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第31章 第七章高次方程數值解法

中國古代數學 郭书春 1243 2018-03-20
《周髀》載陳子應用勾股定理測望太陽距離時要開平方,但無開方程序。 《九章》少廣章提出了世界上最早的開平方的完整抽象程序。劉徽認為,開平方的幾何意義是已知一正方形面積求其邊長。 《九章》按四行布算,最上行準備放議得(即根),下面一行佈置被開方數,稱為實,第三行是法,最下一行是藉一算,與實的個位相齊,這相當於x=A,如(1)。將藉算自右向左隔一位移一步,至不能移為止。根的位數比移的步數多1,實是個位、十位數,借一算根是一位數,實是三位、四位數,借算移一步,根是二位數,依此類推,如(2)。議所得(根的第一位)a,以a乘借算10得10a,為法,應使A÷10a得到a後餘數小於10a。劉徽認為這一步是以a乘法10a減A,即A-10a<10a,如(3)。其幾何意義是從面積為A的正方形中減去以10a為邊長的正方形黃甲,如圖27。

再求第二位得數。撤去借算,將法10a加倍,為定法,如(4)。劉徽認為其幾何意義是與黃甲相連的兩朱冪的長10a,此朱冪的寬是第二位得數。將定法向右退一位,為2·10a,再在下行個位上佈置借一算,自右向左隔一位移一步,顯然只有n-1步,即10。求根的第二位得數相當於求減根方程10x+2·10ax=Aa的正根,如(5)。議得a,以a乘借算10,加定法,得2·10a+a,使得(A-10a)÷(2·10a+a)的商是a,而其餘數小於(2·10a+a)a。劉徽認為這一步相當於求出餘實(A-10a)-(2·10a+10a)a,如(6)。其幾何意義是從正方形餘下部分中減去兩朱冪及以10a為邊長的小正方形黃乙。若餘實仍不為零,則繼續開方。顯然,這種方法對任何自然數的開方都是適用的。 《九章》的例題中被開方數有的高達10位,如


圖27 開平方術示意
如果分母不可開(無理數),則以分母乘實,開方之後,除以分母: 《九章》少廣章說:“若開之不盡者為不可開,當以面命之。”這裡“不可開”大體相當於無理數。 《九章》之後,對開方不盡的情形,有人以a+(Aa)/(2a+1)表示√A的近似值,劉徽指出,這個值太小,應有不等式a+(Aa)/(2a+1)<√A<a+(Aa)/2a。劉徽又提出,為得到√A的精確近似值,求出整數部分之後,應繼續開方,“求其微數”,以十進分數逼近√A。他說:“退之彌下,其分彌細,則朱冪雖有所棄之數,不足言之也。”《九章算術·少廣章註》)劉徽的思想不僅開十進小數之先河,而且是保證我國圓周率計算在世界上領先千餘年的先決條件,此是後話。

《孫子算經》、《張丘建算經》未提出抽象的開方程序,但從題目的開方細草中可以看出,它們在求得根的一位得數後,不再撤去借算,而是保留借算,改稱下法,退二位求減根方程。它們還吸取了劉徽的改進。北宋賈憲提出立成釋鎖法,繼承了以往開方法的長處並加以改進,與現今方法無異。 一次項係數不為零的開方稱為帶從開方。 《九章》勾股章有需開帶從平方的例題(見第五節),而未有開方程序。但是,上述開方程序中從求第二位得數起,便是開帶從方。
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