE退后127步到H点,也看到岛峰A和标杆顶端E在一条直线上。求岛峰高AB及水平距离BD。”

为解此题,可令标杆高为h,两标杆的距离为d,第一次退a1,第二次退a2。又设岛高为x,BD为y。

按刘徽的作法是,作EL//AG交BH于L点。

∵△ELH∽△ACE,

△EHF∽△AEK,

∴ECHL=AEEH,AEEH=AKEF,

∴ECHL=AKEF。

已知EC=DF=d,HL=FH-FL=FH-DG=a2-a1,EF=h,可得

da2-a1=AKh,AK=da2-a1h

x=AK+h=da2-a1h+h

又∵△CDG∽△AKC,

∴KCDG=AKCD。

已知KC=y,DG=a1,AK=da2-a1h,CD=h,所以

ya1=da2-a1hh,

y=da2-a1a1。

在上面公式里da2-a1是两个差数之比,所以叫重差术,也有人说因为两次用到差a2-a1,所以叫重差。

刘徽也得到了上面的公式,其公式为:

岛高=表高×表间后表却行-前表却行+表高,

前表去岛之远近=前表却行×表间后表却行-前表却行。

其中“表”就是标杆,“却行”就是后退。

将“海岛算经”第一题的数据代入公式,可得x=1506步,y=30750步。

“海岛算经”本来不独立成书,是附在《九章算术》中“勾股”章后面的一个附录,主要讲用勾股定理进行测量的补充和发展。到公元7世纪唐朝初年,才从《九章算术》中抽出来成为一部独立著作。因为第一题是关于测量海岛的高和远,所以起名《海岛算经》。

现传本《海岛算经》的九个问题中,有三个问题需要观测两次;有四个问题要观测三次;还有两个问题要观测四次。所有的观测和计算,都是应用相似三角形对应边成比例进行的,虽然没有引入三角函数,但是利用线段之比,同样可得结果。

重差术是我国数学上的一个创造。

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