數(shù)學(xué)史與數(shù)學(xué)教育(-HPM)-的一個(gè)案例-劉徽的“割圓術(shù)”與微積分

數(shù)學(xué)史與數(shù)學(xué)教育(HPM)的一個(gè)案例———?jiǎng)⒒盏摹案顖A術(shù)”與微積分

[摘要]劉徽的“割圓術(shù)”是中國(guó)數(shù)學(xué)史上的重要成就之一,其中包含著中國(guó)數(shù)學(xué)家對(duì)無(wú)限問(wèn)題的獨(dú)特認(rèn)識(shí)和致用的處理方式.很多高等數(shù)學(xué)教科書(shū)在講述極限概念時(shí)大都提及,但所述,并未體現(xiàn)劉徽本意.劉徽的“割圓術(shù)”是為證明圓面積公式而設(shè)計(jì)出來(lái)的一種方法,其融合了莊、墨兩家理解和處理無(wú)限問(wèn)題的方法,并且使用了數(shù)列極限的“夾逼準(zhǔn)則”和不可分量可積的預(yù)設(shè).通過(guò)這些相關(guān)知識(shí)的歷史考察,試圖以HPM的方法來(lái)輔助解決極限概念教學(xué)的難題.

[關(guān)鍵詞]劉徽;割圓術(shù);無(wú)限;可積

《高等數(shù)學(xué)》[1]在講授數(shù)列極限概念之前,介紹了我國(guó)古代數(shù)學(xué)家劉徽的割圓術(shù)中極限思想,進(jìn)而引入數(shù)列極限的描述定義.實(shí)際上,劉徽借“割圓術(shù)”方法,憑借其高超的對(duì)無(wú)限問(wèn)題的理解和致用的處理方式,以“不可分量可積”前提、“夾逼準(zhǔn)則”等知識(shí)證明了圓的面積公式,運(yùn)算中包含著微積分的思想.另外要指出的是,他利用證明圓面積公式所設(shè)計(jì)出的機(jī)械性的算法程序,求得的圓周率的近似值———徽率.郭書(shū)春先生認(rèn)為,劉徽在世界上最先把無(wú)窮小分割和極限思想用于數(shù)學(xué)證明.[2]

1劉徽的“割圓術(shù)”

我國(guó)古代數(shù)學(xué)經(jīng)典《九章算術(shù)》第一章“方田”中有我們現(xiàn)在所熟悉圓面積公式“半周半徑相乘得積步”.魏晉時(shí)期數(shù)學(xué)家劉徽為證明這個(gè)公式,于公元263年撰寫(xiě)《九章算術(shù)注》,在這一公式后面寫(xiě)了一篇長(zhǎng)約1800余字的注記———“割圓術(shù)”.

“??割之彌細(xì),所失彌少.割之又割,以至于不可割,則與圓周合體而無(wú)所失矣!觚面之外,猶有余徑,以面乘余徑,則冪出弧表.若夫觚之細(xì)者,與圓合體,則表無(wú)余徑.表無(wú)余徑,則冪不外出矣.以一面乘半徑,觚而裁之,每輒自倍,故以半周乘半徑而為圓冪.”[3]

2幾點(diǎn)注記

在證明這個(gè)圓面積公式的時(shí)候有兩個(gè)重要思想,一個(gè)就是我們現(xiàn)在所講的極限思想.第二個(gè)是無(wú)窮小分割思想.

數(shù)列極限的夾逼準(zhǔn)則

劉徽利用割圓術(shù)證明圓的面積公式時(shí),用了“夾逼準(zhǔn)則”(SqueezeTheorem).他從圓內(nèi)接正6邊形開(kāi)始割圓,設(shè)圓面積為S0,半徑為r,圓內(nèi)接正n邊形邊長(zhǎng)為ln,周長(zhǎng)為L(zhǎng)n,面積為Sn,將邊數(shù)加倍后,得到圓內(nèi)接正2n邊形的邊長(zhǎng)、周長(zhǎng)、面積分別記為:l2n、L2n、S2n.

劉徽用“勾股術(shù)”得[4]:

若知Ln,則可求出圓內(nèi)接正2n邊形的面積:

劉徽認(rèn)為,“觚面之外,猶有余徑,以面乘余徑,則冪出弧表”:

S2nS0Sn+2(S2n-Sn)=S2n+(S2n-Sn),

“若夫觚之細(xì)者,與圓合體,則表無(wú)余徑.表無(wú)余徑,則冪不外出矣.”

limn→∞S2nS0limn→∞(Sn+2(S2n-Sn))=limn→∞(S2n+(S2n-Sn)).

