數學史話之測量的需要阿拉伯三角學的發展

三角學的出現最初是由於天文觀測的需要,古希臘的天文學家希帕霍斯就製作了一個"弦表",後來為托勒密所改進。"弦表"傳到印度以後,印度數學家又對其進行改進,改用"半弦"(相當於正弦線),還據此作出了正弦函數表。隨後,印度數學傳入中亞,在伊斯蘭學者的手中進一步編纂出了比較完善的函數表。

最早開始製作函數表的伊斯蘭學者是海拜什·哈希卜,他出生在梅爾夫(現在土庫曼斯坦的馬雷)。海拜什在印度傳入的《歷算天文表》中記錄的正弦函數表的基礎上進一步算出了每隔1/4°的正弦表。當時的人們都是利用日影的測量來進行計算各種三角函數的,比如在中國有周公測景,唐代有僧一行測子午線,古希臘有泰勒斯測金字塔的高度等等。阿拉伯人也一樣,通過立杆測日影,然後再計算正、餘弦及正、餘切。其實真正的正、餘切的名詞出現的很晚,一直到16世紀丹麥數學家芬克的著作《圓的幾何》中才用正切代替了"反陰影"一說。

在海拜什之後,對三角學作出突出貢獻的是巴塔尼,他出生在哈蘭(現在屬於土耳其)。巴塔尼有一本著作《天文論著》,對於歐洲天文學和數學的影響十分巨大。哥白尼在他的著作《天體運行論》中就大量引用了巴塔尼的工作。巴塔尼的著作是他40餘年精密觀測天文的結果,所以可靠程度非常高,後來的天文學家比如第谷、開普勒和伽利略也都參考了巴塔尼的成果。現代三角學中的很多術語都是來自於《天文論著》的拉丁語版本《星的科學》,比如"正弦"一詞,就來自於印度的梵文。而巴塔尼在研究日晷的時候,實際使用了正切和餘切這兩個函數,他稱正切為"反陰影",餘切為"直陰影"。巴塔尼在計算的時候更多的是利用了印度數學中的代數方法,而不是希臘數學中的幾何方法,比如從sinθ/cosθ=D的代數式就可以推出sinθ=D/根號(1+D2),這樣就可以求出θ的值了,而這在古希臘時候是沒有的。另外,巴塔尼還發現了重要的球面三角的餘弦定理:cosa=cosbcosc+sinb sinccosA。

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巴塔尼(現代人畫的)

在巴塔尼之後,來自布贊(現在伊朗呼羅珊省的布贊)的艾布·瓦法成為了阿拉伯數理天文學派最後的一個重要代表人物。他寫了一部《天文學大全》,在這本書中,他繼承了托勒密的《天文學大成》。雖然這本書對於天文學並沒有太多實質性的創新內容,但是對於三角學卻產生了巨大的推動作用。在書中,他第一個計算了現代意義下的三角函數,他發明了一種方法,可以利用已知的三角函數的值來編制高度精密的正弦函數表。先選定幾個接近30'的弧,如12/32°;,那麼它的正弦值就可以由sin72°和sin60°通過一系列有理運算和開平方得到,然後再利用不等式得出sin30'的一個相當精確的近似值,與現代的精確值相比,這個精確度可以達到小數點後9位。在此基礎上,艾布·瓦法造出了比前人更加精確的,每隔10'的正弦函數表。

艾布·瓦法的另一個成就就是證明了正弦的和差化積公式(想起中學時被和差化積、積化和差公式支配的歲月了嗎?)。他留下了兩部重要的著作《文書和商業用算術》和《手藝人幾何作圖法》,特別是在後者中,艾布提到了用"生鏽的"圓規作圖的問題,這是第一次有人提出這個問題。

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正弦和差化積公式

在艾布之後還有比魯尼對大地測量和三角函數表作出了相當的貢獻,比魯尼來自花剌子模的比魯尼,所以他就以此為名了,跟我們之前講到的花拉子米差不多。比魯尼一生的貢獻有很多,包括天文、占星、地理、歷史、醫學、藥物學、力學、氣象學等等,流傳下來的數學的內容不多,主要有兩項工作:測量地球的大小和製作三角函數表。

數學史話之測量的需要阿拉伯三角學的發展

比魯尼

比魯尼利用相似三角形的原理,先測出一座山的高度,然後在通過三角函數的方式計算出地球的半徑來,他當時使用的圓周率π=,最後得出子午線1°的長度在106.4-124.2公里之間,跟實際的111.2公里相差不是很多。另外比魯尼制定了一張每隔15'的正弦函數表和每隔1°的正切函數表,在這兩種表中,比魯尼使用的是二次插值法就尾差的值的方法,這要比歐洲人早了好幾百年。


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