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数学家传记

秦九韶Qin Jiushao

出生
1202年 中国四川省普州(安岳)
逝世
1261年 中国广东省梅州(今梅县)

秦九韶是一位中国数学家,撰写了关于方程的重要研究《数书九章》,其中包括中国剩余定理。

完整传记

秦九韶,又名秦秦九韶,生于南宋时期。他的祖先来自山东省鲁郡,一些传记错误地将此引为他的出生地。他的父亲秦九韶九韶(或秦九韶)是一名毕业生,在地方行政中担任官员。大约在1219年,当秦九韶大约十七岁时,他的父亲正担任巴州知州。此时秦九韶自愿参军,参与平定叛乱,并服役了一段时间。秦九韶的父亲大约在1224年搬到南宋都城杭州,秦九韶随父前往。他在其著名著作Shushu Jiuzhang的序言中写道(例如见[3]):-

我年轻时住在京城,因此能够在太史局学习;后来,一位隐士学者教我数学。

我们知道秦九韶是一个叛逆的青年,以众多风流韵事闻名,不喜欢权威[1]:-

在他父亲举行的宴会上,一块石头突然落在宾客中间,引起了一阵骚动;调查显示,这枚投掷物来自秦九韶的方向,他正在向一个年轻女孩展示如何用弓作为投石索来投掷弹丸。

事实上,秦九韶并没有在都城杭州住很久,因为1226年他的父亲被派往四川的铜川(今三台),秦九韶也随他去了那里。遗憾的是,我们不知道是哪位隐士学者教了秦九韶数学,但我们确实知道他学习了九章算术。到1233年,秦九韶自己已是四川省一个县的知县,此时他师从成都(四川中部)的一位官员学习写诗。值得一提的是,秦九韶不仅是数学天才和诗歌能手,还精通击剑、射箭、骑马、音乐和建筑。然而,他的性格还有另一面。一位同时代人在给皇帝的信中形容他为[1]:-

……像虎狼一样凶猛,像毒蛇或蝎子一样恶毒。

他好斗的天性无疑适合军旅生活,在四川省服役期间他成为了一名指挥官兼防御者。蒙古首领成吉思汗于1227年去世,但蒙古人于1230年恢复了对南宋的进攻。他们的军队于1234年入侵四川省,秦九韶被迫离开。他在Shushu Jiuzhang的序言中写道(例如见[3]):-

在与蛮夷的动乱时期,我在遥远的边境度过了数年,在箭矢和石弹中不顾自身安危,忍受了十年的危险和不幸。

然而,我们不必为秦九韶感到太难过,因为他是个不诚实的恶棍,随时准备毒害他不喜欢的人。他在湖北省蕲州(今蕲春)担任行政官员,但他在那里的行为如此恶劣,以至于引发了一场军事叛乱。然后他被任命为安徽省徽州(今歙县)的知州,但在这里他从事非法的盐业交易,从而致富。接着他搬到浙江省吴兴,在那里安顿下来,挥霍他非法获得的财富。1244年中,他被派往南京担任高级行政官员。担任此职三个月后,他的母亲于1244年9月去世,秦九韶离开南京的职位守丧,回到他母亲一直居住的安徽省徽州。在徽州守丧期间,秦九韶写下了他著名的数学论著Shushu JiuzhangMathematical Treatise in Nine Sections),该书于1247年问世。这是一部非凡的著作,促使George Sarton写道,秦九韶是(见[1]或[3],其中引用了这句话):-

……他所属民族、他那个时代,乃至所有时代最伟大的数学家之一。

在我们考察Shushu Jiuzhang的内容之前,继续描述秦九韶的生平。1254年,他在京城杭州再次担任文官职务,但几个月后便辞职。1259年,他被任命为海南琼州知州,上任百日后因贪污和剥削被免职,再次非法获取巨额财富后返回家乡。鉴于其犯罪交易的记录,人们或许会认为此时秦九韶已无法被任用,但他随后设法在浙江鄞县(靠近宁波)获得了一个助理职位,他的朋友吴潜已被任命为那里的海军军官。或许吴潜和他的朋友秦九韶一样腐败,因为他被从鄞县免职,而在1260年,秦九韶也被派往广东省梅州(今梅县),并在那里去世。

我们已经看到,秦九韶是一个极不守原则的人,但他也是一位几乎无人能及的数学天才。在考察他的数学成就之前,让我们再讲述一些关于他品行的故事。据记载,秦九韶欺骗了他的朋友吴潜,从而占有了后者的一些土地;还有记载说,秦九韶惩罚了家中的一名女性成员,将她关起来不给食物。

Shushu Jiuzhang (Mathematical Treatise in Nine Sections)在一定程度上是以九章算术为蓝本的,尽管秦九韶的论著要精深得多。第1章讲的是不定分析;其中包含了关于中国剩余定理的卓越工作,这出现在全书的一开始。我们在下面讨论它。第2章称为Heavenly phenomena,处理历法问题以及关于雨或雪的问题。例如,有一个问题问的是:已知雨水在一个上口为直径aa的圆、底面为直径bb的圆、且a>ba > b的容器中达到某一高度hh,求雨水在平地上会积聚到的高度。第3章称为Boundaries of fields,考察测量术。这一章给出了一个卓越的公式,它把一个图形的面积表示为一个四次方程的根。这里的新颖之处在于,系数不是数,而是图形中一些未加指定的长度的函数。这一章的另一个新颖之处是给出了用三角形三边表示其面积的公式,本质上就是海伦公式。