即在n趨于無(wú)窮大時(shí),圓內(nèi)接正多邊形的面積就是圓面積.

折中的無(wú)限分割方法

關(guān)于量可分的兩種假定,在中國(guó)古代對(duì)應(yīng)著兩個(gè)命題.“一尺之棰,日取其半,萬(wàn)世不竭”的“尺棰命題”中隱含著一個(gè)量無(wú)限可分(潛無(wú)限)的假定.而“非半弗斫,說(shuō)在端”的“非半弗斫”命題則認(rèn)為一個(gè)量是有非常多的極微小的不可分部分組成的.

與西方的數(shù)學(xué)家不同,中國(guó)古代的數(shù)學(xué)家從未受到無(wú)限問(wèn)題的困擾.劉徽在遇到無(wú)理數(shù)時(shí)采用“開(kāi)方不盡求微數(shù)??”.顯然,盡管劉徽對(duì)“開(kāi)方不盡”的理解比前人深刻,但中國(guó)古代數(shù)學(xué)重視實(shí)際的傳統(tǒng)的確是限制了對(duì)理論問(wèn)題作更深層次的探討.因而,這也阻礙了無(wú)理數(shù)的發(fā)現(xiàn).劉徽認(rèn)為只須得到無(wú)限接近的一個(gè)值就可以;因此他只關(guān)心重要計(jì)算方法,而根本不用考慮這個(gè)無(wú)限問(wèn)題本身的性質(zhì).對(duì)于割圓術(shù),劉徽顯然受墨家思想的影響很深,而且劉徽對(duì)割圓術(shù)的處理也比較符合中國(guó)古代數(shù)學(xué)講求直觀的傳統(tǒng).

另外,從墨家的傳統(tǒng)來(lái)看劉徽的處理也較好理解,實(shí)際上劉徽在無(wú)限的運(yùn)用上,其思想和墨、道兩家一脈相承[5].劉徽將道、墨兩家的無(wú)限思想辯證地統(tǒng)一起來(lái),即無(wú)須由于受到無(wú)限的困擾.劉徽道“??割之又割,以至于不可割,則與圓周和體而無(wú)所失矣??”.同樣,劉徽在“陽(yáng)馬術(shù)”(四棱錐體積)中說(shuō)道:“半之彌少,其余彌細(xì),至細(xì)曰微,微則無(wú)形,由是言之,安取余哉?”[6]這里劉徽對(duì)待無(wú)限的態(tài)度是作一個(gè)可操作的程序“割之”(或陽(yáng)馬術(shù)中的“半之”)的動(dòng)作.同時(shí)這個(gè)動(dòng)作又可無(wú)限地做下去,那么在極限過(guò)程下正多邊形的周長(zhǎng)即為圓的周長(zhǎng).這種辯證的極限思想使有關(guān)“量的可分性”假定都得到了解釋,從某種意義上來(lái)說(shuō)劉徽的極限思想與現(xiàn)代的微積分思想一致.

不可分量可積的思想

劉徽受《墨經(jīng)》的影響認(rèn)為“不可分量可積”,除無(wú)限分割外,劉徽還利用不可分量可積的思想處理問(wèn)題.在他的觀念里,線可以看成是由一系列點(diǎn)組成的,面可以看成是由一系列線組成的,體可以看成是由一系列面組成的.這樣劉徽在處理無(wú)限問(wèn)題而作積分時(shí)就有了思想依據(jù).他在“割圓術(shù)”中通過(guò)對(duì)無(wú)限分割的獨(dú)特理解,和夾逼準(zhǔn)則的使用,認(rèn)為極限狀態(tài)下考慮與圓合體的正無(wú)窮多邊形,它們是由以圓心為頂點(diǎn),以每邊為底的無(wú)窮多個(gè)小等腰三角形,此小等腰三角形是不可分量.此時(shí),設(shè)圓周長(zhǎng)為L(zhǎng),每個(gè)小等腰三角形的底邊長(zhǎng)為l,面積為A.劉徽以“不可分量可積”為前提容

易得到所有等腰三角形的底邊可積為圓的周長(zhǎng)L:Σl=L.于是,Σrl=rΣln=Lr=Σ2A

=2ΣA=2S0,“故以半周乘半徑而為圓冪”:S0=1/2Lr.

