关于求三角形面积的海伦公式,许多同学对这一公式有所了解但不知道如何证明。它是利用三角形的三条边的边长直接求三角形面积的公式,形式漂亮,便于记忆。相传这个公式最早是由古希腊数学家阿基米德得出的,但因为这个公式最早出现在古希腊数学家海伦(Heron,公元50年前后)的著作《测地术》中,所以被称为海伦公式。
我国著名的数学家秦九韶在《数书九章》提出了“三斜求积术”和此公式相类似。秦九韶把三角形的三条边分别称为小斜、中斜和大斜,“术”即方法。三斜求积术就是用小斜平方加上大斜平方,与中斜平方相减后的一半,自乘而得一个数。然后再用小斜平方乘以大斜平方,与上面得到的那个数相减后被4除再开平方后即得面积.相当于海伦公式的展开的一种结果。现提供这一公式的几种证明方法。
最后是利用海伦公式解决具体问题一例。
秦九韶生平如下:
秦九韶,字道古。普州安岳(今四川安岳)人,祖籍鲁郡(今河南范县)。中国古代数学家。南宋嘉定元年(年)生;约景定二年(年)被贬至梅州;咸淳四年()二月,在梅州辞世,时年61岁。
秦九韶自幼生活在家乡,18岁时曾“在乡里为义兵首”,后随父亲移居京部。他是一位非常聪明的人,处处留心,好学不倦。其父任职工部郎中和秘书少监期间,正是他努力学习和积累知识的时候。工部郎中掌管营建,而秘书省则掌管图书,其下属机构设有太史局,因此,他有机会阅读大量典籍,并拜访天文历法和建筑等方面的专家,请教天文历法和土木工程问题,甚至可以深入工地,了解施工情况.他又曾向一位精通数学的隐士学习数学.他还向著名词人李刘学习骈俪诗词,达到较高水平。通过这一阶段的学习,秦九韶成为一位学识渊博、多才多艺的青年学者,时人说他“性极机巧,星象、音律、算术,以至营造等事,无不精究”,“游戏、毬、马、弓、剑,莫不能知。”
年,秦九韶随父亲至潼川,担任过一段时间的县尉。数年后,李刘曾邀请他到南宋国史院校勘书籍文献,但未成行。端平三年()元兵攻入四川,嘉陵江流域战乱仍频,秦九韶不得不经常参与军事活动。他后来在《数书九章》序中写道:“际时狄患,历岁遥塞,不自意全于矢石间,尝险罹忧,荏苒十祀,心槁气落”,真实地反映了这段动荡的生活。由于元兵进逼和溃卒骚乱,潼川已难以安居,于是他再度出川东下,先后担任过蕲州(今湖北蕲春)通判及和州(今安徽和县)守,最后定居湖州(今浙江吴兴)。秦九韶在任和州守期间,利用职权贩盐,强行卖给百姓,从中牟利。定居湖州后,所建住宅“极其宏敞”,“后为列屋,以处秀姬、管弦”。据载,他在湖州生活奢华,“用度无算”。淳祐四年()八月,秦九韶以通直郎为建康府(今江苏南京)通判,十一月因母丧离任,回湖州守孝。在此期间,他专心致志研究数学,于淳祐七年()九月完成数学名著《数书九章》。由于在天文历法方面的丰富知识和成就,他曾受到皇帝召见,阐述自己的见解,并呈有奏稿和《数学大略》(即《数书九章》)。
宝祐二年(),秦九韶回到建康,改任沿江制置使参议,不久去职。此后,他极力攀附和贿赂当朝权贵贾似道,得于宝祐六年()任琼州守,但三个月后被免职。同时代的刘克庄说秦九韶“到郡(琼州)仅百日许,郡人莫不厌其贪暴,作卒哭歌以快其去”,周密亦说他“至郡数月,罢归,所携甚富”。看来,由于他在琼州的贪暴,百姓极为不满。秦九韶从琼州回到湖州后,投靠吴潜,得到吴潜赏识,两人关系甚密。吴潜曾相继在开庆元年()拟任以司农寺丞,景定元年()拟任以知临江军(今江西清江),都因遭到激烈反对而作罢。在这段时间里,秦九韶热衷于谋求官职,追逐功名利禄,在科学上没有显著成绩。在南宋统治集团内部的激烈斗争中,吴潜被罢官贬谪,秦九韶也受到牵连。约在景定二年(),他被贬至梅州做地方官,“在梅治政不辍”,不久便死于任所。《宋史》无传。
秦九韶在数学上的主要成就是系统地总结和发展了高次方程数值解法和一次同余组解法,提出了相当完备的“正负开方术”和“大衍求一术”,达到了当时世界数学的最高水平。
