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全本小说网 www.qbshu.com,最快更新镜镜詅痴译注最新章节!

原理讲得很清楚。

    〔4〕“原目”第五条解释眼球的结构和功能说,眼睛外形为凸形,有聚光能力,叫做“外凸”;内部有伸缩能力,叫做“内长”。“原目”第七条说,眼球的前面是凸形,底部是凹形。这些说法主要来自《远镜说》,致使郑复光把眼睛的结构想象为一个微型伽利略式望远镜。

    〔5〕凹不可混施:指非近视眼不能戴凹镜,近视眼的眼镜要“合目”。

    〔6〕斯:乃,就。

    【译文】

    或许有人有疑问:三种望远镜,外端用浅度凸透镜既然是一致的,内端却有凹有凸,难道没有区别吗?回答是:

    观象镜的外端为凸透镜、内端为凹透镜,运用的是变显限原理,本章第十四条。所以用凸透镜使远处物体显得放大,用凹透镜使模糊影像变得清晰,道理最明显不过。窥筒镜只有两枚凸透镜,运用的是距显限的原理,本章第十六条。较浅的[顺收]限与较深的[顺收]限的结合点,对于较浅凸透镜,是最大但不清晰的位置;“圆凸”第十六条。对于较深凸透镜,是物像最大而且显得清晰的位置;“圆凸”第十九条。对于眼睛,是较浅凸透镜[的影像]刚刚颠倒、尚未变小而进入大光明的位置;“圆凸”第十五条。因此虽然颠倒物像,望远却很出色,这个道理也是容易明白的。至于游览镜,那就兼有这两种法则。一是理解为以甲至丙[透镜组]组合成内端凹透镜,前面已有详细说明。本章第十一条。二是理解为以甲至丙[透镜组]组合成较深凸透镜。甲至丙[透镜组]组合就相当于凸度变深,这无须多解释。但一定要配备多枚的原因,见过的游览镜的内凸[组],从三枚到六枚不等,这里虽然只举出甲至丙三枚作为示例,但实际上是贯通之论,概括性地说成是“多枚”。对两种法则都是必然的。那就是,要使凸透镜获得大光明,有丙乙就可以了,但不加上甲,就不能贴近眼睛起放大作用;要使凸透镜起切显限作用,有甲就可以了,但不加上乙丙就不能颠倒子[的影像]使它恢复为正像。因此,三种望远镜,制式虽然不同,但导致放大和明晰,道理却是一以贯之的。

    一系:

    望远镜的原理,简单地说,无非就是凸凹互相调剂,一个比例问题而已。眼球外形为凸,而里面的伸缩部分有凹形,“原目”第五条与第七条。它的[伸缩部分]长度以寸计,视野可以达到几里,假如使它延长到几尺,视野必定能达到几十里,这是一种必然的比例关系。至于它的凸凹互相调剂,则有几个佐证:

    人之所以看物体能近而不能远,是因为远就会形状变小、颜色变淡。“原色”第七条。现在在眼睛前面加凸透镜并保持一定距离,相当于把眼球凸体推远。眼球凸体远了,远处的物体就显得近了,所以看起来变大。但是凸透镜不能望远,因为影像大而模糊,“圆凸”第二十三条。于是用凹透镜使它清晰。凹透镜是大光明。“圆凹”第十五条。这是从凸透镜得到的第一个佐证。

    眼睛加凹透镜,相当于削减眼球凸度使它变浅。眼球凸度变浅,视野就延伸了。但是凹透镜[需要匹配视力]不能随便乱用,“圆凹”第十六条及第十八条。于是用凸透镜加以消解。这是从凹透镜得到的第二个佐证。

    物体又远又小,则看起来模糊得像一点点堆积的灰尘,道理就如同老花眼看近处,不能分辨细节,“原目”第六条。于是用凸透镜予以加深。眼球凸,加上凸透镜,所以变深。老花眼看近处,有了凸透镜就能辨认分明。这是从老花眼得到的第三个佐证。

