4.4.1〈堆垜說〉垜積全積求法
在全積求法中,其中 13 種垜積已在第 4.2 節,將〈堆垜說〉與《四元玉鑑》
作過分析比較,且分別詳列「梯田法」、「三角臺體法」、「方臺體法」、「反錐差法」
及「又法」。以下,筆者僅列出《四元玉鑑》所無、李尚爀所增補的 3 種垜積:
四角撒星積、正方嵐峰積及正方嵐峰更落一積之全積求法。
第十種垜積:四角撒星積
其全積=1+[1+ (1+22)] +[1+ (1+22) +(1+22+32)]+…+[1+ (1+22) +(1+22+32) +…
+ (1+22+32+…+n )]; 2
李尚爀之想法為:「四角撒星積,即層累四角落一積之共數,亦為以反錐差乘各 層四角垜積之共數也。」,89即 1×n+22×(n-1) +32×(n-2) +…+n ×1。因此,2 「法 以三角落一積為實,以底邊二倍加三乘之,五歸得積。」,90算法=三角落一積(底 邊×2+3)5=
5 ) 1 3 2 ( ) 3 )(
2 )(
1 24 (
1 n n n n n = ( 1)( 2)( 3)(2 3) 120
1 n n n n n 。
第十三種垜積:正方嵐峰積
其全積=13+23+33+…+n3= ( 1)]2 2
[1n n ;
李尚爀之算法為:「以茭草積為實,以茭草積乘之得積,或以底邊冪為實,以底 邊加一冪,乘之,四歸,得積(底邊為首率,底邊加一為末率,而二位茭草積為中率,故底 邊與茭草積自乘四倍之數也)。」,91即 ( 1)]2
2
[1n n 或
4 ) 1 1 ( 2
2 n
n 。
第十四種垜積:正方嵐峰更落一積
其全積=1+(1+8)+(1+8+27)+…+(1+8+27+…+n3) ;
李尚爀之算法為:「以三角垜積為實,以三角垜積為實,以底邊冪三倍及底邊六
89 引自李尚爀,《翼算》下編〈堆垜說〉,頁 7a。
90 引自李尚爀,《翼算》下編〈堆垜說〉,頁 7a。
91引自李尚爀,《翼算》下編〈堆垜說〉,頁 9b。
倍加一乘之,十歸,得積。」,92即
10 ) 1 6 3 ) ( 1 2 )(
1 6 (
1 2
1 1
3
n n n
n n k
n
r r
k
。
4.4.2〈堆垜說〉垜積截積求法
截積即求自第 k 層面積累加至第 n 層面積之和,李尚爀所提出的截積求法共 有「梯田法」、「分積法」與「差分法」共三種。
「梯田法」與羅士琳之梯田積公式相同,皆為梯形以上底、下底、高(層數) 求面積之公式。李尚爀以「梯田法」求截積的垜積只有茭草積,因此,此法並不 是他求截積的主要方法。
「分積法」,就是如同總解第三則茭草嵐峰積的算法中,將垜積分解成本位 積、前位積……分別計算。他以「分積法」求截積的有茭草積、三角垜積、三角 落一積、三角撒星積、四角落一積、茭草嵐峰積共六種垜積。分析如下:
第一種垜積:茭草積截積分積法
原文為:「置本位茭草積(凡位數為底邊,亦為層數,至於截積底邊,必多於層數,以 層數作本位底邊,求之後倣此),以上邊減一乘層數從之」。93
其想法為:將截積每層皆提出(k-1)個後,剩下的就是以層數為位邊的本位茭草 積,兩者相加,得到截積。如下式:
n k
k
k( 1)( 2)...
