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数学家传记

郭守敬Guo Shoujing

出生
1231年 中国河北省邢台
逝世
1316年 中国

郭守敬是一位中国天文学家,他研究球面三角学和历法。

完整传记

郭守敬也被称为郭守敬。我们不知道他父母的名字,但他的祖父显然比他的父母更有名,是郭守敬荣,以从古典研究到数学和水力学等广泛领域的专家而闻名。人们只能猜测,郭守敬小时候可能受到祖父的影响,对建造水钟产生了兴趣。我们知道,郭守敬在14岁时确实建造了这样一座钟。他设计了一种莲花漏,即一种顶部有一个莲花形碗、水从中滴入的水钟。到十六岁时,郭守敬正在学习数学。

在我们继续描述郭守敬一生中的事件之前,我们应该简要看看当时的政治局势,因为那是一个动荡不安、战争频仍的时代。成吉思汗死后,他的一个儿子窝阔台于1229年成为大汗。他扩张了蒙古帝国,派遣军队完成了对女真人的征服。到1234年,蒙古人已经完成了对女真帝国的摧毁,并将注意力转向南方。这就是郭守敬成长的中国北方当时的局势。到二十岁时,郭守敬已作为一名水利工程师工作。1251年,作为一名政府官员,他参与了一个修复大活泉河上一座旧桥的项目。这条河位于郭守敬的家乡省份河北,他翻修的这座桥在忻州镇以北不远处。

忽必烈,蒙古领袖成吉思汗的孙子,在1250年代后期开始领导蒙古人进一步推进。1260年5月5日,忽必烈在上都的住所被推举为大汗,并开始组织国家。张文谦是郭守敬的朋友,和他一样也是中央政府官员,1260年被忽必烈汗派往大名,因为据报当地民众发生了动乱。郭守敬陪同张文谦执行这一使命。郭守敬不仅对工程感兴趣,而且还是一位专业天文学家。特别是,他是一位技艺娴熟的仪器制造者,并明白良好的天文观测依赖于制作精良的仪器。他现在开始建造天文仪器,包括用于精确计时的水钟和代表天球的浑仪。

张文谦向忽必烈汗建议,他的朋友郭守敬是水利工程方面的顶尖专家。忽必烈知道水管理对于灌溉、粮食运输和防洪的重要性,于是请郭守敬考察大都(今北京)与黄河之间地区的这些方面。为了给大都提供新的水源,郭守敬在神山找到了白浮泉,并修建了一条30公里长的渠道,将水引到大都。他提议跨不同流域连接供水,修建带有许多水闸以控制水位的新运河,并在他能够进行的改进方面取得了巨大成功。这使忽必烈汗很高兴,并导致郭守敬被要求在全国其他地区开展类似项目。1264年,他被派往甘肃省,修复蒙古人推进该地区期间多年战争对灌溉系统造成的破坏。郭守敬与他的朋友张文谦一起广泛旅行,记录需要完成的工作,以疏通系统受损部分并提高其效率。他直接将报告呈送给忽必烈汗。

蒙古人的推进在忽必烈汗的领导下继续进行,1276年他攻占了今天称为杭州的城市,位于上海以南。多年来,历法改革的需要已被认识到,但忽必烈汗看到了此时引入新历法的政治好处,以强调新政权如何取代旧政权。当被征求建议时,郭守敬解释说:-

... 基本方法是在天文变化的领域进行观测和测试。

郭守敬与王宪钟询一起,被要求设立一个特别局,进行必要的研究并为新历法提出建议。准确的历法取决于用来支持它的天文数据的质量,而郭守敬的第一步是建造十七件新的天文仪器,以便收集准确的数据。在这十七件仪器中,有十三件将安装在忽必烈首都大都(今称北京)的一座天文台中,而另外四件是可携带的仪器,可以从不同地点进行观测。

让我们简要描述郭守敬在建造这样一件仪器时所做的改进。最简单的天文仪器是圭表,不过是一根竖立的杆子,测量其影子的长度。一天中影子的最小长度在夏季比冬季短,在至点时它从变长变为变短,或反之。为了更容易确定这些点,郭守敬在圭表顶部固定了一根横杆,并利用针孔相机的原理将其影子投射到测量刻度上。

