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第23章 潮汐計算的《九章算術》

在墨水號的一次航行中,我們遭遇了極為復雜的海況。原本平靜的海面突然變得波濤洶涌,船只在海浪中劇烈搖晃,前進的方向也變得難以掌控。更糟糕的是,根據以往的經驗和現有的航海儀器,我們無法準確預測接下來的潮汐變化,而潮汐對于航海安全和航行路線的選擇至關重要。

就在大家都感到焦慮和迷茫時,我突然想起了圖書館中收藏的《九章算術》。這本古老的數學典籍,蘊含著豐富的數學知識和實用的算法,或許能幫助我們解決眼前的難題。我急忙來到圖書館,在眾多書籍中找到了《九章算術》,然后帶著它來到了駕駛艙。

船長和船員們看到我手中的《九章算術》,都露出了疑惑的神情。老船長李建國雙手扶著搖晃的舵盤,花白的眉毛擰成了疙瘩,他用布滿老繭的手擦了擦額頭的汗珠,聲音帶著海浪般的沙啞:“小王,你這是拿的什么?現在風浪這么大,拿本古書來能頂什么用?咱們的 GPS信號時斷時續,測深儀也快失靈了,再不找到應對辦法,咱們可能要被卷進暗礁區了!”

旁邊正在檢查航海日志的大副張強也附和道:“是啊小王,這都什么年代了,咱們靠的是衛星定位和氣象雷達,你這泛黃的線裝書能算出潮汐?我可不信。”他說著指了指窗外翻涌的浪花,“你看這浪頭,半小時內漲了快兩米,再不調整航線,咱們就要撞上前面的暗礁群了。”

年輕的水手小林抱著救生圈跑過來,臉上滿是焦急:“王哥,船長說的是真的,剛才瞭望塔報告說前方三海里處有暗礁,現在潮汐變化太奇怪了,原本應該退潮的時段反而在漲潮,咱們的航海圖都不管用了。”他跺了跺腳下晃動的甲板,“這船晃得越來越厲害,我剛才測了下流速,已經到每小時八節了,再這樣下去船身可能會受損。”

我緊緊握著手中的《九章算術》,盡管書頁在顛簸中不斷翻動,但我還是堅定地說:“大家別慌,我在大學時專門研究過中國古代數學典籍,《九章算術》里確實有關于天文歷法和測量計算的內容。雖然它成書于東漢時期,但里面記載的勾股定理和比例算法非常精妙,或許能幫我們找到潮汐變化的規律。”

船長扶了扶帽檐,眼神中帶著懷疑但還是點了點頭:“好吧,現在確實沒有更好的辦法了,衛星信號被干擾,氣象站也聯系不上,你需要什么盡管說,我們全力配合。”他轉身對大副說,“把最近三天的潮汐記錄和船只坐標都拿過來,再讓瞭望塔每十分鐘報一次海況。”

大副很快拿來了一疊記錄紙,我接過來看了看,上面密密麻麻地記錄著過去七十二小時的潮汐高度、水流速度和方向。我一邊翻著《九章算術》一邊說:“你們看,這里記載著‘勾股各自乘,并而開方除之,即弦’,這就是勾股定理的古代表述。我們可以用這個來計算船只與天體的相對位置關系,潮汐變化主要受月球和太陽引力影響,通過計算它們的運行軌跡就能預測潮汐。”

小林湊過來看了看古書,撓了撓頭說:“王哥,這上面的字我好多都不認識,什么‘方田’‘粟米’‘衰分’的,跟潮汐有什么關系啊?”他指著其中一頁的圖形,“這個三角形畫的是什么?看起來像土地測量圖啊。”

我耐心解釋道:“這些是《九章算術》的章節名稱,‘方田’講的是土地面積計算,‘粟米’是比例換算,‘衰分’涉及分配問題,但其中的數學原理是相通的。你看這個三角形,其實是用來計算高度和距離的,我們可以用類似的方法計算月球高度角,再結合時間因素來推算潮汐周期。”

船長在一旁看著航海圖,突然說:“小王,你需要什么數據盡管開口,現在是下午兩點十五分,我們的位置在北緯 32度 18分,東經 123度 45分,剛才測得的當前潮汐高度是 3.2米,比昨天同一時間高出了 1.5米。”他指著海圖上的標記,“按照正常規律,這個時段應該是低潮期,現在明顯反常。”

我拿出紙筆開始計算:“我需要知道現在的月球方位角和高度角,還有最近一次高潮和低潮的時間。小林,你去把天文觀測儀拿來,雖然沒有電子設備,但我們可以用傳統方法觀測。”小林應聲跑去準備,我繼續對船長說,“《九章算術》里的‘均輸’章記載了比例分配的算法,我們可以用這個來計算潮汐變化率,根據過去的記錄推算未來的趨勢。”

