按:如图,戴震意谓为次弧背,GF 为次弧背之矢。则:①GF=OFOG=OF…CB②BE=2BG=2OC③CB=OG=OF…GF④OC2=BG·GE=GF·GH 戴震的这一勾股术,实际上将过圆心的直角三角形推广到圆内接长方形观察之。戴说甚确。4、《记》上:“有半弧弦(又名内矩分),有矢,求其圆径,半弧弦自乘,矢除之,加矢,为圆径。”
按:戴震术语中的内矩即弦,内矩分即弦之半。此处的圆径指直径而言,如图:已知a、s,求2R,则据圆内直线相交定理:a2=s(R…s+R)a2=2Rs…s2 2R=as2+s。
5、《记》上:“有矢,有圆径,求半弧弦,以矢为股弦较,于圆径减矢余为股勾和,和、较相乘,开方得勾,勾即半弧弦,倍之为全弦。”
按:用上图,设6 为直径,则据圆内直线相交定理a2s(d…s) a= sd s … 26、《记》上:“有半弧弦,有圆径,有矢。以半弧弦与圆半径相减得次弧背之矢,为勾弦较,相并为勾弦和,和较相乘,开方得股,股即次半弧弦(又名次内矩分),以减圆半径得矢”。
按:此题可按§4 图解之,已知a、d,求s,则s(d…s)=a2s2…sd+a2=0 需解一元二次方程得s,戴震当时尚未识此。戴解此题的思路是用另§3 图解得的。设:DC 为s,勾BC 为a,OB 为R,则GF=R…a,GH=R+aOC2=BG·GE=GF·GH=(R…a)(R+a) OC= ( )( ) R a R a + … OC=BG,即戴震所谓次内矩分、次半弧弦。S=R…OC=R…BG=R… ( )( ) R a R a + …十分清楚,戴震的勾股第四、五、六术联系十分紧密,如从代数学角度看,是同一代数式设不同未知数解方程。戴震是从几何学去寻觅不同联系的。第六术中戴震还说:“方圆相函之体,用截圆之周径而函勾股和、较之率,四分圆周之一如之。规方之四隅而函圆之周,凡四觚(按:gū角)如之。因方以为勾股,函圆之半周,凡三觚如之。”
按:为解释此说,戴震共画了五个图,意思是说在正方形,任意四边形、直角三角形、锐角三角形、钝角三角形端点画圆截弧,前两者弧之和均为360°,后两者均为180°。这实际上是把多边形与圆联系起来探讨两者的关系,结论是,任意四边形内角和总是等于一个圆,任意三角形内角和总是等于半个圆。这无疑是正确的。
此外,在第六术中,戴震还举出了勾股术在工程上的应用,如测水平、测高度、测深度、测距离等。戴震十分讲究技术应用,基础理论和技术应用之间没有鸿沟,虽然它们的前提都挂上为解经服务,但科学和技术实际上都成了独立研究的对象。
7、《记》上:“有次矩分,求矩分,以积矩为实,次矩分为法,除之得矩分。”又说:“有矩分求次矩分,以积矩为实,矩分为法,除之得次矩分。”按:这实际上是戴震把长方形和圆联系起来考察,视长方形为圆内接长方形,矩分为边长,积矩为矩分和次矩分之积,实际上是长方形面积,“实”为被除数,“法”为除数。戴说甚明。戴震明确指出:“右即广袤互求之法”。“广”即宽度,“袤”即长度。
8、仍是工程测量问题,所谓“有矩分(边长)求径引数(工程测量中垂线随处所指引起大于圆半径的伸长部分)”。此外,戴震还讨论了圆内接正六边形边长等于圆半径,圆内接正十边形边长为:以该圆半径为股,该圆半径之半为勾,求其弦,然后得弦与勾之差即为正十边形边长。戴氏甚确。9、实际上是将两相似直角三角形作比较,用比例法解勾股问题,以解决工程测量中的求远处高度之类的问题(本来可以直接用三角函数,如H=Csina,戴震化为勾股比例问题,原理同,但稍烦,戴震表彰中法,故有此算法)。《记》上:“凡勾股弦大小大互求,必得其三,则可以知其四,以原有之两矩定其率,今有之一矩,合而权之,异乘同除,得所求之一矩。”按:此话甚费解,试设两直角三角形相似,勾股弦分别为A、B、C 和a、b、c①戴云:“小股与大勾相乘,小勾除之,得大股。”解:如图则(式中小股与大勾相乘,戴谓之“异乘”,大勾与小勾相除,戴谓之“同除”,以下同此类推之。)