=[1+(k-1)]+[2+(k-1)]+[3+(k-1)]+…+[(n-k+1)+ (k-1)]
=[1+2+3+…+(n-k+1)]+ (k-1)×(n-k+1)
=本位茭草積+上邊減一乘層數。
第四種垜積:三角垜積截積分積法
原文為:「置本位三角垜積,上邊減一以乘本位茭草積,上層面積(為第一層茭 草積,凡三角諸積之稱面積者,皆茭草積也)內減一邊以乘本位底邊,相併從之。」94 其想法為:本位三角垜積+(上邊-1) ×本位茭草積+(上層面積-邊) ×本位底 邊。
第五種垜積:三角落一積截積分積法
原文為:「置本位三角落一積上邊減一,以乘本位三角垜積,上層面積內減 一邊,以乘本位茭草積,上層三角垜積內減上層面積,以乘本位底邊,相併從之,
92 引自李尚爀,《翼算》下編〈堆垜說〉,頁 10a。
93 引自李尚爀,《翼算》下編〈堆垜說〉,頁 2a。
94 引自李尚爀,《翼算》下編〈堆垜說〉,頁 4a。
得逐層三角垜積之共數也。」95
其想法為:即本位三角落一積+(上邊減一)×本位三角垜積+(上層面積內減一邊)×
本位茭草積+(上層三角垜積內減上層面積)×本位底邊。
第六種垜積:三角撒星積截積分積法
原文為:「置本位三角撒星積上邊減一,以乘本位三角落一積,上層面積內 減一邊,以乘本位三角垜積,上層三角垜積內減上層面積,以乘本位茭草積,相 併從之,得以反錐差乘逐層三角垜積之共數也」96
其想法為:即本位三角撒星積+(上邊減一)×本位三角落一積+(上層面積內減一邊)
×本位三角垜積+(上層三角垜積內減上層面積) ×本位茭草積。
第八種垜積:四角垜積截積分積法
原文為:「置本位四角垜積上邊倍之,內減二,以乘本位茭草積上層面積(為 第一層正方面積,凡四角諸積之稱面積者,皆正方面積也)加一,內減倍邊,以乘本位,
底邊相併從之。」97
其想法為:本位四角垜積+(上邊×2-2) ×本位茭草積+(上層面積+1-上邊×2) ×本 位底邊。
第九種垜積:四角落一積截積分積法
原文為:「置本位四角落一積,上邊倍之內減二,以乘本位三角垜積,上層 面積加一,內減倍邊以乘本位茭草積,上層四角垜積內減上層面積,以乘本位底 邊,相併從之,得逐層四角垜積之共數也。」98
其想法為:本位四角落一積+(上邊×2-2)×本位三角垜積+(上層面積+1-上邊×2)
×本位茭草積+(上層四角垜積-上層面積) ×本位底邊。
第十種垜積:四角撒星積截積分積法
原文為:「置本位四角撒星積,上邊倍之內減二以乘本位三角落一積,上層 面積加一內減倍邊以乘本位三角垜積,上層四角垜積內減上層面積以乘本位茭草 積,相併從之,得以反錐差乘逐層四角垜積之共數也」99
其想法為:本位四角撒星積+(上邊×2-2) ×本位三角落一積+(上層面積+1-上邊
×2)×本位三角垜積+(上層四角垜積-上層面積) ×本位茭草積。若以上層四角落一 積,內減上層四角垜積,以乘本位底邊加之,則為逐層四角落一積之共數。
第十一種垜積:茭草嵐峰積截積分積法
95 引自李尚爀,《翼算》下編〈堆垜說〉,頁 4b。
96 同上。
97 引自李尚爀,《翼算》下編〈堆垜說〉,頁 6a。
98 引自李尚爀,《翼算》下編〈堆垜說〉,頁 7a。
99 引自李尚爀,《翼算》下編〈堆垜說〉,頁 7b。
原文為:「置本位茭草嵐峰積,上邊倍之內減二以乘本位三角垜積,上層面 積加一內減倍邊以乘本位茭草積,相併從之,得按位以層數乘逐層茭草積之共數 也」100
其想法為:本位茭草嵐峰積+(上邊×2-2) ×本位三角垜積+ (上層面積+1-上邊
×2)×本位茭草積。
第三種方法「差分法」,就是高階等差級數,其中三角垜積、三角落一積、
四角垜積、四角落一積、茭草嵐峰積是三階等差級數,故用「三差法」;而三角 嵐峰積、正方嵐峰積、正方嵐峰更落一積、四角嵐峰積是四階等差級數,故用「四 差法」。
第四種垜積:三角垜積截積三差法
原文為:「以第一層面積為上差,第二層面積內減上差為中差,第三層面積 內減二中差及一上差為下差,乃以本位底邊乘上差,以前位茭草積乘中差,以前 前位(前前位者,層數減二之位,後倣此)三角垜積乘下差,併之,得逐層茭草積之共 數也,置本位三角垜積,上邊減一,以乘本位茭草積,併之,得以反錐差乘逐層 底邊之共數也」101