    物体远,用凸透镜在眼睛前面拉开一点距离去看,则小的物体可以显得大而模糊不清,如同闪烁不定的光芒,“原目”第六条。道理就如同近视眼看远处,不能看得明白,于是用凹透镜加以削减。眼球和凸透镜都凸,再加上凹透镜,所以凸度削减。近视眼看远处,有了凹透镜就能看得清晰。这是从近视眼得到的第四个佐证。

    二十一

    远镜外凸愈浅则愈长,其能力〔1〕愈胜。然凸镜径寸半者,限四尺已几于平,而四尺之筒犹未足以观象,且凸过浅难于中度。用变浅限法,则凸顺收限二尺二寸,加侧收限四寸五分之凹,可变凸为七尺七寸焉,此亦妙用也。洋制佳者多有之。

    一系:

    凹若嫌深,亦可变浅。虽凹无顺限,借虚率,反此求之。凹用凸率、凸用凹率,如法入之〔2〕可用也。

    论曰:

    凡平镜相叠,恒如蒙气加厚,本章一。两凸相切亦然。独离之为距显限,则愈明,得其用故也。凸凹相切,既得其用,故无虑此矣。

    【注释】

    〔1〕物镜焦距越长,放大倍数越高,此处“能力”应即指此。

    〔2〕入之:古算用语,意为将某种计算法纳入此处,即按某种既有计算法进行计算。入:容纳,纳入,采纳。见郭书春《九章筭术译注》,上海古籍出版社,2009年。

    【译文】

    外凸越浅的望远镜就越长,能力就越强。但是直径1.5寸的凸透镜,顺收限为4尺时已经差不多是平的,而4尺长的镜筒还不足以用于天文观测,而且度数太浅的凸透镜很难[制作得]精确。运用变浅限的规则,那么顺收限2尺2寸的凸透镜,加上侧收限4寸5分的凹透镜,就可以变成[顺收限]7尺7寸的凸透镜了,这也算一种巧妙的运用。上乘的西洋制品大多有这种组合。

    一系:

    如果嫌凹透镜太深,也可以使它变浅。虽然凹透镜没有顺限,借[凸透镜的换算率为]虚拟的换算率,按上面的例子反过来求取。凹透镜用凸透镜的换算率、凸透镜用凹透镜的换算率,按相应规则换算就行了。

    论:

    凡是平板透明体叠加起来,总是像雾气变厚一样。本章第一条。两枚凸透镜紧贴也是如此。唯独拉开距离成为距显限,就更加明晰,是作用得以发挥的缘故。凸透镜和凹透镜紧贴,既然作用得以发挥,就没有这方面的担心了。

    二十二

    两凸及两凹相切,则限加深,本章一。当名为变深限。〔1〕但凹加深,其限无可据,惟凸加深,则顺限必短,其理可得而详焉。

    夫两凸同深,相叠则加深一倍,而限必减一半。〔2〕若甲深乙浅,相叠变深,则必短于甲之全限,而长于甲之半限可知也。〔3〕若乙愈浅,则变限愈长,而终不能长过甲之全限,亦可知也。〔4〕今揣其理:

    如甲、乙俱深三寸,则变深必得寸五。设甲深三寸,乙或深六寸,其变深必得二寸二分五,何也?