忽必烈汗于1279年在北京建立了一座天文台。该年三月开始建造,按照郭守敬提出的设计,工程在两个月内完成。郭守敬的朋友张文谦被任命为台长,郭守敬与他的同事王宪钟询是两位共同台长。理解从仪器收集的数据需要球面三角学的知识,郭守敬设计了一些非凡的公式。我们下面看看他在进行新历法项目时引入的巧妙数学。

这项工作在1280年完成,郭守敬计算出的年长准确到26秒以内,次年忽必烈汗引入了这部极其准确的历法。它使用了364年。张文谦于1283年去世,郭守敬被提升为北京天文台的台长。1292年,除了天文台台长的职务外,他还被任命为都水监的负责人。他现在承担了设计运河系统以连接首都与其他主要城镇的重大项目。他一如既往地取得了成功,甚至在忽必烈汗去世后,尽管郭守敬此时已是一位老人,忽必烈的继任者仍继续征求他的建议。

我们现在应当看看郭守敬在球面三角学和求解方程方面所做的相当卓越的工作。他为三角形给出了若干公式,其中两边是直线,第三边是圆弧。这些公式是近似公式,但郭守敬对此十分清楚。在某种意义上,中国人并不认为近似很重要,他们从未像古希腊人那样痴迷于“化圆为方”这类问题,因为中国人的方法更实用,而且从来不是公理化的。
插图:Guo_Shoujing.gif ↗
图中dd是圆的直径,aa是弧ABAB的长度,xxNBNB的长度,郭守敬想要计算的就是它。他给出了近似公式

x4+(d22ad)x2d3x+a2d2=0x^{4} + (d^{2} - 2ad)x^{2} - d^{3}x + a^{2}d^{2} = 0

为了求解这个方程,郭守敬使用了一种类似于威廉·乔治·霍纳方法的数值方法。该方程有两个实根,较小的那个是问题的解,而另一个在数值上大于弧长,被郭守敬正确地舍弃了。

与这项工作相关有一个引人入胜的事实,值得探究。方程的两个系数,即常数项和x2x^{2}的系数,都涉及弧长aa,因此需要为π选取一个值。郭守敬取π = 3,乍看之下这似乎很奇怪,因为在郭守敬进行计算的年代,中国已经知道精确得多的值。例如,已知227\large\frac{22}{7}\normalsize更精确,而由祖冲之给出的355113\large\frac{355}{113}\normalsize则已知更加精确。郭守敬为什么选择π = 3?令人惊讶的是,这给出的答案比更精确的π值还要好,因为要记住这个公式本身也是基于近似的。人们不得不相信,郭守敬选择π = 3,是因为他知道,他由此针对OO处不同大小的角所求得的答案,更接近他通过直接测量得到的值。

下面是一个来自计算机代数系统的计算,用以说明这一点。这些值是对半径为100的圆、按递增到90°的角计算出来的。第一列是使用郭守敬的公式并取π的精确现代近似值所得的xx的值,第二列是取π = 3时该公式给出的结果,而第三列是用三角学(实际上是余弦)计算出的正确答案。

Guo's formula    Guo's formula    Correct 
formula with     formula with     answer  
correct π        π = 3 

  1.2401831       1.1304311       1.2311659
  5.0213452       4.5732560       4.8943483
 11.4521976      10.4253695      10.8993475
 20.5459874      18.7159078      19.0983005
 32.0790854      29.2893218      29.2893218
 45.5479024      41.7514260      41.2214747
 60.2936574      55.5434416      54.6009500
 75.7085631      70.1045733      69.0983006
 91.3723645      85.0063893      84.3565534
107.0799476     100.0000000     100.0000000

郭守敬在历法计算中还使用了其他巧妙的数学技巧。他会在数据点之间插值,并且使用三次插值公式来做这件事。需要插值的原因是,太阳在一年中相对于恒星的运动是不规则的。这是中国天文学家在六世纪发现的。郭守敬考察了累积差,即太阳一天内移动的度数与假定运动恒定时预期移动的度数之差。然后他像艾萨克·牛顿的前向差分插值法那样,列出了累积差的一阶、二阶和三阶差分。

参考文献

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