②戴云:“小勾与大股相乘,小股除之,得大勾”。解:如图:③戴云:“大股与小勾相乘,大勾除之,得小股”。解:如图:④戴云:“大勾与小股相乘,大股除之,得小勾”。解:如图:⑤戴云:“小弦与大勾相乘,小勾除之,得大勾”。解:如图:⑥戴云:“小勾与大弦相乘,小弦除之,得大勾”。解:如图:⑦戴云:“大弦与小勾相乘,大勾除之,得小弦”。解:如图:⑧戴云:“大勾与小弦相乘,大弦除之,得小勾”。解:如图:⑨戴云:“小弦与大股相乘,小股除之,得大弦”。解:如图:⑩戴云:“小股与大弦相乘,小弦除之,得大股”。解:如图:戴云:“大弦与小股相乘,大股除之,得小弦”。解:如图:戴云:“大0 股与小弦相乘,大弦除之,得小股”。解:如图:针对以上十二种情形,戴震认为:“割圆之法,尽于勾股互权”。它的实际用途仍在工程测量上,戴震举了“隔水测崖高”说明之。
10、除重申§6 介绍的第六术以外,以勾股法讲述三角函数的求解,戴震注指出:他所说的“矩分”指正切,“内矩分”指正弦,“径引数”指正割,“次矩分”指余切,“次内矩分”指余弦,“次引数”指“余割”。例如,戴震说:“有次内矩分,有内矩分,求矩分:以圆半径乘内矩分,内矩分除之,得矩分。”
按:先按戴震的中法解之,参用§3 的图。已知:BG,BC 则矩分tg∠BOC=R BCBG·这就是戴震关于矩分的值,因通常割圆时以半径作为单位长度看待,故tg∠BOC=BCBG=BCOC若以戴震注明西学术语解之,则戴震的说法可写作:tga=R aa·sincos,通常以半径为单位长度,则tga=sincosaa,甚确。至于戴震第二术中讲述的余切、正割、余割、正弦、余弦的求解法,情况类此。本条完全可以看出戴震中西互为表里的学术思想。值得重视。
11、勾股第十一术实际上是讲半角公式,《记》上:“求分弧内矩分及次内矩分:以矢与圆半径相乘,半之,开方,得分弧之内矩分。以内矩分与分弧之内矩分相乘,矢除之,得分弧之次内矩分。”
按:分弧指的一半,设DC 为S,半径BO 为R,∠BOD 为a,按题意为求解BE(分弧内矩分)的长度。亦即Rsina2号戴震的结论是:BE=SR2今按半角公式证之:sina2=12… cos a在直角△BOC 中cosa=OCR=R SR…故sina2=12…… R SR =SR 2BE=RSR 2=RS2又:求解分弧的次内矩分,即求分弧的余弦OE,戴震公式为OE=BC BEs×(式中BC 为原弧内矩分),BE 为分弧内矩分,因直角△BCE 与直角△OEB 相似,BEDC=BOBD=OEBC即BES=RBD=OEBC故OE=BC BEs×证讫。
12、第十二术实际上是倍角公式。但表达全用中法勾股木。《记》上:“求倍弧内矩分及次内矩分,以内矩分与次内矩分相乘,倍之为实,(即内矩分乘倍次内矩分之数),径隅除之,得倍弧内矩分。若内矩分自乘倍之为实(即内矩分乘倍内矩分之数),径隅除之得倍弧之矢,减矢于圆半径,得倍弧之次内矩分。
按:据戴震术语,内矩分为正弦,次内矩分为余弦,设∠BOC 为a,则∠BOE=2a,据题求BE 和OE,显指求2a 的正弦值和余弦值。据戴震说法:公式当为:BE=2BC OCR·(式中R 表示径隅,亦即半径,直角三角形中的弦)
OE=R…2 2 BCR。现证明如下:直角△ BAE~直角△ BOC,故BDBA=BCAE=OCBEBE=BA OCBO·=2BC OCR·证讫一式。AE=BC BABO·=BC BCBO·2=2 2 BCROE=OA…AE=R…2 2 BCR证讫二式。戴震用中法来理解倍角的正弦和余弦是完全正确的。