目的是證明圓面積公式而非求圓周率

劉徽費(fèi)盡周折,殫精竭慮創(chuàng)立包含著樸素微積分的割圓術(shù),目的只是為證明圓的面積公式,從而他說(shuō):此以周、徑,為至然之?dāng)?shù),非周三徑一之率也.為此他同樣使用割圓術(shù)中的數(shù)據(jù),提出了求圓周率近似值的程序.于是得到下表:

利用,S2nS0Sn+2(S2n-Sn)=S2n+(S2n-Sn),

得到:314×64/625S0314×169/625,

由S0=1/2Lr,得L≈2S2n/r=628.故π=628/200=

HPM的思想

科學(xué)史上的諸多事實(shí)都顯示出無(wú)窮概念的巨大重要性和深遠(yuǎn)影響.實(shí)數(shù)系的邏輯基礎(chǔ)在十九世紀(jì)末葉才被建立的事實(shí)之所以令人驚奇,正是因?yàn)槿藗冊(cè)诶斫鉄o(wú)窮這個(gè)概念上所遇到的巨大困難造成的.對(duì)無(wú)窮的思考并試圖理解它和準(zhǔn)確地定義它,是對(duì)人類(lèi)智慧的一個(gè)挑戰(zhàn).古希臘以降,無(wú)窮的概念就引起了先哲們的注意,但它固有的超越人類(lèi)有限思維的特征,使得人們對(duì)它理解的進(jìn)展十分緩慢.希爾伯特曾說(shuō)過(guò),無(wú)窮是一個(gè)永恒的謎.直到19世紀(jì),柯西和魏爾斯特拉斯給出極限的精確定義為止,人們都無(wú)法逾越這一思維中的結(jié)癥.

因?yàn)闃O限的“ε2”定義,術(shù)語(yǔ)抽象且符號(hào)陌生,其中的辯證關(guān)系不易搞清.這個(gè)概念中內(nèi)含諸多玄機(jī).它簡(jiǎn)練外表,隱藏了2000余年來(lái)人類(lèi)面對(duì)無(wú)限的困惑和努力.這個(gè)定義包含著“動(dòng)與靜”的辯證法,包含著從有限到無(wú)窮的飛躍,包含著純潔的數(shù)學(xué)美.

個(gè)體的認(rèn)識(shí)規(guī)律會(huì)“重演”數(shù)學(xué)史的發(fā)展歷程,因此在教學(xué)中,學(xué)生自然會(huì)提出的一系列問(wèn)題:既然極限描述性定義簡(jiǎn)單明白,為什么要搞個(gè)“ε2”定義?它與描述性定義有什么不同?數(shù)學(xué)家怎么會(huì)想出這種“古怪而討厭”的定義?正如R·柯朗和H·羅賓所說(shuō):“初次遇到它時(shí)暫時(shí)不理解是不足為怪的,遺憾的是某些課本的作者故弄玄虛,他們不作充分的準(zhǔn)備,而只是把這個(gè)定義直接向讀者列出,好象作些解釋就有損于數(shù)學(xué)家的身份似的.”要弄清這些問(wèn)題,只有翻開(kāi)數(shù)學(xué)史,從哲學(xué)的角度認(rèn)識(shí)極限法,這樣不僅能幫助我們搞清極限的概念,也有助于建立正確的數(shù)學(xué)觀念.

極限的精確定義和是微積分的理論基石.但是要在幾堂課內(nèi)講清楚困擾人類(lèi)2000余年極限問(wèn)題,確實(shí)是個(gè)難題,HPM也許是他山之石.比如通過(guò)開(kāi)辟第二課堂,或在課上,介紹劉徽“割圓術(shù)”中的微積分思想,對(duì)極限定義的理解將會(huì)大有裨益.

[參考文獻(xiàn)]

[1]同濟(jì)大學(xué)數(shù)學(xué)教研室.高等數(shù)學(xué)(上冊(cè),第四版)[M].北京:高等教育出版社,2000,33-34.

[2]郭書(shū)春.中國(guó)古代數(shù)學(xué)[M].北京:商務(wù)印書(shū)館,1997,164.

[3]郭書(shū)春匯校.九