    盖三寸比六寸加深一倍,则三寸凸镜一面,即与六寸凸镜两面相并同。三寸凸并六寸凸,即与六寸凸镜三面相并同。两面三寸凸镜相并既变深为寸五,则四面六寸凸镜相并亦必变深为寸五。今三寸凸并六寸凸既如三面六寸凸镜相并,则其变深必长于四面六寸相并,短于两面六寸相并,而在两较之间〔5〕也。

    夫四面六寸为寸五,两面六寸为三寸,其数为倍与半,则两较既在其间,必为寸五之半,而得七分五,故加七分五于寸五,共得二寸二分五也。〔6〕

    爰推其算法:以甲凸加倍变深之限寸五,减乙凸限六寸,得较四寸五,为实〔7〕;以甲凸三寸除乙凸六寸,得倍数二,为法〔8〕;法除实,得二寸二分五,为所求。〔9〕

    又法:以甲三寸除乙六寸,得倍数二;以倍数二除甲倍限〔10〕寸五,得七分五;减甲限三寸,得二寸二分五,为所求。〔11〕

    论曰:

    前法,以两凸同深者言之,则无倍数,亦无较数,而有变深限数;以两凸不同深者言之,则有倍,有较,又有变深限数,但其较数不可以例变深限。然两凸同深者,其甲倍限与乙顺限较,甲倍限者,谓甲凸三寸加倍之深限寸五也,下仿此。与乙顺限较者,谓乙亦深三寸,与甲倍限寸五相减之较寸五也。则所得之较数即如其变深数。故两凸不同深者,即借甲倍与乙之较以为较,则其倍数二与较数即如变深数四五〇之比,即同于倍数一与变深数即如较数二二五之比也。〔12〕此“异乘同除”之理〔13〕也。

    又:

    以甲三寸为主,使乙由三寸而杀〔14〕之,则变深自寸五而渐长,不能过三寸。以乙六寸为主,使甲由六寸而杀之,则变深自三寸而渐长,不能过六寸。故以寸半减深凸三寸,余亦寸半,为乙与甲同深,其变深与甲深之较。以是较减浅凸六寸,余四寸五,为乙与甲不同深,使浅凸乙变深之数。夫甲既三寸,则变深之数不能出三寸,而乃得四寸五者,以乙浅于甲之顺限有其倍故也。求其倍得二,以与变深数比例,则一倍与四寸五为原有数〔15〕,二倍为今有数〔16〕;以今有之倍二与原有之倍一,若原有之变深四五〇与今有之变深二二五也。〔17〕此“同乘异除”之理〔18〕也。

    又法:

    以寸五者,甲、乙同深之变深数,亦即变深数与深凸之较数也;今甲、乙不同深,则必有其倍数,求得倍数二,以除较数寸五,即得所求之较数七分五,以减甲深三寸,得二寸二分五,为所求之变深也。〔19〕

    一系:

    镜作凸凹,小浅大深为难。圆凸二。如图(图70):

    图70

    乙丁与己辛同甲角,而庚壬虽长,己辛犹浅,欲求再长则难乎料矣;丙戊虽短,乙丁已深,欲求再短则难乎工矣;此凸法变浅所以妙也。有时用凹嫌深,亦可放〔20〕变浅法求之。本篇十二。至于两凸相切,不过使凸加深,为用甚稀。曾见洋制远镜,其外镜三面,子凸、丑凹,又加一寅为浅凸,未解其意。然度其理,殆因子丑相合稍觉其浅,故加一浅凸使略深耶?亦制作之巧也。

