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初探「重差」的內在理路 (第 4 頁)

李國偉

 

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.原載於科學月刊第十六卷第二期
.作者當時任職於中央研究院數學所

註釋
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與戴奧番塔斯的對比

《海島算經》的第一題其實與洛陽測日是完全相同的題目:

「今有望海島,立兩表齊高三丈,前後相去千步。今後表與前表參相直, 從前表卻行一百二十三步,人目著地,取望島峰,與表末參合。從後表卻行一百二十七步,人目著地,取望島峰,亦與表末參合。問島高及去表各幾何?

答曰:島高四里五十五步,去表一百二里一百五十步。

術曰:以表高乘表間為實,相多為法除之,所得加表高,即得島高。求前表去島遠近者,以前表卻行乘表間為實,相多為法除之,得島去表里數。」

「術曰」中所謂「相多」即為測日時的景差。

值得注意的是,如果把原題中的實際數值:三丈、千步、一百二十三步、一百二十七步, 改換為符號 xyzw,則「術曰」的解法並不受那些實際數值的限制,而完全是一個一般性的解法。用現代符號寫出就是

\begin{displaymath}
\mbox{{\fontfamily{cwM4}\fontseries{m}\selectfont \char 191}...
...cwM4}\fontseries{m}\selectfont \char 191}}=\frac{zy}{w-z} \, .
\end{displaymath}

因此這種「術」反映了作者對問題的掌握,已經超出了經驗的、零散的計算方法, 而有了更高層次原理性的認識,這種認識不通過相當的論理過程應該是無法達成的。 為了讓讀者體認這一點的意義,我們用西算史上的一個實例來作為對比。

與劉徽同時代,約西元250年左右活躍於亞歷山大城的戴奧番塔斯(Diophantus), 在他著名的《算術》一書的第四冊第一題寫道 註9

「1.試求兩立方數其和為平方數。

x 為較小立方體的邊,其立方為 x3。令較大立方體的邊為 x 的任意倍數,譬如 2x,則大立方為 8x3。兩者的和為 9x3,必須為一平方。 令該方形的邊長為任意喜好的 x 倍數,譬如 6x,於是平方為 36x2。 因此 9x3 等於 36x2。因為等式中包含 x2 的一邊次數較低, 因此用 x2 除全體。9x3x2 除得 9x36x2x2 除得 36, 於是 9x 等於36,而 x 等於 4。因為已設小立方邊為 x,故該邊為 4,而立方為64。因為已設大立方邊為 2x,故該邊為 8,大立方為512。兩立方和為576,這是24的平方。」

本題是純粹數學的問題,並且已引用了符號表示未知數,在形式上比劉徽進步, 但是運算過程的深度究竟如何呢?首先按照題意只需找出一對特別的數,其立方和為平方數, 原不必有一個一般的求法。其寶只要稍微嘗試一下,便知 13+23=32。 可見戴奧番塔斯的目的還在於展示他的一般解法。以現代符號來寫他的方法如下:

\begin{displaymath}
b^3 + a^3 = \Box
\end{displaymath}

a=xb=mx,於是

\begin{displaymath}
(m^3 + 1) x^3 = \Box
\end{displaymath}

$\Box=(nx)^2$,則 (m3 + 1) x3 = n2 x2,於是

\begin{displaymath}
x = \frac{n^2}{m^3 + 1}
\end{displaymath}

若選 m=2n=6,便得所求

\begin{displaymath}
a^3 = x^3 = 64 \; , \; b^3 = 8^3 = 512 \;,\; \Box = 576 = 24^2
\end{displaymath}

他的解法其實不是一個通解, 必須 m3+1 能整除 n2 時方為有效。因此雖然他在解題中說任選為 x 的倍數, 但其實是有限制的。他能解出所求,實在與選了2與6倍完全有關。而不像劉徽的解法, 是與特別的表高、卻表等等數值無關的。而且戴奧番塔斯好像沒有意識到這些限制的存在。 相較之下可看出,劉徽解法的背後似乎有一條更為成熟精緻的論理理路。

   

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編輯:石莉君 / 校對:康明軒 / 繪圖:簡立欣 最後修改日期:2/17/2002