第七章 高次方程数值解法 第五节 正负开方术

祖冲之求解负系数方程的资料已佚。现存史料中,第一次突破方程系数为正的限制的是北宋12世纪数学家刘益。据杨辉《田亩比类乘除捷法》所引,刘益《议古根源》中提出了形如x2-12x=864,-5x2+228x=2592,-5x4+52x3+128x2=4096的方程,可见他还突破了首项系数是1的限制。刘益为解决这些负系数方程,提出了益积开方术和减从开方术。杨辉说刘益的方法“实冠前古”。这两种方法尚不是增乘方法,后者与增乘开方法比较接近。

秦九韶提出正负开方术,把以增乘开方法为主体的高次方程数值解法发展到十分完备的程度。他的方程有的高达10次,方程系数在有理数范围内没有限制。他规定实常为负,这实际上是求解如下方程的正根:f(x)=a0xn+a1xn-1+a2xn-2+…+an-1x+an=0(a0≠0,an<0)

秦氏正负开方术的完整表述在《数书九章》田域类“尖田求积”问中:已知两尖田合成的一段田地,大斜39步,小斜25步,中广30步,求其面积(如图31)。此题归结为开玲珑三乘方:-x4+763200x2-40642560000=0


图31 尖田

其开方过程是:

(1)列出方式,开玲珑三乘方。

(2)上廉超一位,益隅超三位,商数进一位。上廉再超一位,益隅再超三位,商数再进一位,上商八百为定。

(3)以商生隅,入益下廉,以商生下廉消从上廉,以商生上廉,入方,以商生方,得正积,乃与实相消。以负实消正积,其积乃有余,为正实,谓之“换骨”。

(4)一变,以商生隅,入下廉。以商生下廉,入上廉内,相消。以正负上廉相消。以商生上廉,入方内,相消。以正负方相消。

(5)二变:以商生隅,入下廉;以商生下廉,入上廉。

(6)三变:以商生隅,入下廉。

(7)四变:方一退,上廉二退,下廉三退,隅四退;商续置。

(8)以方约实,续商置四十,生隅入下廉内。以商生下廉,入上廉内。以商生上廉,入方内。以续商四十命方法,除实,适尽。所得商数八百四十步为田积。

秦九韶指出“后篇效此”,表明这是一种普遍方法。这个开方中,出现常数项由负变正的情况,秦九韶称为“换骨”。开方过程中,还会出现常数项绝对值增大的情形,秦氏称为“投胎”。秦氏提出这些情形,目的在于指示人们遇到反常情形不要裹足不前,而是要继续下去。

正负开方术是13世纪宋元数学家的共识。南宋的杨辉,金元的李冶、朱世杰对此都有贡献。李冶、朱世杰不再规定实常为负,而是可正可负,并对常数项变号或绝对值增大的情况也提出了处理意见。数学家们还提出了之分法。如《益古演段》第40题需求-22.5x2-648x-23002=0的正根,就原式开方,开不出准确根,李冶便以22.5乘常数项23002,得517545,一次项系数不变,二次项系数变为-1,再开方,即求-y2-648y+517545=0的正根。这实际上是作变换y=22.5x,求出y=465,因此,x=466÷22.5=20(2/3)。朱世杰把这种方法推广到高次方。《四元玉鉴》的“和分索隐”门第13问的开方式是576x4-2640x3+1729x2+3960x-1695252=0。他开得正根的整数部分8之后,尚有余式576x14+15792x13+1595532+704392x1-545300=0

便以5763乘常数项,5762乘一次项系数,576乘二次项系数,三次项系数不变,以1为首项系数,开方式化成y4+15792y3+91902528y2+233700360192y-104208452812800=0

这实际上进行变换y=576x1,开方得y=384,因此x1=y/576=384/576=2/3,x=8(2/3)。之分法又称作连枝同体术,是非常巧妙的。