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中国古代数学中的极限与累积

幂势既同,积不容异。

没有微积分的符号,也没有现代极限的定义。先别急着命名——动手割一次,答案会自己出现。

落下第一刀

四个动作
割 · 逼 · 积 · 合
看一种数学直觉
怎样逼近今天。

不是把古代术语改写成现代名词而是亲手看见:一种思想怎样从动作中长出来

壹 · Cut

“割之又割,以至于不可割,则与圆周合体而无所失矣。”刘徽《九章算术注》

从圆内接正六边形开始,每次把边数加倍。多边形不曾变成圆,却会越来越贴近圆。

边数6

圆周率近似3.000000

未覆盖面积17.301%

图中的数值用现代三角函数重算刘徽的几何过程;半径取 1。

贰 · Approach

“割之弥细,所失弥少。”刘徽《九章算术注》

把误差放到眼前。边数每翻一倍,夹住圆周率的区间便骤然缩短。

内接下界π外切上界
3.000000π3.464102
尚未确定的区间0.464102

两边都在移动,目标被夹在中间。

叁 · Accumulate

“幂势既同,则积不容异。”祖暅,唐李淳风等《九章算术》注引

“幂”指截面面积,“势”指高度。把球横切成一层层薄片:每层都很薄,所有截面合起来便决定整个体积。

切片数4

薄片厚度0.5000 r

体积近似4.31969

相对误差3.125%

透明薄片是现代可视化:祖暅原理比较的是同高处截面积,而非写出黎曼和。

肆 · Merge

把古代的动作与现代的符号叠在一起。拖动中线,看看哪些结构延续下来,又有哪些表达后来才被建立。

古代算法语言

六觚 → 十二觚 → 二十四觚
割之弥细,所失弥少
幂势既同,则积不容异

现代形式语言

分割n → ∞
极限lim An = πr²
积分Σ A(zᵢ)Δz → ∫ A(z) dz

刘徽与祖暅没有现代函数、极限定义和积分符号;他们留下的,是对分割、逼近与等截面求积极其清楚的算法思想。

史料与说明

从原文出发

所有动态图形都用现代数值方法重建古代思想,用于建立直觉,不代表古代文献采用了今日的函数、坐标、极限符号或黎曼积分定义。