即本位底邊×上差+前位茭草積×中差+前前位三角垜積×下差。
其中,上差=第一層面積,中差=第二層面積內減上差,下差=第三層面積內減二 中差及一上差。
第五種垜積:三角落一積截積三差法
原文為:「以本位茭草積乘上差,以前位三角垜積乘中差,以前前位三角落 一積乘下差,併之,得以反錐差乘逐層茭草積之共數也。」102
即本位茭草積×上差+前位三角垜積×中差+前前位三角落一積×下差。
第八種垜積:四角垜積截積三差法
原文為:「以第一層面積為上差,第二層面積內減上差為中差,第三層面積內 減二中差及一上差為下差,乃以本位底邊乘上差,以前位茭草積乘中差,以前前 位三角垜積乘下差併之,得逐層正方面積之共數也」103
即本位底邊×上差+前位茭草積×中差+前前位三角垜積×下差。
其中,上差=第一層面積,中差=第二層面積-上差,下差=第三層面積-中差×2
-上差。
100 引自李尚爀,《翼算》下編〈堆垜說〉,頁 8a。
101 同上。
102 引自李尚爀,《翼算》下編〈堆垜說〉,頁 5a。
103 引自李尚爀,《翼算》下編〈堆垜說〉,頁 6b。
第九種垜積:四角落一積截積三差法
原文為:「以本位茭草積乘上差,以前位三角垜積乘中差,以前前位三角落 一積乘下差併之」104
即本位茭草積×上差+前位三角垜積×中差+前前位三角落一積×下差。
第十一種垜積:茭草嵐峰積截積三差法
原文為:「以上層每邊為上差,第二層每邊倍之為中差,第三層每邊內減第 二層每邊餘三之為下差,乃以本位茭草積乘上差,以前位三角垜積乘中差,以前 前位三角落一積乘下差,併之得以梯田積,乘逐層底邊之共數也。」105
即本位茭草積×上差+前位三角垜積×中差+前前位三角落一積×下差。
其中,上差=上層每邊,中差=第二層每邊×2,下差=第三層每邊-第二層每邊 第十二種垜積:三角嵐峰積截積四差法
原文為:「以第一層面積為一差,第二層面積倍之為二差,第三層面積內減 第二層面積,餘為積較仍三之為三差,第四層面積內減第二層面積及二倍積,較 餘四之為四差,乃以本位茭草積乘一差,以前位三角垜積乘二差,以前前位三角 落一積乘三差,以又其前位(又其前位者,層數減三之位,後倣此)三角撒星積乘 四差,併之得以梯田積乘逐層茭草積之共數也」106
即本位茭草積×一差+前位三角垜積×二差+前前位三角落一積×三差+又其前位 (層數減三之位) 三角撒星積×四差。
其中,一差=第一層面積,二差=第二層面積×2,三差=(第三層面積-第二層面積)
×3 ,四差=(第四層面積-第二層面積-積較×2),其中,積較=第三層面積-第 二層面積。
第十三種垜積:正方嵐峰積截積四差法
原文為:「以第一層立方積(即底邊自乘再乘積)為一差,第二層立方積內減 第一層立方積為二差,第三層立方積內減二倍二差及一一差為三差,第四層立方 積內減三倍二差、三倍三差及一差為四差,乃以本位底邊乘一差,以前位茭草積 乘二差,以前前位三角垜積乘三差,以又其前位三角落一積乘四差,併之得逐層 立方積之共數也。」107
即本位底邊×一差+前位茭草積×二差+前前位三角垜積×三差+又其前位三角落一 積×四差。
其中,一差=第一層立方積,二差=第二層立方積-第一層立方積,三差=第三層 立方積-二差×2-一差,四差=第四層立方積-二差×3-三差×3-一差。
104 同上。
105 同上。
106 引自李尚爀,《翼算》下編〈堆垜說〉,頁 9a。
107引自李尚爀,《翼算》下編〈堆垜說〉,頁 9b。
第十四種垜積:正方嵐峰更落一積截積四差法
原文為:「以本位茭草積乘一差,以前位三角垜積乘二差,以前前位三角落 一積乘三差,以又其前位三角撒星積乘四差,併之得以反錐差逐層立方積之共數 也。」108
即本位茭草積×一差+前位三角垜積×二差+前前位三角落一積×三差+又其前位三 角撒星積×四差。
第十五種垜積:四角嵐峰積截積四差法
原文為:「以本位茭草積乘一差,以前位三角垜積乘二差,以前前位三角落
原文為:「以本位茭草積乘一差,以前位三角垜積乘二差,以前前位三角落