元代朱世杰在代数学方面的贡献1
李迪
摘 要:从5个方面讨论了元代朱世杰在代数学方面的贡献:推广和提出一些概念;把多元方程化为一元方程;对方程的表达;对高次方程的研究;对朱世杰工作的评论.认为朱世杰是一位真正的代数学家,他的工作使中国的代数学在当时达到了顶峰.
关键词: 朱世杰; 代数学史; 元代科技史; 数学史
中图分类号: O11 文献标识码: A
文章编号: 1001-8735(2000)02-0150-05
ZHU SHIJIE’S ACHIEVEMENTS IN ALGEBRA IN THE YUAN DYNASTY
LI Di
(Institute for the History of Science,Inner Mongolia Normal University,Huhhot 010022,China)
Abstract: As a famous mathematician in the Yuan dynasty,Zhu Shijie wrote two well-known works,Suanxue Qimeng(Enlightment of Mathematics) and Siyuan Yujian(The Jade Mirror for the Four Elements).In the paper,the author thinks that Zhu?s major achievments in algebra are:putting forward or generalizing some algebraic concepts;developing the method of deriving an equation with one unknown from a simultaneous equations with up to four unkowns;developing the denotive method of an equation;studying deeply on equations of high degree.The author comes to the conclusion that Zhu was a typical algebrist in the Yuan dynasty and his work climaxed the research in algebra of his time.
Key words: Zhu Shijie; history of algebra; history of science and technology in the Yuan dynasty; history of mathematics
代数学研究在中国数学史上一直较为发达,宋元时代达到高峰,其中最突出的代表人物是朱世杰.
朱世杰是元代前期的著名数学家,有《算学启蒙》三卷(1299)和《四元玉鉴》三卷(1303)两部数学著作流传至今.前者是一部内容较广的普及性著作,后者则是一部纯代数专著,他明确提出了一些代数概念和理论.过去人们对朱世杰的研究、介绍已有不少,但是尚未把他作为代数学家进行研究.本文从以下几个方面论述朱世杰在代数学领域的贡献.
1 推广和提出一些概念
朱世杰在前人的基础上,把三元术推广到四元术,他的著作中包括了由一个未知数到四个未知数的方程,就是“四元术”,分别用“天”、“地”、“人”、“物”4个字表示,相当于x,y,z,w.这是人们熟知的事实.“四元术”是中国数学史上元数最多的高次方程.
朱世杰把解方程叫“开”,如“五乘方开之”,即解一元6次方程.此种叫法是历史的延续,他全部都这样称呼,成为一个专用词.他把待解一元方程称为“开方式”.
朱世杰把要求出的方根叫“开数”或“开方数”,在多元情况下他指定某元为“开数”,如“立天元一为勾,地元一为股,人元一为开数”,这是3元方程,但要归结为人元的高次方程,求其根.
朱世杰把方程概念由高次推广到1次,叫“无隅平方”,即无2次项的2次方程.解1次方程叫“开无隅平方”或“无隅平方开之”,也立天元,和高次方程一样.如“又立天元一为勾股和,如积求之,得一千八百四十,为正实,八十为益方,开无隅平方除之,合问.”这就是1840-80x=0.由此有x=1840/80=23,为书上的答案.在《四元玉鉴》中,也有不用“无隅平方”,而用“上实下法而一”,同样立天元一.此前1次方程不立天元,朱世杰把1次方程和高次方程统一起来了.
2 把多元方程化为一元方程(消元)
朱世杰的另一贡献就是建立了一套把多元方程化为一元方程的方法.在《四元玉鉴》卷首“假令四草”中给出由二元、三元和四元化为一元的各一个具体例子,分别得2次、4次和2次方程.给出多元方程之后,直接进入消元过程,二元的叫“天地配合”,三元的叫“三才相配”,四元的叫“天地和会”,这时出现了一个多元方程,消元过程只说“××××求之”,便给出了所得一元方程.推想他可能认为作法和“假令四草”一样,没有必要重复给出.
根据“假令四草”所给出的例子,知消元法分为以下几步:
(1) 求出“今式”“云式”,如是三元还有“三元之式”,四元还有“物元之式”.一般情况下,三元的人元为开数,四元的物元为开数.设元之后,根据已知条件得到“今式”等.如“假令四草”的第三“三才运元”已知条件是(a+b+c)÷(c-b)=ab,(-a+b+c)÷(c-a)=a,a2+b2=c2.其中a,b,c为直角三角形三边之长,a2+b2=c2这个条件在叙述中没有明确提到,但是直角三角形自然存在这个关系,可以随时利用.“立天元一为勾(x),地元一为股(y),人元一为弦(为开数)”.“三才相配求得今式-x-y-z+xyz-xy2=0,求得云式x-y-z-x2+xz=0,求得三元之式x2+y2-z2=0”,式中的x,y,z在原文中为筹码,为方便起见改为现代形式(下同).
(2) “剔而消之,人(或物)易天位”,得“前式”和“后式”.仍用以上例,前得x3+x2-2x-x3z+x2z+xz+x2z2-2xz2=0,后得x4-2x3+2x2-2x3z+4x2z-2xz+x2z2-2xz2=0,由此可知“剔而消之”是把元y分离出来并消去,“人易天位”即把人元换到天元的位置.
(3) “互隐通分相消”,得“左行”和“右行”.以上例左得-xz2+3xz+7x+z3-7z-6=0,右得-2xz3+5xz2+11xz+13x+2z4-5z2-13z-14=0.
通过观察发现,左式的前3项和后式的前4项都含有因子x,这是有意做到这一步的.在用筹码书写时,左式和右式各为竖写两行,带因子x和不带因子x的各为一行,左右并列4行.即相当于f1(z)x+f2(z)=0和g1(z)x+g2(z)=0.
(4) 内二行得-2z6+11z5+10z4-43z3-14z2-157z-78,外二行得-2z6-11z5+14z4-17z3-130z2-133z-98,这是相乘所得,同时各约去公因子x,即f2(z)。g1(z)和f1(z)。g2(z).
(5) f2(z)。g1(z)-f1(z)。g2(z)=0再约去公因数4,得z4-6z3+4z2+6z-5=0,即得到只含人元z的4次方程.
在上述5个步骤中,朱世杰的叙述虽很简略,但很清晰,只是过渡环节需要认真研究.
3 对方程的表达
高次方程可分为两种情形,一为多元,一为一元.多元的表达式,人们多有介绍[1],不再赘述.对于一元高次方程,在上举例子中已出现,如步骤(5)最后所得z4-6z3+4z2+6z-5=0,如果用朱世杰自己所用的筹式就是图1所示之形式.
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