理论教育 清代圆锥曲线的算术作品

清代圆锥曲线的算术作品

时间:2023-11-18 理论教育 版权反馈
【摘要】:对照可知,夏鸾翔的曲线分类法来自《代微积拾级》。另外,《万象一原》的自序时间为同治元年初春,该书中很多术文注有“已见《致曲术》”字样,可见《致曲术》成书当在《万象一原》之前。由于先有《致曲术》的基础,夏氏对二次曲线积分问题的研究相对成熟,该问题也是《万象一原》的主要工作。

清代圆锥曲线的算术作品

夏鸾翔(1825—1864年)[33] [34],字紫笙,浙江钱塘(今杭州)人。17 岁补县学生员。咸丰七年(1857年)得詹事府主簿,不久升为光禄寺署正。第二年因母丧归家。同治二年(1863年)初到达广州,不久结识邹伯奇(1819—1869年)和吴嘉善(1820—1885年),三人相得益彰,共同治算。同治三年五月,年仅四十的夏鸾翔病死于广州旅舍。夏鸾翔的数学研究师从项名达和戴煦,他“年少聪颖,讲究曲线诸术,洞析圆出于方之理”,著作有《少广缒凿》(约1850年)、《洞方术图解》二卷(1857年序)、《致曲术图解》二卷(《致曲术》与《致曲图解》)[35]、《万象一原》九卷(卷首一卷,1862年序)。其中,《致曲术》与《万象一原》是夏氏研究曲线求积问题的代表作。

《致曲术图解》没有注明成书年代。《致曲术》中“平圆”部分最后有识语说:

杜术弦求弧背则迳求之,矢求弧背乃先求其幂,用术不齐。余尝疑焉。辛酉(1861年)岁暮偶用西人微积分推得矢求弧另术,可不求弧幂而迳得弧。[36]

又《致曲图解》“总论”称:

天为大圆,天之赋物莫不以圆。顾圆虽一名,类乃万族,循圆一匝而曲线生焉。西人以线所由生之次数分为诸类。一次式惟直线,二次式有平圆、椭圆抛物线双曲线四式,三次式有八十种,四次式有五千余种,五次以上盖不可考矣。

按《代微积拾级》卷八“诸曲线依代数式之分类”称:

平圆、椭圆、抛物线、双曲线之式,皆二次式也,凡二次式之线俱归入此四种。凡三次式之线有四类。第一类共有曲线七十三种。……第二类只有一种。……第三类有五种曲线。……第四类只有一曲线。……四类共八十种,皆三次式线也。欧楼(现一般译为“欧拉”)分四次式曲线为一百四十六类,共五千余种。五次以上曲线之种类愈多,未能悉考也。

对照可知,夏鸾翔的曲线分类法来自《代微积拾级》。另外,《万象一原》的自序时间为同治元年(1862年)初春,该书中很多术文注有“已见《致曲术》”字样,可见《致曲术》成书当在《万象一原》之前。由上三条推知,《致曲术图解》两卷成书应在1860—1861年间。

《万象一原》九卷,卷首一卷,序成时间为1862年初春。夏氏在序言中交代了此书成书的背景和自己的研究心得。他说:

圆出于方而圆形不一,曲线之名因而万殊焉。昔人所谓有法者,只一平圆,至椭圆曲线古已遗之。吾师项梅侣先生澄思渺虑,立术以求椭周,继之者鄂士戴氏、钧卿徐氏各立一术,而椭周乃为有法之形。然止能求椭周,不能求截椭弧,且不能求诸曲线之弧与曲面与面积与体积,亦憾事也。自奈端(指牛顿)、来本(指莱布尼茨)之二家作横直二线,以驭曲线,创名曰微分、积分。于是昔所谓无法者,今皆有法。形虽万,法则一,诚算学之功臣也,亦人生之快事也。余迩年避乱于吴门、于平湖、于南汇、于铁河,暇则细寻微积分奥窍,疏而演之,凡一百余术,法乃寖备,几何之学至是而无纤芥之憾矣。[37]

由此可知,夏氏生前已经看到《代微积拾级》而且有一定的研究,所谓的“万象一原”是指各种曲线(万象)有统一的“原”,那就是“微分、积分”。

《万象一原》整体格局比较清晰,所给公式均以语言叙述的形式列出,但各公式都没有具体的说理和推演过程。考虑到《致曲术》中的成果几乎全被《万象一原》引用,而且《致曲术》中有目无术的两题在《万象一原》中得到解答以及两书成书时间的先后,可以认为《万象一原》是在《致曲术》的基础上发展起来的,包含了《致曲术》的研究成果。因此,本节着重讨论《万象一原》中对二次曲线求积问题的研究。(www.daowen.com)

卷首为“诸曲线释形”,主要解释16 种曲线的形成与表达,简介如下。一次线2 种:方斜线(正方形对角线),勾股线(长方形对角线)。二次线5种:平圆线,椭圆线,正双线(等轴双曲线),斜双线(一般双曲线),抛物线。三次线4 种:二乘圆线,半立方抛物线,立方抛物线,三乘圆线。超越曲线5 种:摆线,对数曲线,亚奇默德螺线(阿基米德螺线),对数螺线,双线螺线(双曲螺线)。

卷一为“用术”,其下有小字注说:“卷一为微分术,卷二以下皆积分术。”这就表明该书都是用“微积分”处理曲线求积问题。所谓“用术”,实际上是20 个展开公式,是后八卷要用的基本公式。如:

“多次自乘求积”即An,“诸乘方求根”即,“多次自乘负积”即A-n,“诸乘方负根”即,“几乘方根之几乘方积”即(m,n 均为自然数),“几乘方根之几乘方负积”即,“真数之讷氏对数”即lnx,“真数之讷氏负对数”即等函数的展开式。其中,的展开式是后文运算的基础,在此予以说明。

其中,式(3.3.1)、式(3.3.2)为项名达、戴煦所创,即为本章第一节中的式(3.1.4)和式(3.1.5)。式(3.2.3)、式(3.3.4)为夏氏变换项氏、戴氏两术所得。

事实上,项名达有一术

戴煦学习此式得到

利用变换

由项戴两式就可以得到式(3.3.3)与式(3.3.4)。

这5 式为项名达、戴煦所创,夏氏统一改写成“递加数”形式。可见,夏氏“用术”中所谓的“微分术”,实际是指不同指数类型的幂函数以及对数函数的展开式,这与《代微积拾级》中介绍的“微分”有较大的差距。

卷二至卷九在卷一的基础上,依次讨论卷首所述16 种曲线对应的求积问题。卷四至卷七在卷一的基础上,利用积分术依次讨论椭圆线、正双曲线、斜双曲线、抛物线等二次曲线所对应的求积问题。由于该书是夏氏“身后遗稿,付梓时校核未详,故或脱落数行,或自注可删而未删”[38],刊刻错误很多,尤其是后两卷。由于先有《致曲术》的基础,夏氏对二次曲线积分问题的研究相对成熟,该问题也是《万象一原》的主要工作。下面以夏氏关于二次曲线弧长、旋转体表面积的求法为例予以讨论,以见其成就之大概。

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