第八章 天元术与四元术 第三节 四元术

四元术就是多元高次方程组解法,它实际上包括四元术表示法和四元消法两部分内容。

四元术的表示方法是常数项居中,旁记一“太”字,天元幂系数居下,地元居左,人元居右,物元居上,其幂次由它们与“太”字的位置关系决定,不必记出天、地、人、物等字,距“太”字愈远,幂次愈高,相邻两元幂次之积记入每行列的交叉处,不相邻之元的幂次之积无相应位置,寄放在夹缝中,如图33。一个筹式相当于现今的一个方程式,二元方程组列出两个筹式,三元方程组列出三个筹式,四元方程组列出四个筹式。这是一种分离系数表示法,对列出高次方程组与消元都很方便。可惜由于平面只有上、下、左、右四个方向,最多只能列出四元,高出四元的方程组便无能为力。


图33 四元布列

四元术的核心是四元消法,即将四元四式消成三元三式,再消成二元二式,最后化成一元一式,即高次开方式。朱世杰《四元玉鉴》卷首的“假令细草”中列出了天元术、二元术、三元术和四元术的范例。谨将第3问“三才运元”的消法解释如下。

草曰:立天元一为勾,地元一为股,人元一为弦。三才相配求得今式,求得云式,求得三元之式,以云式剔而消之,二式皆人易天位,前得,后得,互隐通分,相消,左得,右得。(罗士琳细草:以前式左行齐之,得,消前式,得,又以前式消之,得。复以前式左行齐之,得,三因前式,得,消之得为左式。以左行齐前式得;以以前式左行齐左式,得,相消得为右式。内二行得,外二行得,内外相消,四约之,得开方式,三乘方开之,得弦五步。

解:设x为勾a,y为股b,z为弦c,由已知条件列出x+y+z-xy(z-y)=0或-xy2+xyz-x-y-z=0(今式)。

同样

-x2+x+xz+y-z=0(云式)。

x2+y2-z2=0(三元式)。

以云式减今式,以x除,并将y2=z2-x2,y=-x2+x+xz-z代入,便得到前式:x2+x-x2z+xz-z+xz2-2z2-2=0

将y=-x2+x+xz-z代入三元式,便得到后式:x3-2x2+2x-2x2z+4xz-2z+xz2-2z2=0

并将人元摆到天元上。互隐通分相消,得到(-z2+3z+7)x+(z3-3z2-7z-6)=0

为左式,(-2z3+5z+11z+13)x+(2z4-5z3-15z2-13z-14)=0

为右式。

以前式左行(-z+1)乘后式,(-z+1)x3+(2z3-2)x2+(-z3-3z2+2z+2)x+(2z3-2z)=0

以x乘前式,得(-z+1)x3+(z2+z+1)x2+(-2z2-z-2)x=0

两者相消,得(z2-z-3)x2+(-z3-z2+3z+4)x+(2z3-2z)x=0

又以z乘前式(-z2+z)x2+(z3+z2+z)x+(-2z3-z2-2z)x=0

与之相消,得-3x2+(4z+4)x+(-z2-4z)=0

[以前式左行(-z+1)乘此式,得(3z-3)x2+(-4z2+4)x+(z3+3z2-4z)=0

以3乘前式,得(-3x+3)x2+(3z2+3z+3)x+(-6z2-3z-6)=0

两者相消,得(-z2+3x+7)x+(z3-3z2-7z-6)=0为左式。

以左式x的系数乘前式,得到(z3-4z2-4z+7)x2+(-z4+2z3+9z2+10z+7)x+(2z4-5z3-15z2-13z-14)=0

以前式x2的系数(-z+1)及x乘左式,得(z3-4z2-4z+7)x3+(-z4+4z3+4z2-z-6)x=0两者相消为右式:(-2z3+5z2+11z+13)x+(2z4-5z3-15z2-13z-14)=0]

内二行相乘得(z3-3z2-7z-6)(-2z3+5z2+11z+13)=-2z6+11z5+10z4-43z3-146z2-157z-78

外二行相乘得(-z2+3z+7)(2z4-5z3-15z2-13z-14)=-2z6+11z5+14z4-67z3-130z2-133z-98

两者相减应为0

4z4-24z3+16z2+24z-20=0

z4-6z3+4z2+6z-5=0

z=5

问题是:“今有股弦较除弦和和与直积等。只云勾弦较除弦较和与勾同,问弦几何?”即已知(a+b+c)÷(c-b)=ab,(-a+b+c)÷(c-a)=a,及勾股定理a2+b2=c2,求c。其解法是:(见第133—135页)

由于朱世杰的文字过于简括,“互隐通分相消”所引用罗士琳细草,只是提供一个大体说明消元过程的例子。至于是否符合朱氏原意,不得而知。事实上,许多学者有不同的细草。