    【注释】

    〔1〕两枚凸透镜或两枚凹透镜密接,相当于一枚度数加深的透镜。所以“变深限”相当于两枚正负相同的透镜密接的系统焦距。

    〔2〕从此句开始,郑复光将逐步推导变深限的线性插值公式。这是第一步。当焦距分别为f1和f2的两枚凸透镜密接时,若f1=f2=f,则系统焦距。这与现代理论值一致。

    〔3〕第二步推导:甲(f1)深乙(f2)浅,即f1<f2时,系统焦距最深的情况是f1=f2,最浅的情况是不叠加乙,所以。

    〔4〕f2越大,则F也越大,但最大不能大于f1。

    〔5〕两较之间:指两数之较的中间值。较,古算书中称被减数减去减数所得的差为较数,简称较。

    〔6〕以上推演步骤为:一、3寸焦距的透镜深度比6寸的加倍,所以一枚3寸焦距的透镜相当于2枚6寸焦距的透镜叠合;二、根据上一步,2枚3寸焦距的透镜叠合,系统焦距为1.5寸,那么4枚6寸的叠合系统焦距也是1.5寸;三、现在一枚3寸焦距和一枚6寸焦距的透镜叠合,相当于3枚6寸的叠合,则系统焦距大于4枚叠合,而小于6枚叠合,取值在二者之间;四、4枚叠合的系统焦距为1.5寸,2枚叠合为3寸,那么3枚叠合的系统焦距取值在1.5和3之间,大于1.5而小于3的部分为;五、最后,一枚3寸焦距和一枚6寸焦距的透镜叠合系统焦距为1.5+0.75=2.25(寸)。

    按现代公式计算的理论值为。很明显,0.25的误差产生于线性插值。

    〔7〕实:此处指被除数。见“圆叠”第十一条注〔6〕。

    〔8〕法:古算书中通称乘数、除数以及二次多项式中的一次幂项的系数为法数,简称法。下面的“法除实”相当于说“除数除被除数”。

    〔9〕此处的“算法”可视为“计算法则”即公式。虽然文中仍以实际数据表述,看上去像一个例题,但其实是一个一般公式。这带有中国传统数学的特征。中国传统数学中很少有刻意追求公理化的痕迹,即使有严格而精密的算法或求解模型,一般也只在计算实例中表现出来。此处的算法可按现代表示法表示为:

    设甲凸顺收限为f1,乙凸顺收限为f2,叠合系统焦距(变深限)为F。

    以甲凸加倍变深之限,与乙凸限f2相减,即为。以这个较(差)为实(被除数);

    以甲凸顺收限除乙凸顺收限,得到一个倍数。以这个倍数为法(除数);

    法除实得,即为要求的F。

    〔10〕倍限:意为深度加倍的变深限,但郑复光以这个简称为专门术语,详后。

    〔11〕另一算法:

    以甲凸顺收限除乙凸顺收限,得到一个倍数;以这个倍数除甲倍限为,再将其从甲限中减去,得,即为要求的F。

    综上所述,郑复光的变深限公式为:

    如上言,文中虽以3寸和6寸为实际数据,按计算实例而非一般公式来叙述,但在后文中却明显把(1)式作为一般公式加以运用,在“圆率”章中尤为明确。

    按:(1)式与现代几何光学公式相较,表面上看不出相通关系。我们对现代公式作如下变形:

    可以直观看出,(1)对于(2)式,是一个比较精彩的近似公式。其近似性在于以2代替,后者取值在1到2之间(f1<f2)。这个2的物理意义是,当两枚焦距相等的凸透镜叠合时,深力加倍而焦距减半;以限长(焦距)而论,谓之半限;以深力而论,谓之倍限。

    在“圆率六”中,郑复光列出运用(1)式的六个应用例题,将例题中的数据与我们用(2)式计算出的数据作一比较,就更清楚(1)、(2)两式之间的近似关系了。见下表:

    按:这一类定量公式,是全凭精密实验和线性插值建立起来的。可以说达到了缺少折射模型情况下的极限。所得结果虽然跟现代理论中的定律和解析解相比有差距,但这是从零开始的创造,其中表现出的科学精神是崇高的,成果也是巨大的。  《镜镜詅痴》全书中的所有定量结论,最大误差一般都在0到10%之间,用于当时的眼镜、放大镜、望远镜、简易投影机、取景镜等制造,已经算得上很精密,如此有深度的研究,在当时可谓独一无二,在今天则不应埋没其功绩。

