丢番图巧用“平方差公式”

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  丢番图是古希腊的重要学者和数学家,是代数学的创始人之一,对算术理论有着深入的研究。丢番图所著的《算术》完全脱离了几何形式,在希腊数学中独树一帜。《算术》是一本划时代的著作,它在历史上影响之大,可以和欧几里得的《几何原本》相媲美。
  《算术》从纯分析的角度处理数论问题,这是希腊算术与代数的较高境界。丢番图的《算术》是研究数论的,它讨论了一次、二次以及个别的三次方程,還有大量的不定方程。现在对于具有整数系数的不定方程,如果只考虑其整数解,这类方程就叫做“丢番图方程”,它是数论的一个分支。但丢番图并不要求解是正整数,而是要求解为正有理数。丢番图在《算术》中已经有意识地运用“平方差公式”解决相关的二次方程和不定方程问题,下面举例加以说明。
  1.已知两数之和(差)与积,求这两个数。
  公元3世纪,丢番图在其《算术》第1卷第27题中,运用古巴比伦人的“和差术”,通过“平方差公式”来解答这个问题。
  假如已知两数之和为20、积为96,求这两个数。其解法用我们现在的数学语言叙述为:假设所求两数分别为10 x和10-x,则(10 x)·(10-x)=96,根据“平方差公式”得100-x2=96,故x2=4,从而求得x=2(当时人们认识的数还仅限于正有理数)。于是,所求两数分别为10 2和10-2,即12和8。
  类似地,假如已知两数之差为8、积为65,求这两个数。其解题方法与上述方法相同,假设所求两数分别为x 4和x-4,则(x 4)(x-4)=65,根据“平方差公式”得x2-16=65,故x2=81,从而求得x=9。于是,所求两数分别为9 4和9-4,即13和5。
  2.两个已知数各加上同一个数,使所得的和均为平方数,求所加的数是多少。
  丢番图运用“平方差公式”解决上述不定方程问题,在其《算术》第2卷第11题中对此类问题给出了详尽的解答。
  其解法用我们现在的数学语言叙述为:假如已知两数为13和24,把13和24分别加上同一个数,使所得的和均为平方数,求所加的数是多少。假设所加的数为x,不妨设13 x=a2①,24 x=b2②,②-①得b2-a2=11。根据“平方差公式”得(b a)(b-a)=11,如果取b a=11,b-a=1,由此解得b=6,a=5,将a=5代入①,从而求得x=12,故所加的数可以是12,至此得到问题的一个解。
  乘法公式主要用于乘法运算和因式分解,而今天所呈现的简洁形式则应归功于数学符号化的进程,直到公元16世纪,法国数学家韦达用字母表示“平方差公式”时,它的对称美和简洁美才呈现在我们面前。虽然古人没有能用今天这么简洁的形式来表示“平方差公式”,但这并没有影响古人对“平方差公式”结构和算理上的认识。事实上,早在数学符号引进之前的大约1300年间,数学家们就已经发现了一些整式乘法的运算规律,并在具体问题解决中加以广泛的应用。
  (作者单位:江苏省无锡市新区第一实验学校)
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