沈(括)学·《梦溪笔谈》的学术价值、研究·数学
在祖国的科学进展上,沈括在数学方面也取得了杰出成就。他发展了九章算术以来的等差级数,创造了一种新的高等级数——“隙积术”,用以求累层堆积的瓮、缸、瓦盆之类物件的体积总和(见第301条)。隙积术,即堆垛之术,清末数学家顾观光(1799—1862) 曾说: “堆垛之术详于杨 (辉)、朱(世杰)氏二书,而创始之功,断推沈氏。”(顾观光《九数存古》卷五)设堆垛体的上下宽分别为a和c,上下长分别为b和d,高为h,依《笔谈》原文所述的计算法译为现代数学公式是:
堆垛体数目
数学史家李俨(1892—1963)和许莼舫,曾从近代数学的角度证明(1)式的正确性(李俨《中算史论》第一集,中国科学院出版,1954年,第336页;许莼舫《中算家的代数学研究》,开明书店,1952年第二版,第28—29页)。可惜《笔谈》未交代该式的证明过程,许莼舫和李继闵两先生各自用一种演段移补法推出过(1)式(许莼舫《古算趣味》,开明书店,1951年第三版,第87—91页)。以新的断句补证了 (1) 式,以便接近 《笔谈》原意。
沈括的隙积术是《九章算术》中“刍童术”的发展,和后世西方的“积弹”问题相当,它的出现,奠定了高阶等差级数求和问题的基础。沈括以后,南宋钱塘人杨辉(约十三世纪)在《详解九章算法》,元代朱世杰在《四元玉鉴》中,将沈括的隙积术推广发展为更一般的高阶等差级数求和的 “垛积术”。
《笔谈》第301条又说:“凡圆田,既能拆之,须使会之复圆,古法惟以中破圆法拆之,其失有及三倍者。予别 (无析)〔为拆〕会之术,置圆田,径半之以为弦,又以半径减去所割数,余者为股各自乘,以股除弦,余者开方除为勾,倍之为割田之直径。以所割之数自乘(退一位)倍之,又以圆径除所得,加入直径,为割田之弧。再割亦如之,减去已割之(数)〔弧〕,则再割之 (数) 〔弧〕也。”
此法即沈括的“会圆术”,译成现代数学语言就是已知圆的直径d和弓形的高b,求弓形的弦长c和弧长1的方法。
沈括的计算公式是:
(2)式可用勾股定理证明,(3)式是我国数学史上第一个求弧长的近似公式,当是沈括根据《九章算术》“方田”章内所载的弓形面积的近似公式: S=(bc+b2)推出的。后来,元朝天文学家郭守敬(1231—1316)加以发展,应用于黄道积度和时差的计算(王锦光、闻人军《沈括的科学成就与贡献》)。
除了“隙积术”和“会圆术”之外,沈括在天文学计算问题上曾经提出了“圆法”和“妥法”,涉及到球面三角学问题,对此,李志超认为这可能是沈括从几何模型出发,用他的会圆术那类方法发展出的新算法,“圆法”、“妥法”也许是一种粗疏的球面三角法 (李志超 《沈括的天文研究 (一),刻漏和妥法》,《中国科学技术大学学报》,1978年第8卷第一期)。“圆法”和“妥法”是数、形结合的新的数学方法,它的含义尚有待于进一步探索。
由《笔谈》的记载可知,沈括曾用数学知识研究军粮的运输,提出了“运精之法”,其中含有运筹思想的萌芽。他研究过围棋局总数,用组合数学的方法计算出棋局总数为3361,钱宝琮先生指出: “ (沈括)不自觉地运用了指数定律。”(钱宝琮《宋元数学史论文集》,科学出版社,1966年,第269页)
沈括的数学成就在数学史上占有重要的地位。早在本世纪二十年代,日本数学史家三上义夫就对沈括的数学成就作过很高的评价。他说:“予以沈括为中国算学之模范的人物或理想的人物,诚克当也。”三上义夫认为沈括“多艺多能”,且有 “经世才”,在世界上罕有其匹 (三上义夫著、林科棠译《中国算学之特色》,《万有文库》本,第8—9页)。