    〔12〕以上是对前面建立的“算法”的解释。当f1=f2=f时,其甲倍限与乙顺限较即为变深限F;当f1≠f2(f2>f1)时,由于乙的顺收限变长、深力变小,所以与甲叠加后总的深力也较小,即变深限较长;郑复光认为,此时的较数还不能直接表征变深限,变深程度满足一个比例关系,即当前倍数与较数之比,等于甲乙相等时的倍数1与变深限F之比,由此得到注〔9〕,中的公式。

    〔13〕古算书中把用比例式“”求x的方法叫做“异乘同除”。

    〔14〕杀:减少。但须注意,凸透镜深力减小则焦距增大,焦距减小则深力增大,此减彼增。此处“渐杀”者,是指深力,故不可理解为焦距(3寸)减小,焦距反而是增大。以焦距f1为3寸的甲为主,f2越大(渐杀)则F也越大,但最终不能大于3寸(f1),因为大于3寸就不是变深了。这从郑复光的公式也可以理解,对于前面的(1)式,f2最大为∞,相当于在透镜上叠加平玻璃,此时F=f1(即3寸)。

    〔15〕原有数:古代算数术语。在比例式“a·b=c·x”中,a和b叫做原有数。

    〔16〕今有数:即上注比例式中的c和x。

    〔17〕以上继续解释,当f1=f2=f时,乙顺限减甲倍限这个变深数直接就是变深限F,那么当甲、乙不相等时,为什么变深数不能等于变深限呢?因为变深限最大不能大于f1,但当f2不断增大时,有可能大于f1,这时还需考虑f2与f1之间的倍数关系。f1=f2时的倍数1和变深数为原有数,当前倍数为今有数,即:。按比例法,则相当于今有的倍数与原有的倍数1之比,等于原有的变深数与今有的变深数F之比,即:。

    〔18〕古算书中把用比例式“a·b=c·x”求x的方法叫做“同乘异除”。

    〔19〕此处提出另一解释模式。可以从较深凸透镜(甲凸)的角度来理解,把变深限理解为从甲凸顺收限的数值f1中减去一个表示变深程度的减数,这个减数在f1=f2=f时,为

    当f1≠f2(f2>f1)时,还要用此时的倍数去除,得到为表示变深程度的减数,将这个减数从甲凸顺收限f1中减去,得

    即为要求的变深限F。

    〔20〕放:通“仿”。

    【译文】

    两枚凸透镜或两枚凹透镜紧贴,则深限加深,本章第一条。理当命名为变深限。但凹透镜加深,它的深限没有实际依据,只有凸透镜加深,顺收限必定变短的情况,其原理是可以详细推究的。

    两枚凸透镜深度相等,叠合起来深度就增加一倍,而深限必定减到一半。如果甲深乙浅,叠合起来变深,那么变深限必定比甲的整个深限短,同时比甲的半个深限长,这是可想而知的。如果乙更浅,那么变深限就更长,但最终不能超过甲的整个深限,这也是可想而知的。现在来揣测它的道理:

    如果甲、乙的深度都是3寸,那么变深限必定得出1寸5。假设甲的深度为3寸,乙的深度姑且设为6寸,变深限必定得出2寸2分5,这是为什么?

    3寸比6寸加深了一倍,那么1枚3寸深凸透镜,就相当于2枚6寸深凸透镜合并。3寸深凸透镜与6寸深凸透镜合并,就相当于3枚6寸深凸透镜合并。既然2枚3寸深凸透镜合并时变深为1寸5,那么4枚6寸深凸透镜合并时也必定变深为1寸5。现在3寸深凸透镜与6寸深凸透镜合并既然相当于3枚6寸深凸透镜合并,那么变深程度必定比4枚6寸的合并要长,比2枚6寸的合并要短,[取值]在两数相减的差数中间。已知4枚6寸的结果是1寸5,两枚6寸的结果是3寸,数值各是对方的加倍和减半,那么既然在两数相减的差数中间,必定是1寸5的一半,而得到7分5,于是把7分5加到1寸5上,总共就得到2寸2分5。

