周髀算经的勾股定理
首先,《周髀算经》中明确记载了勾股定理的公式:“若求邪至日者,以日下为勾,日高为股,勾股各自乘,并而开方除之,得邪至日”(《周髀算经》上卷二)
而勾股定理的证明呢,就在《周髀算经》上卷一 ——
昔者周公问于商高曰:“窃闻乎大夫善数也,请问昔者包牺立周天历度——夫天可不阶而升,地不可得尺寸而度,请问数安从出?”
商高曰:“数之法出于圆方,圆出于方,方出于矩,矩出于九九八十一。故折矩,以为句广三,股修四,径隅五。既方之,外半其一矩,环而共盘,得成三四五。两矩共长二十有五,是谓积矩。故禹之所以治天下者,此数之所生也。”
周公对古代伏羲(庖牺)构造周天历度的事迹感到不可思议(天不可阶而升,地不可得尺寸而度),就请教商高数学知识从何而来。于是商高以勾股定理的证明为例,解释数学知识的由来。“数之法出于圆方,圆出于方,方出于矩,矩出于九九八十一。”:解释发展脉络——数之法出于圆(圆周率三)方(四方),圆出于方(圆形面积=外接正方形圆周率/4),方出于矩(正方形源自两边相等的矩),矩出于九九八十一(长乘宽面积计算依自九九乘法表)。
“故折矩①,以为勾广三,股修四,径隅五。”:开始做图——选择一个 勾三(圆周率三)、股四(四方) 的矩,矩的两条边终点的连线应为5(径隅五)。
“②既方之,外半其一矩,环而共盘,得成三四五。”:这就是关键的证明过程——以矩的两条边画正方形(勾方、股方),根据矩的弦外面再画一个矩(曲尺,实际上用作直角三角形),将“外半其一矩”得到的三角形剪下环绕复制形成一个大正方形,可看到其中有 边长三勾方、边长四股方、边长五弦方 三个正方形。
“两矩共长③二十有五,是谓积矩。”:此为验算——勾方、股方的面积之和,与弦方的面积二十五相等——从图形上来看,大正方形减去四个三角形面积后为弦方,再是 大正方形 减去 右上、左下两个长方形面积后为 勾方股方之和。因三角形为长方形面积的一半,可推出 四个三角形面积 等于 右上、左下两个长方形面积,所以 勾方+股方=弦方。
注意:① 矩,又称曲尺,L型的木匠工具,由长短两根木条组成的直角。古代“矩”指L型曲尺,“矩形”才是“矩”衍生的长方形。
② “既方之,外半其一矩”此句有争议。清代四库全书版定为“既方其外半之一矩”,而之前版本多为“既方之外半其一矩”。经陈良佐 、李国伟 、李继闵 、曲安京 等学者研究,“既方之,外半其一矩”更符合逻辑。
③ 长指的是面积。古代对不同维度的量纲比较,并没有发明新的术语,而统称“长”。赵爽注称:“两矩者, 句股各自乘之实。共长者, 并实之数。
由于年代久远,周公弦图失传,传世版本只印了赵爽弦图(造纸术在汉代才发明)。所以某些学者误以为商高没有证明(只是说了一段莫名其妙的话),后来赵爽才给出证明。
其实不然,摘录赵爽注释《周髀算经》时所做的《勾股圆方图》 ——“句股各自乘, 并之为弦实, 开方除之即弦。案: 弦图又可以句股相乘为朱实二, 倍之为朱实四, 以句股之差自相乘为中黄实, 加差实亦成弦实。”
注意“案”中的“弦图又可以”、“亦成弦实”,“又”“亦”二字表示赵爽认为勾股定理还可以用另一种方法证明,于是他给出了新的证明。
详细分析请参阅 曲安京《商高、赵爽与刘徽关於勾股定理的证明》。
从图1看出,ABED是边长为3的正方形,∴AB=KO=3,
ACHI是正方形,∴AI=AC=4,
