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为什么“杨辉三角”有如此多的名称?它与高中学的二项式定理...

数学原来如此 1079

前言:

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文化交流、文献考证及地理问题给“数学概念”的历史考证带来了很多变数,大家一度以为的世界领先往往只存在一段时间,而一旦有了新的发现,这种记录随时都有被打破的可能。

“杨辉三角”是数学家们为了求解高次方程而引入的一个几何排列。在我国,它的发现归功于11世纪的北宋数学家贾宪,这比西方的“帕斯卡三角”(1654)早600年,在世界也一度领先。大家肯定会疑惑,明明是贾宪的发现,为什么它不叫“贾宪三角”呢?

杨辉三角

历史上这种“张冠李戴”的事情还是很多的,比如,求解三次方程“卡丹公式”由塔尔塔利亚给出,关于极限求值的“洛必达法则”应归功于约翰·伯努利,阿拉伯数字是印度人发明的,“托勒密定理”属于“三角形之父”喜帕恰斯.....

印度人发明的“阿拉伯数字”

这些数学概念的“命名”,并非因为谁最先发现,而是依据谁最先发表。

“杨辉三角”就是因为它最先出现在我国南宋时期著名数学家杨辉的《详解九章算法》(1262)一书中。尽管杨辉在书中声明这一发现应归功于北宋数学家贾宪(约1050年),但人们依旧将错就错,“杨辉三角”一叫就叫了千年,“贾宪三角”是20世纪以来才有的叫法。

杨辉的《详解九章算法》

“左衺[xié]乃积数,右衺乃隅算,中藏者皆廉”,

杨辉在“杨辉三角”旁这样注释到。

翻译成通俗的语言是这样的:“杨辉三角”最外边左、右斜线上的数字,都分别是各次开方的积数(a^n)和隅算(b^n)的系数,中间所藏的“二”、“三、三”等分别是开平方、立方的廉。

“杨辉三角”虽然只给出了7列,但是明显他已经发现了这个表的构造性质——每一项等于其“肩上”两项的和,如第5列的第三个数6,等于其肩上两数之和3+3(第4列的第二、三个数)。据此性质可以得到它的下一列(第8列)为:1,7,21,35,35,21,7,1.以及第9列:1,8,28,56,70,56,28,1.以下各列依据此规律,在已知第n列的情况下,可轻松得到第n+1列。

如此优美的三角形是如何得到的呢?它的每一个数又代表什么意义?我们又得回到数学家贾宪这里,约1050年,他发现了求高次方程数值解的方法——“立成释锁开方术”,该方法的核心步骤是代换,如求方程x^4=37的近似值,需要令x=y+2然后展开.

这里要求(y+2)^4的展开式,在符号没有普及的宋元时期是一个很难的工作,即使今天我们如果按多项式的乘积展开对学生来说也是不容易的。有没有简单一些的做法呢?答案是有,使用“杨辉三角”即可。为了方便叙述,我们以(a+b)^4为例。

首先,(a+b)^4展开式化简后有5项,其系数分别为:1,4,6,4,1(“杨辉三角”第五列).

其次,从第一项开始,每一项都是x的m次幂与y的n次幂的乘积,m+n=4,且y的次幂m从4次降到0次,2的次幂n从0次升到4次. 即

使用“杨辉三角”,我们可以轻松得到二项式(a + b)ⁿ的展开式,这是一项伟大的工作,这不仅因为它为求解高次方程扫清了障碍,还因为它把二项式系数图形化,把组合数内在的一些代数性质直观地从图形中体现出来。

那么问题来了,杨辉(或贾宪)得到这个表的方法是纯粹的归纳还是有严谨的推理证明呢?我更倾向于前者,因为在我国宋元时期,并没有讨论到“组合学”的相关内容。而“杨辉三角”从现在的角度理解,其本质是二项式系数(组合数)在三角形中的一种几何排列,“组合学”知识是二项式展开式的基础。下图构成了“杨辉三角”每一项与二项式、二项式系数的对应关系。

我试着用通俗的数学语言为大家解释“杨辉三角”是如何计算的,亦即二项式定理的一个简单证明.二项式定理即

大家很容易发现它的各项系数构成了“杨辉三角”的第n+1列.

二项式定理的证明

(1).当n=2时,(a + b)^2=(a + b)(a + b)=a^2+2ab+b^2,其展开原理见动图

展开式原理-动图

由此可知,(a + b)(a + b)的展开式中的每一项,相当于从第一部分(a + b)中选出a或b,与第二部分(a + b)中选出a或b来相乘。如,a^2相当于从两部分中都选了a相乘,而要得到ab有两种可能——从第一部分选a、第二部分选b相乘,或从第一部分选b、第二部分选a相乘,所以它的系数为C(2,1)=2

(2)同理,当n=3时,(a + b)^3=(a + b)(a + b)(a + b)中的a^2b的系数可以这样得到:在三部分中选二部分让其拿出a,与剩下一部分拿出b来相乘,共有C(3,2)=3种可能,所以其系数为3,即3a^2b

(3)一般的,(a + b)^n由n个(a+b)相乘得到(a + b)...(a + b)(a + b).其展开式的每一项都是由这n个部分中选a或b出来相乘得到。如,a^n由每一部分都选a来相乘得到,只有一种可能,其系数为1,而

所以,n部分中要让四部分选b,共有C(n,4)种可能,故其系数为C(n,4)。

虽说这是任意一个高二学生就已知晓的内容,但是关于任意正整数n的二项式定理的第一个证明却要直到1654年才由法国数学家帕斯卡( Pascal )给出,同时帕斯卡也给出了类似的排列,也因此欧洲数学家将“杨辉三角”叫做“帕斯卡三角”。

如下图,

记表格的第n+1排、第n+1列所在数为tmn,帕斯卡通过统计证明得到:

但是一直以来,欧洲数学家并不知道中国、印度及阿拉伯在这方面的工作,觉得“帕斯卡三角”的发明权应属于欧洲,随著全球文明的交汇融合、古代文献的不断发掘考证,进入20/21世纪,全球数学家渐渐承认了中国在这一领域的世界领先地位。

但同时,随著印度、阿拉伯文献的进一步考证,“杨辉三角”的首发权又将移位到印度。尽管只有只言片语,但公元前2世纪的印度数学家Pingala的确已经有了“杨辉三角”的雏形,其后的两位印度数学家Varāhamihira(公元505年)及Halayudha( 公元975年)给出了更详细的描述。而Mahāvīra(公元850年)走得更远,他实际上相当于早于帕斯卡得到了组合数公式,这在目前来看是世界第一的.

针对古印度数学家在这一领域的成就,我们也应该存部分怀疑的态度,因为古印度的数学著作都是以诗歌形式出现的,其翻译难度不亚于对古文的翻译,而且古印度数学家的生存年代也往往存疑。各家之言,是否符合史实还需要进一步的证据支撑。

总之,由于种种原因,“杨辉三角”有了多个名称,其他如“帕斯卡三角”、“杨辉三角”、“海亚姆三角”、“塔尔塔利亚三角”等。同时,“杨辉三角”的发现者仍在不断的改变——从帕斯卡、杨辉、贾宪,再到印度的Pingala。

类似于“杨辉三角”这样的数学成果还有很多,它们同时存在于不同的名族、并在不断的改变、改进,但数学不应该有国界,数学的发展应该是世界人民的共同努力促成的结果,我们以人类拥有这样的理解力、发展力而感到骄傲.

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