灵犀锁深楼 22-12-22 13:21

与日本数学和西方数学相比,中国数学在某些领域确实比较早熟。比如说,最早认识到负数的存在,最早用负数求解方程组,最早把圆周率准确推算到小数点后第七位,最早发展出成熟的除法运算......
还有一项技能可以证明中国数学的早熟——开平方。
我们知道,求一个数的平方很容易,让这个数乘以它自身就行了。平方运算在《九章算术》以及后来的数学典籍里比比皆是,古代中国数学家称之为“自乘”。例如3的平方,就是让3自乘,也就是3×3,结果是9。15的平方,就是让15自乘,也就是15×15,结果是225。汉唐时期的筹算,明清时期的珠算,都有清晰的自乘方法和完备的自乘规则。算一个数的平方,哪怕是一个很大很大数字的平方,对中国古人来讲,都像砍瓜切菜一样容易。
可是开平方呢?怎么用算筹或者算盘对一个大数开平方呢?说说容易:开方是乘方的逆运算,开平方是平方的逆运算。真正算起来要难得多,不信你问一些上过大学的成年人,让他们不借助计算器和计算机,全靠手工,对一个三位数或者五位数开平方,他们十有八九不会做。
正在读初中的小朋友倒有可能算得出来,因为初中数学课本上介绍过手动开平方的基本流程。虽然这部分内容在多数版本的数学教材上都是选修,但一个学生只要留心,就能掌握手动开平方的技能。
我们随便选一个三位数,729,现在对它开平方。
第一步,将被开方数分段,从右向左,每两位划成一段,用撇号分开。即把729分成7'29。
第二步,从左向右,分段开方,先对7开方,三三得九,3的平方是9,大于7,所以7的平方根不可能大于3,只能写成2。我们在7的上面写2,表明729的平方根是个两位数,这个两位数的十位是2。
第三步,二二得四,2的平方等于4,用7减4,还余3,在7'29下面一行写上329。也就是说,如果用20作为729的平方根,那么还有329没被开方。
第四步,用329作为被除数,用2和20的乘积40作为除数,两者试除,商为8。将8乘以40,再加上8的平方,结果是384,大于329。所以要退商,用7乘以40,再加上7的平方,结果是329。329减329,余数为0,于是我们在29的上面写7。
第五步,验算,7'29上面是27,让27自乘,恰好等于729,说明729的平方根就是27。
以上开方过程,既用到了乘法,也用到了除法,又比列竖式做乘法和列除式做除法要复杂。其中最复杂的步骤,是试商:让第一步得到的商乘以20,再与没开方完的数相除,得到一个新的商;再拿这个新的商乘以第一步的商,再乘以20,再加上新商的平方,再与没开方完的数相比较,如果新商偏大,就要减小(退商),如果新商偏小,就要增大(补商)。
对小朋友来讲,难以理解的不是计算步骤,而是为什么要让原商乘以20,为什么要与没开方完的数相除,如此估出一个新商,新商为什么还要乘以原商并且再乘以20,还要再加上新商的平方。
其实这个算法的原理早在汉朝就被中国数学家解释透彻了,它依据的是完全平方公式:(a+b)2=a2+2ab+b2。
刚才算729的平方根,将这个数分成7和29两段,相当于分成700+29。先对700开平方,估算出700的平方根大于20、小于30。然后在7的上面写出平方根的十位数值2,相当于设729的平方根是20+x,进而列出方程:(20+x)2=729。用完全平方公式把方程左边展开:(20+x)2=202+x2+2×20×x=400+x2+40x=729。把常数项移到右侧:x2+40x=729-400=329。用329除以40,估出x≈8,将8代入x2+40x,得数是384,超过了329,于是退商,将估到的新商8减为7。再把7代入x2+40x,得数恰好是329。于是我们完美地解出了(20+x)2=729这个方程,得出x=7。因为(20+7)2=729,所以729的平方根就是27。
趁热打铁,我们再用同样的原理计算50625这个五位数的平方根。
还是将被开方数分段,分成5'06'25。先对5开方,得2。5减2的平方,余1,把106写在下行,让106除以(2×20),估出新商为2。再让2乘以原商2,再乘以20,再加上2的平方,得84。让106减84,余22。这个22代表2200,2200再加被开方数的最后一段25,得2225。让2225除以(22×20),估出又一个新商5。再让5乘以20,再乘以22,再加上5的平方,恰好等于2225。将每一步所得的商写在上面,是225,所以50625的平方根是225。
用文字叙述整个过程,既啰唆又难懂,估计很多人会看懵。如果把手算开方过程写在纸上,那就清楚多了。
早在两千多年前,中国数学家就用这种方法开平方。这种开方算法载于《九章算术》,数学史上称作“九章开方术”。

发布于 江苏