ΔABC≌ΔOFB,∴BO=AC=4,OF=AB=3,
同理FL=OB=4,
∴JK=OI=4+3+4=11,
KL=3+3+4=10,
∴S长形 KLMJ=11×10=110。
勾股定理又称为勾股弦定理,又称毕达哥拉斯定理或毕氏定理(Pythagoras Theorem)。是一个基本的几何定理,传统上认为是由古希腊的毕达哥拉斯所证明。据说毕达哥拉斯证明了这个定理后,即斩了百头牛作庆祝,因此又称“百牛定理”。
在中国,《周髀算经》记载了勾股定理的一个特例,相传是在商代由商高发现,故又有称之为商高定理;三国时代的赵爽对《周髀算经》内的勾股定理作出了详细注释,作为一个证明。法国和比利时称为驴桥定理,埃及称为埃及三角形。
我国是发现和研究勾股定理最古老的国家。我国古代数学家称直角三角形为勾股形,较短的直角边称为勾,另一直角边称为股,斜边称为弦,所以勾股定理也称为勾股弦定理。在公元前1000多年,据记载,商高(约公元前1120年)答周公曰“勾广三,股修四,经隅五”,其意为,在直角三角形中“勾三,股四,弦五”.因此,勾股定理在我国又称“商高定理”.在公元前7至6世纪一中国学者陈子,曾经给出过任意直角三角形的三边关系即“以日下为勾,日高为股,勾、股各乘并开方除之得邪至日。
在中国,《周髀算经》记载了勾股定理的一个特例,相传是在商代由商高发现,故又有称之为商高定理;三国时代的赵爽对《周髀算经》内的勾股定理作出了详细注释,作为一个证明。法国和比利时称为驴桥定理,埃及称为埃及三角形。我国古代把直角三角形中较短得直角边叫做勾,较长的直角边叫做股,斜边叫做弦。《周髀算经》算经十书之一。约成书于公元前二世纪,原名《周髀》,它是我国最古老的天文学著作,主要阐明当时的盖天说和四分历法。唐初规定它为国子监明算科的教材之一,故改名《周髀算经》。《周髀算经》在数学上的主要成就是介绍了勾股定理及其在测量上的应用。原书没有对勾股定理进行证明,其证明是三国时东吴人赵爽在《周髀注》一书的《勾股圆方图注》中给出的。 《周髀算经》使用了相当繁复的分数算法和开平方法。
勾股定理应用非常广泛。我国战国时期另一部古籍《路史后记十二注》中就有这样的记载:“禹治洪水决流江河,望山川之形,定高下之势,除滔天之灾,使注东海,无漫溺之患,此勾股之所系生也。”这段话的意思是说:大禹为了治理洪水,使不决流江河,根据地势高低,决定水流走向,因势利导,使洪水注入海中,不再有大水漫溺的灾害,是应用勾股定理的结果。
在中国古代的数学家中,最早对勾股定理进行证明的是三国时期吴国的数学家赵爽。赵爽创制了一幅“勾股圆方图”,用数形结合的方法,给出了勾股定理的详细证明。他用几何图形的截、割、拼、补来证明代数式之间的恒等关系,既具严密性,又具直观性,为中国古代以形证数、形数统一、代数和几何紧密结合、互不可分的独特风格树立了一个典范。稍后一点的刘徽在证明勾股定理时也是用以形证数的方法,刘徽用了“出入相补法”即剪贴证明法,他把勾股为边的正方形上的某些区域剪下来(出),移到以弦为边的正方形的空白区域内(入),结果刚好填满,完全用图解法就解决了问题。
我国是发现和研究勾股定理最古老的国家。
在公元前1000多年,据记载,商高(约公元前1120年)答周公曰“勾广三,股修四,经隅五”,其意为,在直角三角形中“勾三,股四,弦五”.因此,勾股定理在我国又称“商高定理”.
