杨辉经典例题赏析

在南宋数学家杨辉的《田亩比类乘除算法》有一道题“直田积八百六十四,只云阔不及长一十二步,问长与阔各几步?

在答题之前先介绍一下杨辉。

杨辉共撰5部数学著作,分别是《详解九章算术算法》、《日用算法》、《乘除通变本末》、《田亩比类乘除捷法》和《续古摘奇算法》。传世的有4部,居元以前数学家之冠。

金元四大数学家——秦九韶、李治、杨辉和朱世杰都对算法有不同程度的研究,其中最有代表性的是杨辉。杨辉于1274年至1275年先后完成了《续古摘奇算法》、《乘除通变本末》、《田亩比类乘除捷法》三本书。由于这三本书影响巨大,后人便统称之为《杨辉算法》。

《杨辉算法》以其杰出成就,在数学史上奠定了不可动摇的地位。因为这部书,后世的不少数学家把杨辉称为“中国数学的鼻祖”。

第一,《杨辉算法》极大地丰富了我国古代数学宝库,为我国数学科学的发展做出了卓越贡献。

第二,《杨辉算法》在很大程度上加快了运算工具改革的步伐。随着《乘除通变本末》中“筹算歌诀”的推广,人们的运算速度大大加快,后来人们发觉摆弄算筹居然比不上口诀。在这种背景下,算盘应运而生;元朝末年,算盘终于“飞”到寻常百姓家。

第三,《杨辉算法》为后世学者了解宋末元初的社会面貌提供了重要的资料。这部书所反映的南宋社会经济现象,内容丰富,其中包括山田的几何形状与计算方法、民间借贷关系等等。这些,对社会学家们研究宋末历史提供了足够的依据。

杨辉介绍完了先上一道开胃菜,然后再说经典例题。

话说张木匠有一块长方形的木板,正中刻有一条鱼的图案。他打算把木板锯成几块,拼接为正方形的桌面,正中镶嵌一条鱼的图案。请问他是怎么做到的?

这是著名作家刘后一的题目,答案大家想出来了吗?一图胜千言,请看解答图。


图形拼接1

好,现在我们说说杨辉的例题。先审题,题目意思就是长方形面积为864平方步,长减宽等于12步,求长方形的长和宽多少步?这题目不难,但我们做题估计多半会列方程组简单粗暴就求出答案了。但杨辉的解法很巧妙,值得一看。

杨辉像上图一样,把四个长方形和一个正方形拼成了一个大正方形。请看下图:


解法示意

设长方形的长为b,宽为a,显然中央的小正方形边长为a-b=12。杨辉用此图求a+b的值。四个全等的长方形面积为864×4=3200+240+16=3456,小正方形面积为12×12=144,合计3456+144=3600。用求面积的方法可得a+b=3600的平方根=60。现在明白了吧,杨辉巧妙地把这个问题转化为小学的和差问题:已知a+b=60,a-b=12,求a和b的值?

再看看解法示意图,和差问题的解法就藏在图中。看图可以直观地看出(a+b)-(a-b)=2a,所以a=(a+b)-(a-b)/2=(60-12)/2=24;同样可以看出(a+b)+(a-b)=2b,所以b=[(a+b)+(a-b)]/2=(60+12)/2=36

杨辉用几何解法巧妙解题,过程小学生都能够看懂。背后的代数原理是这样的:

(a-b)²+4ab=a²-2ab+b²+4ab=a²+2ab+b²=(a+b)²

这题目多数人会用方程组来解答。解法步骤由微软数学提供:

输入 solve({ab=864,a-b=12})

使用替换法和二次公式的求解步骤

要使用替换法求解方程组,请先求解一个方程中的某个变量。然后用求出的结果替换其他方程中的变量。

  {a+(-1)b=12,ab=864}

求解a的a+(-1)b=12,方法是让a单独位于等号左侧。

  a+(-1)b=12

在方程的两边各减去(-1)b。

  a=b+12

在其他方程ab=864中用b+12替换a。

  (b+12)b=864

要使用二次公式求解此方程,请先将方程化简为标准形式:


第一步


第二步


第三步


第四步


第五步


第六步


第七步


第八步


第九步

再次感谢微软数学4.0(X86版)的精彩解答。

附录:杨辉的百度百科

杨辉,中国南宋时期杰出的数学家和数学教育家。在13世纪中叶活动于苏杭一带,其著作甚多。

他著名的数学书共五种二十一卷。著有《详解九章算法》十二卷(1261年)、《日用算法》二卷(1262年)、《乘除通变本末》三卷(1274年)、《田亩比类乘除算法》二卷(1275年)、《续古摘奇算法》二卷(1275年)。 杨辉的数学研究与教育工作的重点是在计算技术方面,他对筹算乘除捷算法进行总结和发展,有的还编成了歌决,如九归口决。

他在《续古摘奇算法》中介绍了各种形式的"纵横图"及有关的构造方法,同时"垛积术"是杨辉继沈括"隙积术"后,关于高阶等差级数的研究。杨辉在"纂类"中,将《九章算术》246个题目按解题方法由浅入深的顺序,重新分为乘除、分率、合率、互换、二衰分,勾股等九类。

他非常重视数学教育的普及和发展,在《算法通变本末》中,杨辉为初学者制订的"习算纲目"是中国数学教育史上的重要文献。

数学贡献

(一)主要著述

杨辉一生留下了大量的著述,它们是:《详解九章算法》12卷(1261年),《日用算法》2卷(1262年),《乘除通变本末》3卷(1274年,第3卷与他人合编),《田亩比类乘除捷法》2卷(1275年),《续古摘奇算法》2卷(1275年,与他人合编),其中后三种为杨辉后期所著,一般称之为《杨辉算法》。

《详解九章算法》现传本已非全帙,编排也有错乱。从其序言可知,该书乃取魏刘微注、唐李淳风等注释、北宋贾宪细草的《九章算术》中的80问进行详解。在《九章算术》9卷的基础上,又增加了3卷,一卷是图,一卷是讲乘除算法的,居九章之前;一卷是纂类,居书末今卷首图、卷l乘除,卷2方田、卷3粟米、卷4衰分的衰分、反衰诸题、卷6商功的诸同功问题已佚。卷4衰分下半卷、卷5少广存《永乐大典》残卷中,其余存《宜稼堂丛书》中。从残本的体例看,该书对《九章算术》的详解可分为:一、解题。内容为解释名词术语、题目含义、文字校勘以及对题目的评论等方面。二、明法、草。在编排上,杨辉采用大字将贾宪的法、草与自己的详解明确区分出来。三、比类。选取与《九章算术》中题目算法相同或类似的问题作对照分析。四、续释注。在前人基础上,对《九章算术》中的80问进一步作注释。杨辉的“纂类”,突破《九章算术》的分类格局,按照解法的性质,重新分为乘除、分率、合率、互换、衰分、叠积、盈不足、方程、勾股九类。

杨辉在《详解九章算法》一书中还画了一张表示二项式展开后的系数构成的三角图形,称做“开方做法本源”,现在简称为“杨辉三角”。

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