13、第十三术戴震叙述了两角和的正弦公式。两角差的正弦公式、两角和余弦公式、两角差余弦公式。《记》上:“有大小两弧求其和弧、较弧内矩分及次内矩分,以大弧两矩分与小弧次内矩分相乘,径隅除之,得和弧、较弧内矩分之半和;以大弧次内矩分与小弧内矩分相乘,径隅除之,得和弧、较弧内矩分之半较。加半较于半和为和弧内矩分;减半较于半和,为较弧内矩分。”按:设大弧对应的角为α,小弧的角为β,则两弧之和或两角之和为α+β。由术语内矩分正弧,次内矩分为余弧。由勾股值,戴震上述表达可写作:Rsin(α+β)=R RRsin cos α· β+R RRcos sin α· β=R(sinαcosβ+cosαsinβ)故sin(α+β)=sinαcosβ+cosαsinβ。所谓较弧即指两角之差。戴震上述表达的另一部分可写作Rsin(α…β)=R RRsin cos α· β…R RRcos sin α· β=R(sinαcosβ…cosαsinβ)故sin(α…β)= sinαcosβ…cosαsinβ最后的等式表明,戴震表达的“两角和之内矩分”与两角和的次内矩分”、“两角差的次内矩分”与现代数学中的cos(α+β)、cos(α…β)的等值式公内容完全一致。戴震的中法说明完全合乎西法。
戴震在此第十三术中,还举例说明两角和与两角差的正弦、余弦值的广泛使用。在戴震看来,源于实用的勾股,其原理不管多么复杂,当即还之实用,这是贯穿全书的数学应用思想。值得注意的是,戴震还讲了勾股割圆的历史发展,讲述了梅文鼎和薛凤祚成就和不足。戴震认为,古代割圆法之深入的论述(如本节十二术己是较深的割圆术)“书缺失传”,元时授时历有“弧矢割圆图”,但仅讲了“共半弧背之勾股,小大互求”。这无疑是勾股割圆的基础,可由此推广到一切复杂的使用,但很可惜,没有深入下去。戴震对这一基本原理十分重视,他认为:“实足以尽割圆之理,凡小大可互求者未有非共半弧背者也。”数学史的发展至于彼之晚近,戴震说:近人殚精此学,如梅定九、薛仪甫诸家兼通西洋之说,有八线表、平三角、弧三角等法,虽别立名目,于古之勾股弧矢不异。惜译书时欲张其说,凡一语可该,必衍为千百言,多其端绪,使观之者目眩而莫测其涯涘,又讳言立法之本出于勾股弧矢,转谓勾股不能御三角,三角不能御勾股。以梅氏考论之,详于平三角举要,论三角形用正弦,为比例之理,凡为图者十,而不能知其为“共半弧背之勾股”,其他大抵类此。
在戴震看来,梅文鼎并没有将西学的平面三角和中学的勾股割圆很好地结合起来,对此他很不满意。诚然,这里有些误会②。但戴震中西结合的学术思想是明确的。在具体表述上,科学的选择还是选择了西学的三角函数式。最根本的原因还是使用方便,尤其在进一步的深层连锁推理中,简明灵便的三角函数式较为优越,戴震的割圆术成了科学史研究的对象,但正象使用莱布尼兹微积分并不否定牛顿的奇勋那样,戴震的勾股术与三角学相比较,同样正确,有同等的功效,有同样的应用价值,只是没有形成系统配套的代数式构成的计算体系,仅限于这一点,或许可以说,戴震割圆术较之三角学还缺少点儿什么:那就是爱因斯坦所说的逻辑的简单性和数学的简单性原则。
14、实际上是讲正弦定理,戴震以西名注之云:“今名两角夹一边求余角余边,所知两角不夹所知之一边术同。”《记》上云:“有正弧及对正觚之距,有对所有一距之觚规限(按:度数),求其距:以对所求一距之觚规限内矩分乘对正觚之距,正弧内矩分除之,得所求之距。”
按:设圆内接三角形ABC 三边长为a、b、c,据戴震题意,已知即∠A,a, ∠B,求b 的长度。戴震的解法是:sinsinB aA·=b,可改写成:aA sin=bB sin,故谓戴勾股十四术是正弦定理。
