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在中国古代数学史上开辟高阶等差级数研究的方向
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沈括对数学也有着独到的研究。
刚过“而立”
之年的沈括,曾在一位转运使手下当官。
在频繁的接触中,转运使发现沈括才华出众,很想把才貌双全的女儿嫁给他。
正在这时,一位多嘴多舌的同僚告诉他,说近来沈括常出入酒馆,回来就闭门不出,想必是醉得人事不省,在蒙头大睡哩。
转运使听后心中十分不悦:没想到这青年平时仪表堂堂,做事一丝不苟,竟是个酒鬼!
这样想着,便径直闯入沈括住处。
推开门一看,那沈括正在摆弄桌上摞起来的酒杯。
见转运使大驾光临,沈括忙让座倒茶,并把这些天的发现对上司娓娓道来。
原来,酒馆里常把酒桶堆成长方台形体,从底层向上,逐层长宽各减一个,看上去四个侧面都是斜的,中间自然形成空隙,这在数学上称为“隙积”
。
所谓“隙积”
,指的是有空隙的堆积体、例如酒店中堆积的酒坛、叠起来的棋子等,这类堆积体整体上就像一个倒扣的斗,与平截头的长方锥(刍童)很像。
但是隙积的边缘不是平的,而中间又有空隙,所以不能照搬刍童的体积公式。
沈括经过思考后,发现了正确的计算方法。
他以堆积的酒坛为例说明这一问题:设最上层为纵横各2个坛子,最下层为纵横各12个坛子,相邻两层纵横各差1坛,显然这堆酒坛共11层;每个酒坛的体积不妨设为1,用刍童体积公式计算,总体积为3784/6,酒坛总数也应是这个数。
显然,酒坛数不应为非整数,问题何在呢?沈括提出,应在刍童体积基础上加上一项“(下宽-上宽)×高/6”
,即为110/6,酒坛实际数应为(3784+110)/6=649。
加上去的这一项正是一个体积上的修正项。
在这里,沈括以体积公式为基础,把求解不连续的个体的累积数(级数求和),化为连续整体数值来求解,可见他已具有了用连续模型解决离散问题的思想。
数学上又把计算中间空隙的体积的方法,叫做“隙积术”
。
他苦思冥想,就是在研究“隙积术”
。
转运使听罢,这才转怒为喜。
没多久,沈括便成了转运使的乘龙快婿。
沈括是历史上第一个发明“隙积术”
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