在公元前7至6世纪一中国学者陈子,曾经给出过任意直角三角形的三边关系
即“以日下为勾,日高为股,勾、股各乘并开方除之得邪至日。“
所以,商高应该只是发现了勾股定理的一个特例,而陈子则是集中提出了勾股定理的中国第一人。
具体,苏老师可以看看这个:(我对历史没有太多研究,所得到的资料也均来自网络搜索)
http://wenkubaiducom/linkurl=0p04Fwcy3iIDPHbUozYn_e3LZFlLaZiGpWDSDF6UuLtQ5VrWEeo3UGn4nEben61budr09QMY6NpCdv1h-7zmfnvYc53_99f_fWfkxXL1rT_
成书于公元前1世纪的我国最古老的天文学著作《周髀算经》中,记载了周武王的大臣周公问于皇家数学家商高的话,其中就有勾股定理的内容。
这段话的主要意思是,周公问:“我听说你对数学非常精通,我想请教一,天没有梯子可以上去,地也没法用尺子去一段一段丈量,那么关于天的高度和地面的一些测量的数据是怎么样得到的呢?”
商高说:“数的产生来源于对圆和方这些图形的认识。其中有一条原理:当直角三角形‘矩’得到的一条直角边‘勾’等于3,另一条直角边‘股’等于4的时候,那么,它的斜边‘弦’就必定是5。”
这段对话,是我国古籍中“勾三、股四、弦五”的最早记载。用现在的数学语言来表述就是:在任何一个不等腰的直角三角形中,两条直角边的长度的平方和等于斜边长度的平方。也可以理解成两个长边的平方相减与最短边的平方相等。基于上述渊源,我国学者一般把此定理叫做“勾股定理”或“商高定理”。
商高没有解答勾股定理的具体内容,不过周公的后人陈子曾经运用他所理解的太阳和大地知识,运用勾股定理测日影,以确定太阳的高度。这是我国古代人民利用勾股定理在科学上进行的实践。
周公的后人陈子也成了一个数学家,他详细地讲述了测量太阳高度的全套方案。这位陈子是当时的数学权威,《周髀算经》这本书,除了最前面一节提到商高以外,剩下的部分说的都是陈子的事。
据《周髀算经》说,陈子等人的确以勾股定理为工具,求得了太阳与镐京之间的距离。为了达到这个目的,他还用了其他一系列的测量方法。
陈子用一只长8尺,直径01尺的空心竹筒来观察太阳,让太阳恰好装满竹筒的圆孔,这时候太阳的直径与它到观察者之间距离的比例正好是竹筒直径和长度的比例,即1:80。
经过诸如此类的测量和计算,陈子和他的科研小组测得日下60千里,日高80千里,根据勾股定理,求得斜至日整10万里。
这个答案现在看来当然是错的。但在当时,陈子对他的方案充分信心。他进一步阐述了这个方案。
在夏至或者冬至这一天的正午,立一根8尺高的竿来测量日影,根据实测,正南1千里的地方,日影15尺,正北1千里的地方,日影17尺。这是实测,下面就是推理了。
越往北去,日影会越来越长,总有一个地方,日影的长会正好是6尺,这样,测竿高8尺,日影长6尺,日影的端点到测竿的端点,正好是10尺,是一个完美的“勾三股四弦五”的直角三角形。
这时候的太阳和地面,正好是这个直角三角形放大若干倍的相似形,而根据刚才实测数据来说,南北移动1千里,日影的长短变化是01尺,那由此往南60千里,测得的日影就该是零。
也就是说从这个测点到“日下”,太阳的正下方,正好是60千里,于是推得日高80千里,斜至日整10万里。
接下来,陈子又讲天有多高地有多大,太阳一天行几度,在他那儿都有答案。
陈子根本没有想到这一切都是错的。他要是知道他脚下大的没边的大地,只不过是一个小小的寰球,体积是太阳的1/130万,就像漂在空中的一粒尘土,真不知道他会是什么表情。
书的最后部分,陈子指出,一年有265天4分日之一,有12月19分月之7,一月有29天940分日之499。这个认识,有零有整,而且基本上是对的。
现在大家都知道一年有365天,好像不算是什么学问,但在那个时代,陈子的学问不是那么简单的,虽然他不是全对。
本文2023-08-21 21:15:16发表“古籍资讯”栏目。
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