理论教育 二次曲线弧长求解及幂级数展开

二次曲线弧长求解及幂级数展开

时间:2023-11-18 理论教育 版权反馈
【摘要】:在给出其师项名达和戴煦二人的椭圆求周术后,夏氏继续讨论其师当年未曾想到的“截椭弧”,即椭圆弧长问题。)的级数展开式依次为考虑到式中l2m 前的系数,可以得到《致曲术》中“椭正弦求椭弧背术”的椭弧长公式的幂级数展开式必须指出的是,这些级数满足0≤x≤a,这恰好在收敛域中。如是叠次求之,求得总数降至单位下止,乃以诸总数正负并减为椭圆弧背。双曲线弧长算法在《代微积拾级》中也没有,显然此术可依式平行得到。

二次曲线弧长求解及幂级数展开

《万象一原》卷四“二次线(椭圆线)”专论有关椭圆的各种求积问题。在给出其师项名达和戴煦二人的椭圆求周术后,夏氏继续讨论其师当年未曾想到的“截椭弧”,即椭圆弧长问题。他先给出“椭圆求大径端余弦上截椭弧”求长公式,即椭圆b2x2+a2y2=a2b2 上从点(0,b)到点(x,y)的一段椭弧长L 公式。该公式以“递加数”形式给出:

先求乘法:法以大半径幂乘第一数(第一数见后),二除之于上,另置正弦幂减大半径幂,平方开之,为椭余弦。以借正弦乘之,二除之,以减上位,为第一乘法;三倍大半径幂乘第一乘法,四除之于上,另置椭余弦,以借正弦立方乘之,四除之,以减上位,为第二乘法;五倍大半径幂乘第二乘法,六除之于上,另置椭余弦,以借正弦四乘方乘之,六除之,以减上位,为第三乘法。下皆如是,依次列之为逐数乘法。

借正弦之平圆弧背为第一数正;置半心差幂以大半径立方除之,二除之,第一乘法乘之,为第二数负;次置第二数,以半心差幂乘之,大半径二乘方除之,一乘之,四除之,第一乘法除之,第二乘法乘之,为第二数负;次置第三数,以半心差幂乘之,大半径三乘方除之,三乘之,六除之,第二乘法除之,第三乘法乘之,为第四数负;次置第四数,以半心差幂乘之,大半径三乘方除之,五乘之,八除之,第三乘法除之,第四乘法乘之,为第五数负。顺是以下皆如是,求至单位下止,乃正负并减,为大径余弦上截椭弧。

此术有注曰“本《代微积拾级》第十八卷”,说明此术的来源。《代微积拾级》卷十四第八款给出曲线y=f(x)的弧长微分式为

《代微积拾级》卷十八给出椭圆弧长公式为椭圆积分的级数展开式,即

其中

l2m(m=0,1,2,…)即为夏氏术中的“第(m+1)乘法”。在《代微积拾级》第十七卷,就利用分部积分的变形形式得到了这些结果。显然,式(3.2.7)不是一个幂级数展开式。

当“用术”中式(3.3.1)至式(3.3.4)中n=2,a=1 时,有

则相应的l2m(m=0,1,2,…)的级数展开式依次为

考虑到式(3.3.7)中l2m 前的系数,可以得到《致曲术》中“椭正弦求椭弧背术”的椭弧长公式的幂级数展开式

必须指出的是,这些级数满足0≤x≤a,这恰好在收敛域中。式(3.3.8)是《代微积拾级》中没有的,也没有收入《万象一原》,当x=a 时能得到项名达的椭圆求周术[式(3.2.5)]。

夏氏椭圆弧长公式(3.3.8)的原术文在《致曲术》中称之为“椭圆求椭弧背术”,夏氏的表述为:

椭圆正弦为第一数;次置第一数以椭圆正弦幂乘之,椭半径幂除之,一乘之,又一乘之,二除之,三除之为第二数;次置第二数以椭正弦幂乘之,椭半径幂除之,三乘之,又三乘之,四除之,五除之为第三数;次置第三数以椭正弦幂乘之,椭半径幂除之,五乘之,又五乘之,六除之,七除之为第四数。顺是以下皆如是,求至单位下,乃相并为总第一数(凡用大半径幂者总第一数正以下均负,用小半径幂者总一二数正以下负正相间)。

置半心差自乘方以椭正弦立方乘之,椭半径三乘方除之,二而一,三除之为第一数;次置第一数以椭正弦幂乘之,椭半径幂除之,一乘之,三乘之,二除之,五除之为第二数;次置第二数以椭正弦幂乘之,椭半径幂除之,三乘之,五乘之,四除之,七除之为第三数;次置第三数以椭正弦幂乘之,椭半径幂除之,五乘之,七乘之,六除之,九除之为第四数。顺是以下皆如是,求至单位下,乃相并为总第二数。

置半心差三乘方以椭正弦四乘方之,椭半径七乘方除之,二而一,又四而一,五除之为第一数;次置第一数以椭正弦幂乘之,椭半径幂除之,一乘之,五乘之,二除之,七除之为第二数;次置第二数以椭正弦幂乘之,椭半径幂除之,三乘之,七乘之,四除之,九除之为第三数;次置第三数以椭正弦幂乘之,椭半径幂除之,五乘之,九乘之,六除之,十一除之为第四数。顺是以下皆如是,求至单位下,乃相并为总第三数。

……

如是叠次求之,求得总数降至单位下止,乃以诸总数正负并减为椭圆弧背。

同理,《万象一原》卷六“二次曲线(斜双曲线[39])”第一术“斜双线求大径端弧背”为:

先用小半径幂除大半径幂,四而一,加入小半径幂,平方开之为常数;乃置小半径幂,加正弦幂(此正弦与小径平行),平方开之,名曰开数。(www.daowen.com)

开数加正弦之呐氏对数,以半径之呐氏对数减之为一率,常数乘之,为第一数正;正弦二之一乘开数,以一率乘小半径幂二之一减之为二率,常数除之,二除之为第二数正;正弦立方四之一乘开数,以二率乘小半径幂四之三减之为三率,常数立方除之,一乘之,二除之,四除之为第三数负;正弦四乘方六之一乘开数,以三率乘小半径幂六之五减之为四率,常数四乘方除之,一乘之,三乘之,二除之,四除之,六除之为第四数正(以下一正一负相间)。顺是以下皆如是,求至单位下止,乃正负并减为大径端弧背。

此即双曲线b2x2-a2y2=a2b2 上从点(a,0)到点(x,y)的弧长L 的“递加数”形式。记

常数,开数

一率l1=ln(q+y)-lnb=-lnb,

二率

……

实际上当x>0,y>0 时,x=,由dL=

其中

可以看出,式(3.3.10)的lm 与式(3.3.9)中“第m 率”意义相同。但比较两式可知,夏氏原术的“常数”有误。双曲线弧长算法在《代微积拾级》中也没有,显然此术可依式(3.3.7)平行得到。

同理,若将

代入式(3.3.10)中,可得到双曲线弧长公式的幂级数展开式,此即《致曲术》“双曲线”一节中的“双曲线正弦求弧背”术

夏氏指出“若本正弦大于本半径,则此术不能求”,即认为0≤y≤b,实际上他仅考虑级数展开的收敛区间,若同时考虑[1+展开的要求,则应满足0≤y≤。必须指出的是,夏氏此术有符号的错误,式 (3.3.11)已作校改。式 (3.3.10)、式 (3.3.11)均为夏氏所得。

至于抛物线y2=2px 上从点(0,0)到点(x,y)的弧长L 公式,《代微积拾级》中给出一求法,即

夏氏给出式(3.3.12)的级数表达式,即

夏氏注曰“凡正弦大于半通径,则此术不能求”,即指出这个级数在0≤y≤p 时收敛。

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