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数学家的故事:不朽的数学家李冶

来源:奥数网 2017-08-14 09:58:42

[标签:数学大师] 

  数学家的故事:不朽的数学家李冶

  1251年,史天泽驻守真定,他兴教育,劝农桑,广纳贤士。在秋高气爽的暮色中,一位59岁的儒士在学子们的簇拥下踏上了真定路栾城县的故土,他就是金元之际最伟大的数学家李冶。

  一

  李冶家学深厚,博览群书,兼修文学、史学、数学、经学。时人称赞他“经为通儒,文为名家”。

  李冶(1192~1279),字仁卿,号敬斋,元代真定路栾城县(今石家庄市栾城区)人。他出生的年代,正是金朝由盛而衰的历史时期。李冶父亲李?是位博学多才的学者,在大兴府尹胡沙虎手下任推官,母亲姓王。

  泰和八年(1208年),蒙古成吉思汗的军队开始向金朝进攻。李?的上司胡沙虎是金朝臭名昭著的大权奸,“声势炎炎,人莫敢仰视”,动辄打骂同僚,甚至“虐杀不辜”。李?常据理力争,置个人生死祸福于度外。但行走于虎狼之室,不得不小心。他为防不测,把妻儿送回故乡栾城。少年李冶,就到栾城邻县元氏封龙书院求学。

  至宁元年(1213年)胡沙虎篡权乱政,李?被迫辞职,隐居阳翟(今河南禹县),从此不再过问政事。吟诗作画,颇有名声。父亲的正直为人及好学精神对李冶深有影响。

  李冶儿时本名李治,为什么改名李冶?后世有两种解读。一说李冶成年后熟读史书,感慨唐高宗李治助长武则天专权,导致大唐沦为武周,耻与李治同名,故改名李冶。一说金朝曾推崇儒学,禁止平民和古代帝王同名,李冶就把李治减去一点,改名叫李冶。

  李冶自幼聪敏,博览群书,兴趣广泛,对文学、史学、数学、经学都很感兴趣。《元朝名臣事略》中说:“公(指李冶)幼读书,手不释卷,性颖悟,有成人之风。”李冶常说:“积财千万,不如薄技在身。”又说:“金璧虽重宝,费用难贮储。学问藏之身,身在则有余。”他年轻时曾与好友元好问一起外出求学,拜文学家赵秉文、杨文献为师。

  正大七年(1230年),李冶赴洛阳应试,被录取为词赋科进士,一举成名,时人称赞他“经为通儒,文为名家”。

  二

  国破家亡的命运,使李冶决绝了仕途,潜心研究学问。

  李冶得中进士,本是走向成功的标志,同年踏进仕途,被授予高陵(今陕西高陵)主簿,但此时金王朝已日薄西山,而崛起于草原的蒙古汗国已日渐强大,成吉思汗之子窝阔台即位后,出兵攻入陕西,李冶任职属地被蒙古军队占领,所以,他被调往钧州(今河南禹县)任知事。公元1232年正月,蒙古军绕过军事重镇潼关(今陕西潼关县北),东下汴京(今河南开封),在三峰山大战,金军大败,不几日,蒙古军攻破钧州城,李冶不愿投降,就换上平民服装,北渡黄河进入山西,这是他一生的重要转折点。仕途的悲凉,国土的沦丧,使得李冶从此走上了流亡之路。

  李冶辗转到了山西的忻县、崞县(今山西宁武、原平)之间,过着“饥寒不能自存”的生活。

  公元1234年正月,金哀宗完颜守绪传位于完颜承麟后自缢而死。末帝完颜承麟也被乱兵所害,金朝灭亡。

  国破家亡的命运,使李冶决绝了仕途,只能潜心研究学问。年过四十岁的李冶经过颠沛流离后,定居崞县桐川。他虽生活艰苦,但有充足的时间研究学问。漫漫人生路,何处是归途?李冶就在各种学问中充实自己,涉及数学、文学、历史、天文、哲学、医学等。李冶不仅有先进的哲学思想,而且在极为艰苦的条件下坚持做学问。他在桐川的居室十分狭小,常常不得温饱,要为衣食奔波。但他却以著书为乐,潜心学问。他的学生焦养直说他“虽饥寒不能自存,亦不恤也”,在“流离顿挫”中“亦未尝一日废其业”,“手不停披,口不绝诵,如是者几五十年”。