划时代巨著《数书九章》的主要内容偏重于数学的应用方面,全书八十一道题目都是结合当时的实际需要提出的问题。全书九章十八卷,九章九类:“大衍类”、“天时类”、“田域类”、“测望类”、“赋役类”、“钱谷类”、“营建类”、“军旅类”、“市物类”,每类9题(9问)共计81题(81问),该书内容丰富至极,上至天文、星象、历律、测候,下至河道、水利、建筑、运输,各种几何图形和体积,钱谷、赋役、市场、牙厘的计算和互易。许多计算方法和经验常数直到现在仍有很高的参考价值和实践意义,被誉为“算中宝典”。该书著述方式,大多由“问曰”、“答曰”、“术曰”、“草曰”四部分组成:“问曰”,是从实际生活中提出问题;“答曰”,给出答案;“术曰”,阐述解题原理与步骤;“草曰”,给出详细的解题过程。此书已为国内外科学史界公认的一部世界数学名著。此书不仅代表着当时中国数学的先进水平,也标志着中世纪世界数学的成绩之一。我国数学史家梁宗巨评价道:“秦九韶的《数书九章》(年)是一部划时代的巨著,内容丰富,精湛绝伦。特别是大衍求一术(不定方程的中国独特解法)及高次代数方程的数值解法,在世界数学史上占有崇高的地位。那时欧洲漫长的黑夜犹未结束,中国人的创造却像旭日一般在东方发出万丈光芒。
大衍求一术中国古代求解一类大衍问题的方法。大衍问题源于《孙子算经》中的“物不知数”问题:“今有物,不知其数,三三数之剩二,五五数之剩三,七七数之剩二,问物几何?”这是属于现代数论中求解一次同余式方程组问题。宋代数学家秦九韶在《数书九章》(年成书)中对此类问题的解法作了系统的论述,并称之为大衍求一术。九韶的“大衍求一术”,被康托尔称为“最幸运的天才”。秦九韶所发明的“大衍求一术”,即现代数论中一次同余式组解法,是中世纪世界数学的成就之一,比西方年著名数学家高斯(Gauss,—年)建立的同余理论早年,被西方称为“中国剩余定理”。
任意次方程秦九韶在《数书九章》中除“大衍求一术”外,还创拟了正负开方术,即任意高次方程的数值解法,秦九韶所发明的此项成果比年英国人霍纳(W·G·Horner,—年)的同样解法早年。秦九韶的正负方术,列算式时,提出“商常为正,实常为负,从常为正,益常为负”的原则,纯用代数加法,给出统一的运算规律,并且扩充到任何高次方程中去。
一次方程组解法此外,秦九韶还改进了一次方程组的解法,用互乘对减法消元,与现今的加减消元法完全一致;同时秦九韶又给出了筹算的草式,可使它扩充到一般线性方程中的解法。
三斜求积术秦九韶还创用了“三斜求积术”等,给出了已知三角形三边求三角形面积公式,与古希腊数学家海伦(Heron,公元50年前后)公式完全一致。秦九韶还给出一些经验常数,如筑土问题中的“坚三穿四壤五,粟率五十,墙法半之”等,即使对当前仍有现实意义。秦九韶还在十八卷77问“推计互易”中给出了配分比例和连锁比例的混合命题的巧妙且一般的运算方法,至今仍有意义。
秦九韶算法。直到今天,这种算法仍是多项式求值比较实用的算法。该算法可将求n次多项式的值转化为求n个一次多项式的值。在人工计算时,利用秦九韶算法和其中的系数表可以大幅简化运算。
《数书九章》是对《九章算术》的继承和发展,概括了宋元时期中国传统数学的主要成就,标志着中国古代数学的高峰。当它还是抄本时就先后被收入《永乐大典》和《四库全书》。年第一次印刷后即在民间广泛流传。秦九韶所创造的正负开方术和大衍求一术长期以来影响着中国数学的研究方向。焦循、李锐、张敦仁、骆腾凤、时曰醇、黄宗宪等数学家的著述都是在《数书九章》的直接或间接影响下完成的。秦九韶的成就也代表了中世纪世界数学发展的主流与最高水平,在世界数学史上占有崇高的地位。
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