    现在来推演计算法则:以凸透镜甲深度加倍的变深限1寸5,与凸透镜乙的深限6寸相减,得出差数4寸5,作为被除数;以凸透镜甲深限3寸除凸透镜乙深限6寸,得出倍数2,作为除数;除数除被除数,得出2寸2分5,为要求的结果。

    另一法则:以甲深限3寸除乙深限6寸,得倍数2;以倍数2除甲的倍限1寸5,得7分5;与甲深限3寸相减,得2寸2分5,为要求的结果。

    论:

    前面的算法中,就两枚凸透镜深度相等的情况而论,就没有倍数,也没有差数,但是有变深限数;以两枚凸透镜深度不同的情况而论,就有倍,有差,又有变深限数,但此时的差数不能直接作为变深限的通则。然而在两枚凸透镜深度相等的情况下,甲的倍限与乙的顺收限相减,所谓甲的倍限,是指3寸深的凸透镜甲深度加倍时的深限1寸5,以下同。所谓与乙的顺收限相减,是指乙的深度也是3寸,与甲的倍限1寸5相减的差数1寸5。得出的差数就是变深数。所以对两枚凸透镜深度不同的情况,就借甲倍限和乙深限的差数为差数,则倍数2与差数等于当前变深数4.50之比,就等于倍数1与变深数等于当前差数2.25之比了。这是“异乘同除”的法则。

    另一种思路:

    以甲深限3寸为准,使乙深限从3寸开始减少,那么变深限就从1寸5开始逐渐变长,不能超过3寸。以乙深限6寸为准,使甲深限从6寸开始减少,那么变深限就从3寸开始逐渐变长,不能超过6寸。所以以1.5寸与较深凸透镜深限3寸相减,剩余还是1.5寸,这是乙与甲深度相等时,变深数与甲深限的差数。以这个差数与较浅凸透镜深限6寸相减,剩余4寸5,这是乙与甲深度不同时,使浅凸透镜乙变深的数值。既然甲深限是3寸,那么变深的数值就不能超过3寸,但却得出一个4寸5,这是因为乙比甲的顺收限浅是有倍数的。求这个倍数得2,用来与变深数进行比例计算,则1倍与4寸5为原有数,2倍为今有数;今有的倍数2与原有的倍数1之比,等于原有的变深数4.50与今有的变深数2.25之比。这是“同乘异除”的法则。

    另一种算法:

    由于这个1寸5是甲、乙深度相等时的变深数,也就是变深数与较深凸透镜深限的差数;那么现在甲、乙深度不同,就必定有一个倍数,求得倍数为2,用来除原来的差数1寸5,就得到当前要求取的差数7分5,用来与甲的深限3寸相减,得2寸2分5,就是要求取的变深限数。

    一系:

    镜片要做成凸形和凹形,小而浅和大而深是困难的。“圆凸”第二条。如图(图70):

    乙丁和己辛同为甲角[的弧],此时庚壬虽然较长,己辛还是较浅,想要更长就难找到材料了;丙戊虽然较短,乙丁却已经较深,想要更短就很难加工了;凸透镜[叠加]变浅法的妙处就在于此。有时使用凹透镜觉得太深,也可以仿照变浅法解决。本篇第十二条。至于两枚凸透镜紧贴,只不过使凸度加深,用途很少。曾见过一具西洋制造的望远镜,外端镜片有三枚,子号凸透镜、丑号凹透镜,又加一枚浅凸透镜寅,不明白其中意图。但揣度它的道理,大概是因为子、丑叠合觉得稍微偏浅,所以加一枚浅凸透镜使它略微变深一些吧?也算是制作上的一种巧妙。

    圆率〔1〕

    一

    凸限全率表〔2〕

    用一:有单凸,正面侧收限二寸,求:深力即顺收限几何?