  同时代的学者砚坚评价李冶,只要目睹世间之书,无不熟读,从不遗漏。

  三

  数学虽被古人排在六艺之末,但李冶认为,数学是最有用的学问,于是他致力于数学研究。

  1248年,李冶写成了中国古代数学名著《测圆海镜》,这是中国古代代数学具有划时代意义的著作,是用“立天元一为某某”(即当代数学设x为某某)解析高次方程的数学专著。后世学者们研究认为,李冶这部代数学著作,比欧洲代数高次方程理论要早300多年,是13世纪世界最先进的代数学理论专著。

  金元之际,正是天元术启蒙的时代。天元术是用数学符号列方程的方法。中国列方程的思想可追溯到东汉的《九章算术》。其中第8章《方程》,用文字叙述方法建立二次方程,但没有明确的未知数。唐代王孝通《缉古算术》已能列出三次方程,但完全用几何方法推导方程,难度很大,不易被一般人掌握。

  宋代以前的方程理论一直受几何思维束缚,方程次数不高于三次,高于三次方程就难以用几何解析了。宋仁宗时任左班殿直贾宪写成《黄帝九章算经细草》9卷、《算法?鹿偶??卷,改进了传统开方法,创造了开方作法本源和增乘开方法,对古代数学理论做出了杰出贡献。在欧洲,法国数学家帕斯卡在17世纪初创造了类似的代数学,但是比贾宪晚了600年左右。

  李冶治学,不泥古,不唯书,既善于借鉴前人的成就,又勤于思考。有人问学于李冶,李冶回答:“学有三:积之之多不若取之之精,取之之精不若得之之深。”坚持去其糟粕,取其精华,善于发现,勤于思考。

  由于李冶摆脱了几何思维的束缚,在方程解析方面取得了突破,他利用天元术熟练地列出六次方程,并完整解决了分式方程问题,用纯代数方法降低方程次数,他还发明了负号和一套相当简明的小数记法。在国外,直到16世纪末,小数才有了更好的记法。由于李冶掌握了一套完整的数字符号及性质符号,他的方程已能用符号表示,改变了用文字描述方程的旧面貌,可称为“半符号代数”。大约300年后,类似的半符号代数才在欧洲产生。

  李冶的《测圆海镜》共12卷,收入170多个问题,都是已知直角三角形中各线段、利用天元术求内切圆和旁切圆的直径问题。第一卷开头,李冶列出了一幅“圆城图式”,提出了170个与“圆城图式”有关的问题,根据已知条件,分别计算出15个直角三角形各边之长,绘出各三角形的容圆公式,计算出勾股和、勾股差,然后计算出勾弦和、勾弦差等。其中19题列出三次方程,13题列出四次方程,还有些题列出六次方程,还成功地用代数方法降低方程次数。《测圆海镜》的成书标志着天元术的成熟,李冶也正是因其在天元术方面的贡献,被后人誉为“宋元数学四大家”。

  元代数学家朱世杰说:“以天元演之,明源活法,省功数倍。”清代阮元说:“立天元者,自古算家之秘术;而《海镜》者,中土数学之宝书也。”

  四

  李冶既是一代鸿儒,又有实用数学的杰出成就。他曾在封龙书院讲学,学子纷至沓来,以聆听李冶教诲为乐事。

  李冶写成《测圆海镜》后,到太原住了一个时期,藩府的官员曾请他出仕为官,他坚决谢绝了。后来,他到了山西平定,在那里,李冶与一代词人元好问受到当地人的敬仰。平定侯聂?也很尊重李冶和元好问,他经常把他们接到自己府邸做客。时人常常将二人并称“元李”。至元二年(1265年),平定州创建“四贤堂”,以祭祀金元时期文坛领袖,“四贤”就是指杨云翼、赵秉文、元好问和李冶,可见李冶在当时名声之高、影响之大。

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