大副皺著眉頭說:“可這些古代算法能有現代計算機精確嗎?我們船上的計算機都算不出來,你用手算能行嗎?”他指了指顛簸的船艙,“而且現在船晃得這么厲害,寫字都困難,很容易算錯的。”

我一邊固定好紙張一邊說:“古代航海家沒有計算機,不也照樣遠航嗎?他們靠的就是這些數學方法和經驗積累。《九章算術》里的‘方程’章記載了線性方程組的解法,比歐洲早了一千多年,我們可以用這個來建立潮汐變化的數學模型。”正說著,小林拿著天文觀測儀回來了,我立刻開始測量月球位置,“好了,月球高度角 38度,方位角 245度,現在開始計算。”

船長讓水手們用繩子固定好桌椅,盡量減少顛簸帶來的影響。我一邊計算一邊解釋:“你們看,這里要用‘粟米之法’,也就是比例換算。已知月球在不同位置時的潮汐高度,通過比例關系就能算出當前位置的潮汐變化。就像書中說的‘以所有數乘所求率為實,以所有率為法,實如法而一’,這其實就是現代的比例公式。”

小林在一旁幫我記錄數據,突然喊道:“王哥,瞭望塔報告說前方兩海里處出現了漩渦,水流方向正在改變!”他指著記錄紙,“剛才的水流速度突然從八節降到了五節,這是怎么回事?”

我停下筆想了想說:“這說明潮汐正在發生轉折,可能是半日潮和全日潮的轉換時段。《九章算術》里講過‘正負術’,就是正負數的加減法,‘同名相除,異名相益,正無入負之,負無入正之’,我們可以用這個來計算潮汐變化的正負率,正數表示漲潮,負數表示退潮。”

大副看著我寫滿數字的草稿紙,疑惑地問:“那你算出什么結果了?現在能不能判斷接下來是漲潮還是退潮?我們最多還有半小時就要到達暗礁區了。”他焦急地看了看表,“如果再不能確定航線,我們就只能緊急拋錨了,但這里的水深不夠,拋錨也很危險。”

我加快了計算速度,筆尖在紙上飛快移動:“快好了,你們看,通過勾股定理計算出月球與地球的距離變化率,再用比例算法換算成潮汐高度變化。這里需要用到開平方,《九章算術》里有‘開方術’:‘置積為實,借一算步之,超一等。議所得,以一乘所借一算為法,而以除。’這種方法和現代開平方算法原理相同。”

船長走到窗邊望了望,眉頭緊鎖:“風浪好像小了一點,但海水顏色變深了,說明水下地形在變化。小王,算得怎么樣了?我們必須馬上做出決定。”他轉身對舵手說,“準備好轉向,隨時待命。”

我放下筆,長舒了一口氣:“算出來了!根據計算結果,接下來一小時內潮汐會先漲后落,半小時后達到高潮,高度約 4.1米,然后開始退潮,退潮速度會逐漸加快。我們現在應該向西北方向轉向,避開暗礁區,利用即將到來的退潮順流前進。”

大副還是有些懷疑:“就憑這些古代算法算出的結果可靠嗎?萬一出錯了怎么辦?”他指著航海圖,“按照你的建議轉向,我們要多走五海里的路程,而且那邊的海域我們不熟悉。”

我指著計算過程解釋道:“你們看,這里用了‘勾股定理’計算出月球引力的水平分力,再用‘比例算法’換算成潮汐高度,最后用‘線性方程組’預測變化趨勢,整個過程邏輯嚴密。《九章算術》在古代航海中一直發揮著重要作用,鄭和下西洋時就用類似的方法計算航線和潮汐。”

船長沉思片刻,最終下定決心:“好,我相信你!大副,立刻下令轉向西北,速度調整為每小時十節,讓輪機室加強動力,注意觀察水流變化。小林,通知瞭望塔密切關注前方海域,有任何情況立即報告。”

隨著船長的命令,船只緩緩轉向,引擎發出低沉的轟鳴。我緊盯著窗外的海面,心里既緊張又期待。半小時后,瞭望塔傳來報告:“前方潮汐開始退潮,水流方向轉為西北,暗礁區已避開!”

