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從單表到雙表——重差術的方法論研究 (第 6 頁)

李國偉

 


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.原載於《中國科技史論文集》,聯經,台北,1995,pp.85-105
.作者任職於中央研究院數學研究所

註釋
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斜面重差

單表度日所依賴經驗性寸影千里假設被雙表景差取代後,所得的重差公式雖然在幾何學上是正確的,但是如果水平大地的假設有問題,譬如說大地有絕對的傾斜度,則類似圖三所示的情形一旦發生,重差公式就得不出正確的日下距離。根據《周髀算經》卷下的宇宙模型看來,不得不考慮傾斜面上的重差術。唐朝李淳風在陳子答榮方那段話之後的按語中說:「以理推之,法云天之處心高於外衡六萬里者,此乃語與術違。勾六尺,股八尺,弦十尺,角隅正方自然之數。蓋依繩水之定,施之於表矩。然則天無別體,用日以為高下。術既隨平而遷,高下從何而出。語術相違,是為大失。」李淳風因此將重差術加以變化,他說:「然地有高下,表望不同,後六術乃窮其實。」特別是前四術:前下術,後下術,邪下術,邪上術都是針對斜面大地所設計的。以往研究重差術的論文幾乎都沒有注意李淳風的這些成果。最近傅大為在〈論《周髀》研究傳統的歷史發展與轉折〉註12 一文中,有相當精闢的論述,此地不再重複他對前下術、後下術的說明。但在討論邪下術,邪上術時他引用了一般平行四邊形的性質,並且把「勾中容橫,股中容直,二積皆同」的原則擴充到平行四邊形。這種說法似乎脫離了當時幾何學知識的背景,因此我們特以邪下術為例,重新加以推演。

「第三,邪下術。依其北高之率,高其勾影,令與地勢隆殺相似,餘同平法。假令髀邪下而南,其邪亦同,不須別望。但弦短與勾股不得相應。其南里數亦隨地勢,不得校平,平則促。若用此術,但得南望。若北望者,即用勾影南下之術,當北高之地。」



圖七

在圖七中假想地面 (LK) 與絕對水平面 (LO) 間有一個傾斜角存在,而等長的兩表 DFHJ 是垂直於 LO 。如果 A 代表太陽,則現在表間是 FJ 。高其勾影到傾斜的地面後,景差是 JK - FG 。既然餘同平法,套用重差的公式,便應該有


\begin{eqnarray*}
AC & = & \frac{(FJ \times DF) }{ (JK - FG) } + DF \; , \\
CF & = & \frac{(FJ \times FG) }{ (JK - FG) } \; .
\end{eqnarray*}


我們可以證明這兩個式子確實是對的,並且我們用的方法應該不超過不失本率原則的範圍,如此才比較像是李淳風知識背景中能力所及的事。

首先我們分別由 ADH 向地面 LK 作重線,交於 BEI 三點。我們要證明 DE = HI。我們可以把勾股形 $\triangle DEF$$\triangle HIJ$ 翻轉到下方的勾股形中,也就是使 $\triangle D'E'F$$\triangle DEF$ 全等, $\triangle H'I'J$$\triangle HIJ$ 全等。適當的利用不失本率原則,可得下列各式:

\begin{displaymath}
\frac{DE}{DF} = \frac{D'E'}{D'F} = \frac{LN}{LF} = \frac{LO}{LJ}
= \frac{H'I'}{H'J} = \frac{HI}{HJ}
\end{displaymath}

因為 DF = HJ ,故 DE = HI。我們把 DEHI 看作垂直地面的等長兩表,利用標準的重差公式便有

\begin{displaymath}
AB = \frac{(EI \times DE) }{ (IK - EG) } + DE
\end{displaymath}

所以

\begin{displaymath}
\frac{AB}{DE} = \frac{EI}{ (IK-EG) } + 1 = \frac{FJ}{ (JK-FG) } + 1
\end{displaymath}

假如我們把勾股形 $\triangle LCM$ 翻轉到勾股形 $\triangle ACB$ 中,從不失本率原則可看出:

\begin{displaymath}
\frac{AB}{AC} = \frac{LM}{LC}
\end{displaymath}

但是

\begin{displaymath}
\frac{LM}{LC} = \frac{LN}{LF} = \frac{D'E'}{D'F} = \frac{DE}{DF}
\end{displaymath}

與前式合併可導出

\begin{displaymath}
\frac{AB}{DE} = \frac{AC}{DF}
\end{displaymath}

於是

\begin{displaymath}
\frac{AC}{DF} = \frac{FJ}{(JK - FG)} + 1
\end{displaymath}

即所求斜面日高公式

\begin{displaymath}
AC = \frac{ (FJ \times DF) }{ (JK - FG) } + DF
\end{displaymath}

要證明日遠公式,先由 GAMDN 下垂直線,交於 PQ 兩點。用標準的重差日遠公式,可有

\begin{displaymath}
\frac{BE}{EG} = \frac{EI}{ (IK-EG) } = \frac{FJ}{ (JK-FG) }
\end{displaymath}

所以我們只要證明 BE / EG = CF / FG,就得證斜面日遠公式。適當利用不失本率原則,可有

\begin{displaymath}
\frac{BE}{EG} + 1 = \frac{BG}{EG} = \frac{AG}{DG} = \frac{PG}{QG}
= \frac{CG}{FG} = \frac{CF}{FG} + 1
\end{displaymath}

便得證所求等式。

劉徽變單表為雙表,使得重差術脫離寸影千里的經驗假設,在方法論的基礎上更形完備。而李淳風能把地面傾斜的因素納入重差術,相當程度弱化了平面大地的假設。在這兩類非幾何學假設被取代或弱化後,重差術似乎成了量天度日的最佳工具。

   

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編輯:李文威 最後修改日期:3/27/2004