第四章名为Telemetry,探讨涉及测量到不可达点距离的问题。再次出现了高次方程,其中一个问题涉及求解十次方程。问题如下:-

给定一个未知直径的圆形城墙城市,有四座城门,分别位于四个基本方位。一棵树位于北门以北三里处。如果从南门出发立即向东走九里,树恰好进入视野。求城墙的周长和直径。

秦九韶得到方程(实际上是关于x2x^{2}的五次方程,其中x2x^{2}是城市的直径):-

x10+15x8+72x6864x411664x234992=0x^{10} + 15x^{8} + 72x^{6} - 864x^{4} - 11664x^{2} - 34992 = 0

[解:x=3x = 3,所以城市直径为x2=9x^{2}= 9里]

在第五章至第九章中,分别命名为Taxes, Money and grain, Fortifications and buildings, Military affairsCommercial affairs,问题需要更标准的数学方法,秦九韶没有引入进一步的创新。在整个文本中,除了上述十次方程外,秦九韶还将某些问题的解归结为三次或四次方程,他用标准中国方法(即今天所谓的保罗·鲁菲尼-威廉·乔治·霍纳方法)求解。例如以下两个方程

4608x33000000000×30×800=04608x^{3} - 3000000000\times 30\times 800 = 0

[答案:x=2500x = 2500]

x4+1534464x2526727577600=0-x^{4} + 1534464x^{2} - 526727577600 = 0

[答案:x=720x = 720。注意解x=1008x = 1008未给出]

秦九韶也解线性联立方程组,特别是该方程组

140x+88y+15z=58800792x+566y+815z=39200064x+30y+75z=29400140x +  88y +  15z = 58800\newline792x + 566y + 815z = 392000\newline 64x +  30y +  75z = 29400

被解出。
[答案:x=300,y=180,z=64x = 300, y = 180, z = 64]

文本的另一个显著特点是秦九韶用0表示零,因此他不仅使用了一个表示零的符号,而且这个符号是一个小圆圈。他写到以前对零的使用:-

……在所有古书中我们都发现空位。

正如我们已经提到的,文本中最引人注目的方法是求解联立整数同余式的方法,即中国剩余定理。秦九韶考虑了以下类型的问题

xrk(modmk),k=1,2,...,nx ≡ r_{k} (\mod m_{k}), k = 1, 2, ..., n

今天,我们开始处理这类问题时假设mkm_{k}是整数。然而,秦九韶乐于研究所涉数字为有理的的问题。因此,他的第一步是将问题转化为mm为整数的情形。

尽管自孙子的工作以来800年间,中国在这类问题上没有进展的证据,但秦九韶现在展示了如何处理mkm_{k}不两两互素的情形。因此,他的下一步是对mkm_{k}进行多轮处理,以某种方式进行替换,使得最终新的模数两两互素,但原问题的解在替换后保持不变。然后他求解每个同余式,最后将答案重新组合,给出联立同余式组的解。沈在[15]中全面讨论了秦九韶的求解方法;另见[3]和[4]。Libbrecht写道[2]:-

我们不应低估[秦九韶]的革命性进步,因为从[孙子]的单个余数问题,我们一下子来到了求解余数问题的一般程序,甚至比卡尔·弗里德里希·高斯的方法更先进,而且没有丝毫逐渐演变的迹象。

这是一项如此杰出的工作,以至于我们不禁要问秦九韶是如何做到的。我们确实知道秦九韶是个乐于偷窃的无赖,那么他可能偷了他的数学吗?当然,如果他偷了,那他是从谁那里偷的呢?这似乎不太可能,因为它引发的问题比解决的还多。一些历史学家怀疑秦九韶是否真的能解决如此深刻的问题,暗示他可能是从答案倒推出来的。这一暗示似乎没有什么说服力,因为这些问题不容易反向推导,而且无论如何,秦九韶确实看起来知道自己在做什么。也许他是通过印度处理这类问题的方法学到了这个方法。尽管秦九韶使用符号0暗示了可能的印度知识,但印度处理这类同余问题的方法足够不同,使得这种可能性极小。人们只能得出结论,接受秦九韶是有史以来最伟大的数学天才之一。

有趣的是,尽管秦九韶性格如此,他并没有将这个杰出的方法据为己有。他说他是在杭州天文局学习时从历法专家那里学到的。然而,他指出这些历法专家使用这个规则却不理解它。这其中必定有道理,因为毫无疑问,计算历法是研究一阶同余理论的重要动机。不过,看来秦九韶必定将这些思想推进得更远,并在他的数学工作中表现出一种谦逊,这在他生活的其他方面肯定是缺乏的。

这项工作有多令人印象深刻?好吧,只需说莱昂哈德·欧拉未能为这些问题提供令人满意的解,而重新发现这种求解同余式组的方法则留给了卡尔·弗里德里希·高斯昂利·勒贝格汤姆斯·斯蒂尔吉斯

参考文献

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