第七章 高次方程数值解法 第二节 开立方

《九章算术》也提出了开立方的完整程序。

开立方术曰:置积为实。借一算步之,超二等。议所得,以再乘所借一算为法,而除之。除已,三之为定法。复除,折而下。以三乘所得数置中行。复借一算置下行。步之,中超一,下超二等。复置议,以一乘中,再乘下,皆副以加定法。以定法除。除已,倍下、并中从定法。复除,折下如前。开之不尽者,亦为不可开。若积有分者,通分内子为定实。定实乃开之,讫,开其母以报除。若母不可开者,又以母再乘定实,乃开之。讫,令如母而一。


图28 开立方术示意

明白了开方术,这段文字并不难理解。这里作五行布算:议得(根)、实、法、中行、借算。刘徽以立体模型给开立方以直观几何解释。开立方是已知一正方体的体积求其边长。设其根为n+1位,以根的一位得数的立方103na13减实A,便是从体积为A的正方体中减去以10na1为边长的正方体。A-103na13便是其剩余部分,它由三种七块立体组成,如图28(1)。第一种是角上的小正方体,如图28(2),其体积为103n-3x13;第二种是三块扁状小长方体,每一块体积为(10na1)210n-1x1=103n-1a12x1,如图28(3);第三种是三块条状小长方体,每一块体积为10na1(10n-1x1)2=103n-2a1x12,刘徽称为三长廉,如图28(4),廉是边的意思。因此要求x1相当于求减根方程103n-3x13+3·103n-2a1x12+3·103n-1a12x1=A-103na13的正根,这实际上是一个开带从立方问题。

《隋书·律历志》说祖冲之“又设开差幂、开差立,兼以正负参之,指要精密,算氏之最也。”钱宝琮认为,开差幂是开长、宽有差的长方形面积,开差立是开长、宽、高有差的长方体体积。设宽x,长x+k,高x+l,则x(x+k)=A或x2+kx=A是带从平方,就是开差幂。而x(x+k)(x+l)=A或x3+(k+l)x2+klx=A就是开差立。如果k、l有一个或两者都是负数,则x2、x的系数可能为负,这就是要兼以正负参之的原因所在。就是说,祖冲之已能解决负系数带从平方、立方问题。可惜他的著作已失传。目前所传最早开带从立方问题出现在王孝通《缉古算经》中,他解决了形如x3+ax2+bx=A及x4+ax2=A的求解问题,其中a、A>0,b≥0。后者通过两次开平方解决。贾宪的立成释锁立方法是与现今无异的开立方法。