每个人读书的时候都见过这么几个奇葩:上学从不一起走,但总能跟对方偶遇的小甲和小乙;明明一起工作更快,却偏要轮流作业的施工队A和B;银行好几个账户,却不记得自己存了多少钱的小明母亲……跟这些问题相关的,正是二元一次方程组。
“次”和“元”的说法,来自康熙皇帝?什么是“元”和“次”?“元”和“次”是方程和函数中的术语,“元”是指方程中的未知数,“一元”指的是只有一个未知数;“次”是指未知数的最高指数。一元一次方程就是说方程中只有一个未知数且未知数的最高指数为1,例如2x+1=0。
概念很好理解,但“元”和“次”的来历却鲜为人知,一种说法是:在清朝,康熙皇帝在学习西方数学时,提出了“元”、“次”以及“根”这些术语。
当然这些术语也不全是康熙帝首创的,比如用“元”来代表未知数,其实是古已有之的做法。在中国古代,用未知数列方程的方法叫做“天元术”,它与现代代数学中的很多思想不谋而合。我们要运算一个实际问题,一般要分两步进行,第一步要根据问题给出的条件建立一个包括未知数的方程,第二步是求解方程的根。
天元术就是建立代数方程的一般方法,方程中的未知数称为“天元”,也就相当于我们所说的“x”。古人如何列方程?现在我们求解一个问题,可以写“设某某为X”,然后列式计算。但在没有字母的中国古代,数学家要辛苦得多,宋代以前,想要列出一个方程,除了动用高超的数学技巧以外,还需要附上密密麻麻的描述性文字。直到“天元”这一概念的出现将人们彻底解救了出来。
做题先写“设某某为x”,好像放大招前要喊个招式一样。两宋时期,数学家开始将类似天元术的方法运用到数学计算当中。北宋数学家贾宪创造了“增乘开方法”;北宋数学家刘益首次研究了各项系数可正可负的一般方程解法;秦九韶将“增乘开方法”推广为任意高次方程的求正根方法。这一时期,“天元”两个字首次出现在数学家蒋周的《益古集》中。
金、元时期,中国数学出现了一项杰出的创造——天元术。金代数学家李冶的著作《测圆海镜》、《益古演段》,以及元代数学家朱世杰的《算学启蒙下卷》、《四元玉鉴》,都系统地介绍了用天元术建立二次方程的方法。这个时期的成果非常丰富,从这时起,中国古代的数学由文词代数演变成符号代数。
但有的问题中包含多个未知数,又该如何解决呢?《四元玉鉴》中指出,当未知数不止一个时,除了“天元”,我们还可以使用“地元”、“人元”和“物元”等术语,类似于我们今天常用字母“x、y、z、u”表示未知数。
有了符号之后,人们想要求解问题时,可以写上“立天元一为某某”(相当于我们说的“设某某为x”),然后进行运算。下面是当时数学家用“天元术”表示方程的例子:首先,“元”字在第三行,表示前三行有“未知数”;其次,未知数的次数由上到下依次减少,第四行表示常数项;因此,上图表示的方程是x3+336x2+4184x+2488320=0。
天元术在元朝发展成熟,这标志着中国代数学进入了“半数学符号”时代。
而现在我们所学到的“方程”和“函数”的简洁表达形式,则要归功另一个人。在欧洲,16世纪以前的代数方程式还是用文字来叙述表达的。那时要说明一个数学问题,解一道方程,也要进行大量的描述,其劳动量不亚于写一篇800字的作文。直到16世纪,法国数学家韦达建议用元音字母代表已知量,用辅音字母代表未知量,数学符号才出现。但它要比我国数学家用“天元”代表未知量晚了300多年。