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第21章 第二節解勾股形

中國古代數學 郭书春 1418 2018-03-20
《九章》勾股章提出了若干已知勾股形三邊中二者的和差等因素,求其邊長的例題。趙爽、劉徽、賈憲先後作了進一步的發展,提出了一般性的公式及其證明。 國內外流行的印度蓮花問題實際上是《九章》“引葭赴岸”題的改寫。此題是:有一水池,方1丈,一株葭〔jia佳,初生的蘆葦〕生在中央,高出水面1尺,引葭赴岸,恰恰與岸邊相齊。問水深、葭長各多少?如圖15,劉徽指出,水池邊長的一半為勾a,水深為股b,葭長為弦c,葭高於水面者是弦股差cb,這是已知勾與弦股差,求股、弦的問題: b=[a-(cb)]/[2(cb)], c=(cb)+b。

圖15 引葭赴岸

圖16 竹高折地
1989年語文高考試卷有一古文今譯題便採自《九章》勾股章“竹高折地”問:今有一株竹高1丈,被折斷,末梢抵地,抵地處距竹根3尺,問剩餘高多少?如圖16,劉徽指出,抵地處至竹根距離是勾a,剩餘的高是股b,折斷部分是弦c,則竹高就是股弦和c+b,此是已知勾與股弦和,求股的問題:b=[(c+b)-a]/[2(c+b)]。

這兩類題目互相返覆,劉徽以出入相補原理證明之。 有一門戶,高比寬多6尺8寸,兩角相距1丈。問此門戶高、寬各多少?劉徽認為,將戶寬作為勾a,高為股b,兩角相距為弦c,那麼這是一個已知弦c與股勾差ba,求勾、股的問題。 《九章》的解法經劉徽改寫成
劉徽的出入相補證明方法是:以勾股和b+a為邊長作正方形,稱為大方,面積(a+b);在其內部作一中方,其頂點在大方每邊a、b的分點上,其邊長自然為c,面積c;在中方內部作四個以a、b、c為邊長的勾股形,每一個面積為1/2ab,稱為朱冪。中方除去四個勾股形,餘一個以ba為邊長的正方形,稱為黃方,面積為(ba),如圖17,大方有八個朱冪,一個黃冪,中方有四個朱冪,一個黃冪,因此,中方減去半個黃冪等於半個大方:1/2(b+a)=c-1/2(ba),1/4(b+a)=1/2[c-1/2(ba)],於是


圖17 已知弦與股勾差求勾股的證明
有一門戶不知高、寬,有人持一竹竿,不知長短,橫著出門,長了4尺,豎著出門,長了2尺,斜著恰好能出門。問門的高、寬、斜各多少?劉徽把門戶的高、寬、斜分別作為勾、股、弦,此題是已知弦勾差ca、弦股差cb,求勾、股、弦的問題。 《九章》給出的公式是:

圖18 已知弦勾差弦股差求勾股弦的證明
為了證明這些公式,劉徽首先指出了在弦冪中勾冪與股冪的相互位置,或矩於表,或方於里:若股冪為方形,則勾冪作為勾矩居於股方之表,如圖18(1);反之亦然,如圖18(2)。劉徽將其中一個圖形旋轉180°,與另一個重合,則成為圖18(3)的情形。勾矩cb與股矩ca的面積之和應為弦冪c。在圖中,這兩者在兩角重合於兩個以cb為寬、ca為長的長方形,其面積為2(ca)(cb)。而弦冪中卻有一個以a+bc為邊長的小黃方未被勾矩與股矩填滿。顯然,小黃方的面積(a+bc)應等於2(ca)(cb),開方由

a=(a+bc)+(cb), b=(a+bc)+(ca), c=(a+bc)+(cb)+(ca) 便證明了上述三式。 北宋賈憲把《九章》解勾股形的四個類型的方法抽象成一般性公式。楊輝又進而總結出a、b、c、c±a、c±b、b±a、a+b±c、c±(ba)13種關係及變成ba、cb、a+bc的段數,稱作“勾股生變十三名圖”。這13種關係包括了勾股形中勾、股、弦及其和、差的全部可能的關係,對勾股理論起著提綱挈領的作用。
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