大副興奮地跑過來:“小王,你算得太準了!剛才測到的高潮高度正好是 4.1米,現在開始退潮了,速度和你預測的一樣。”他看著我手中的《九章算術》,眼神中充滿了敬佩,“真沒想到這古老的數學典籍這么管用,比我們的電子設備還可靠。”

小林拿著剛測的水流數據跑過來,激動地說:“王哥,退潮速度已經到每小時六節了,我們順流而下,速度提高到了每小時十六節,按照這個速度,我們能提前到達目的地了!”他好奇地翻看著《九章算術》,“這里面還有很多實用的算法嗎?能不能教教我們?”

船長走到我身邊,鄭重地說:“小王,今天多虧了你和這本古書,不然我們可能已經撞上暗礁了。我以前總覺得老祖宗的東西過時了,現在看來是我錯了,這些寶貴的文化遺產里藏著大智慧啊。”他接過《九章算術》仔細看了看,“這本書應該好好保管,說不定以后還能派上大用場。”

我笑著說:“其實這些古代算法和現代數學原理是相通的,《九章算術》里的分數四則運算法則、開平方開立方方法,現在依然在使用。它成書于東漢時期,總結了先秦以來的數學成就,形成了完整的數學體系,對世界數學發展影響深遠。”

大副感慨道:“真是想不到,兩千多年前的數學著作還能解決現代航海難題。聽說這本書里的很多成就都領先世界,是不是真的?”他好奇地問,“比歐洲早一千多年的分數理論是什么樣的?”

我解釋道:“是的,《九章算術》中的分數理論非常完善,包括分數四則運算、約分和通分方法,而歐洲直到 16世紀才形成系統的分數理論。書中的開平方和開立方算法也比西方早了數百年,這些成就充分體現了中國古代數學的輝煌。”

小林突然問:“王哥,那古代航海家沒有現代儀器,怎么精確測量位置和時間啊?他們是怎么用這些算法的?”他指著書中的圖形,“這些復雜的圖表他們能看懂嗎?”

“古代航海家有自己的測量方法,”我耐心解釋道,“他們用‘牽星術’測量星體高度,用‘更漏’計算時間,再結合《九章算術》的算法進行計算。雖然沒有現代儀器,但通過長期實踐積累,他們的計算精度完全能滿足航海需求。書中的圖表其實是各種數學模型,經過代代相傳的解讀和實踐,已經形成了完整的應用體系。”

船長看著逐漸平靜的海面,深有感觸地說:“今天的經歷讓我明白了一個道理,我們不能輕視古人的智慧,這些流傳千年的文化遺產蘊含著無窮的價值。在科技發達的今天,我們更應該重視文明傳承,讓傳統智慧與現代科技相結合,這樣才能走得更遠。”

大副點點頭:“是啊,以前總覺得高科技設備無所不能,今天才知道關鍵時刻還是要靠真本事。以后我也要多學習這些傳統文化知識,不能再盲目崇洋媚外了。”他看著手中的潮汐記錄,“這些古代算法確實厲害,回去后我也要好好研究研究。”

小林抱著《九章算術》愛不釋手:“王哥,以后有空多給我們講講這本書吧,讓我們也學學這些古代智慧。說不定下次遇到難題,我們也能用上。”他小心翼翼地把書放進防水袋里,“我要好好保護它,這可是我們的救命書啊。”

隨著船只平穩前進,窗外的海面逐漸恢復平靜,夕陽在天邊灑下金色的余暉。我看著手中的《九章算術》,心中充滿了自豪和感慨。這本古老的數學典籍,在千百年后依然能發揮重要作用,正是中華文明傳承不息的生動體現。

這次經歷讓我對《九章算術》的數學成就有了更深刻的認識。《九章算術》是中國古代數學的重要著作,它成書于東漢時期,總結了先秦以來的數學成就,標志著中國古代以計算為中心的數學形成了完整的體系。

《九章算術》的內容十分豐富,涵蓋了分數四則運算法則、各種面積公式、比例算法、開平方和開立方方法、線性方程組解法、正負數加減法則等多個方面。其中,許多數學成就都領先于世界。例如,書中提出的分數理論,比歐洲早了 1400多年;開平方和開立方的算法,也比西方早了數百年。

在古代航海中,《九章算術》發揮了重要的作用。它為航海者提供了精確的數學計算方法,幫助他們解決了許多實際問題。通過《九章算術》中的算法,航海者可以準確地計算船只的位置、航向和速度,預測潮汐和天文現象,從而確保航海的安全和順利。

這次利用《九章算術》解決航海難題的經歷,也讓我更加深刻地體會到了文明傳承的重要性。《九章算術》作為中國古代文明的瑰寶,它所蘊含的數學知識和智慧,歷經千年依然閃耀著光芒,為我們解決現代問題提供了啟示和幫助。我們應該珍惜和傳承這些寶貴的文明遺產,讓它們在新時代煥發出新的生機和活力。

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