15、仍为正弦定理。戴以西名注之曰:“今名两边一角,角有所对之边,求余角余边。”《记》上:“有正弧及对正觚之距,有对所求一觚之距,求其弧规限;以对所求一觚之距乘正弧内矩分,对正觎之距除之,得所求之觚规限内矩分(此即前术转而用之)。”
按:用上图,据题意,已知即∠A,a,b,求∠B。戴震的解法是:b Aasin=sinB,可改写成bB sin=aA sin,故谓戴勾股十五术仍为正弦定理。
① 《勾股割圆记》,见《安徽丛书》第六期《戴东原先生全集》② 梅氏《平三角举要》自序中说:“新历之妙,全在弧三角,然必先知平三角而后可以论弧三角,犹之必先知勾股而后可以论平三角也。乃举要义次为五卷。”梅氏《平三角举要》是我国数学家自著三角学。16、第十六术,戴以西名注之曰:“今名两边夹一角求余角余边,用梅氏切线分外角法。”此题并不复杂①。困难的是对戴震的中法解释加以证明。《记》上:“和两距一觚规限,所知之两距旁于所知之觚,其觚曰本觚,规限曰本觚(按:疑当为‘弧’字)。减本弧于圆半周,余为所求两觚规限之和(吴曰今名外角),半之为两弧之半和。以所知两距之较,乘两弧之半和矩分,两距之和除之,得两弧之半较矩分。以半和半较相加,得对大距之觚规限。若相减则得对小距之觚限。既知三觚两距,则如前第十四术得对本觚之距。”
按:如图,已经a,b,C,求c 即AB 的长度,∠A、∠B。今解法可用“两边夹一角求第三边”的公式(见前页注释)求出c,然后用十四术讨论的正弦定理求∠A、∠B。按戴震的说法,“两距之较”指b…a,“两弧之半和矩分” 即tgB C +2, “ 两弧之半较矩分” 即tgB C …2。由截说: 则( ) b a tgB Ab a…++2 = tgB A …2,(b…a)tgB A +2=(b+a)tgB A +2经笔者用三角函数正切半角公式证明①,此式是成立的,故戴说是正确的。至于求∠B 和∠A,戴说:“以半和(按:指B A +2)半较(按:指B A …2)相加,得对大距之觚规限(按:即∠B 的值),若相减得对小距之觚规限(按:即∠A 的值)。”即∠B=B A +2+B A …2,A=B A +2…B A …2从而求得∠B 和∠A,戴震这一解法是同义反复,由未知求未知,不可能得∠A 和∠B 的,因而是错误的。故戴震紧接着求∠B 和∠A 所说的:“既知三觚两距,则如前第十四术(按:正弦定理)得对本觚之距,”也就无法落实。正确的解法,显见应是首先利用已知a、b和∠C,用解斜三角形余弦定理法求得AB 即C,然后用正弦定理得A、B 两角。在《勾股割图术》中卷,戴震将天体视运动轨道黄道、赤道及其交角、经度、纬度问题化作球面勾股弦问题,即西法的球面三角。中卷的割圆术全部是解球面直角三角形,经用解球面三角形公式验证,戴震球面勾股弦解法完全正确。例《记》中十八术,戴云:有经度,有经弧,求纬度:以经度欢矩分乘经弧矩分,圆半径除之,得纬度次内矩分。按题意,设球面直角三角形ABC,弧为a、b、c,角A、B、C,C 为直角,已知经度A,经弧a,求解纬度B 的余弦。戴震的结论是cosB=ctgA tgaR·① 已知△ABC 中,边长a;b;夹角C,求边长c;则c2=a2+b2…2abcosC证明:在球面直角三角形ABC 中,cosB=tga ·ctgc ctgc=ctgARcosB=tga·ctgAR=ctgA tgaR·《勾股割圆记》下卷全部是球面斜三角形的勾股弦解法,经验证,全部合乎球面斜三角形的三角函数解法。例如第四十五术,是球面三角的正弦定理,戴云:以对正觚之距内矩分,乘对所求一距之觚内矩分,正觚内矩分除之,得所求之距内矩分。此外,球面的勾股解法中由两弧夹一角求对弧,两角