    答曰:一尺二寸。

    法:置〔3〕正面侧收限二寸。检表一顺收限得六,谓之单率六〔4〕,此为单率所恒用。入后止称单率六,以从省便。为法,乘之,即所求。又法:检表一较率〔5〕得五,以乘侧限,加之。

    用二:有单凸,景面侧收限六寸,求:深力几何?

    答曰:一尺二寸。

    法:置景面侧收限六寸。检表一景面侧收限得三、顺收限得六,爰六乘、三除,即所求。又法:置六寸,倍之。

    用三:有双凸,每面侧收限二寸,求:深力几何?

    答曰:八寸。

    法:置二寸。检表二顺收限得四,谓之双率四〔6〕,此为双凸所恒用。为法,乘之,即所求。又法:检表二较率得三,以乘二寸,加之。

    用四:有畸凸,侧收限正面二寸、副面三寸八分,求:深力几何?

    答曰:九寸八分。

    法:以正除副,得倍数一九。检表三侧收限得相近略小者,正一〇,副一一。爰以副一一与一九相减,余较八。其顺收限四一,乃加较,得四九,为法,乘正面二寸,即所求。〔7〕又法:检表三较率得三,以乘正限二寸,得六寸,加副限三寸八分,亦得。

    用五:有单凸,顺收限一尺二寸,求:正面侧收限几何?

    答曰:二寸。

    法:以单率六除之,即所求。又法:五因、三归之〔8〕。

    用六:有单凸,顺收限一尺二寸,求:景面侧收限几何?

    答曰:六寸。

    法:六归、三因之,即所求。又法:半之。

    用七:有双凸,顺收限八寸,求:侧收限几何?

    答曰:二寸。

    法:以双率四除之,即所求。

    用八:有畸凸,顺收限九寸八分,侧收限正面二寸,求:副面几何?

    答曰:三寸八分。

    法:检表三较率得三,以乘正二寸,得六寸,为法,减顺收限,余得所求。

    用九:有畸凸,顺收限一尺四寸一分,侧收限副面五寸一分,求:正面几何?

    答曰:三寸。

    法:以副限减顺限,余九寸,以较率三除之,即所求。

    用十:有甲、乙两凸,侧收限甲一面四寸、一面一尺二寸,乙一面二寸、一面五寸。求:两凸异同。

    答曰:甲单乙畸。

    法:以深约〔9〕浅,恰得三倍者为单,不足三倍者畸也。

    用十一:有双或畸凸,顺收限九寸,求:同深之单侧收限几何?

    答曰:一寸五分。

    法:以单率六除之,即所求。

    若各以侧收限为问,则如法各先求其顺限,双法见用三,畸法见用四。以六除之。

    一系:

    表载全率,用或不具,凡制器者,每求一数,必兼数法考核之,则得数准确,不可不知。本《浑盖通宪》〔10〕。

    【注释】

    〔1〕圆率:指球面透镜的各种数值之间的相互关系,相当于“球面透镜的定量规则”。

    〔2〕这个表中各个数值的意义和彼此间关系解释如下:

    1. 表一、表二、表三分别为单凸(平凸透镜)、双凸(对称双凸透镜)和畸凸(不对称双凸透镜)三种凸透镜的成像常数换算表。

    2. 成像常数共有6个:(1)顺收限,平行光会聚点距镜片距离,即像方焦距;(2)顺展限,成最大实像时的物距,数值上无限接近物方焦距;(3)顺均限,成等大实像时的物距或像距(二者相等),即二倍焦距;(4)侧收限,凸透镜内表面对平行光反射聚焦的焦距;(5)侧展限,凸透镜内表面反射成最大实像时的物距,数值上无限接近反射面焦距;(6)侧均限,凸透镜内表面反射成等大实像时的物距或像距(二者相等),即二倍反射面焦距。

    3. 表中数据均为“比率”,即倍数。对任意一枚凸透镜,已知一个常数,即可通过查表,求取其余五个中的任一个。比如已知某双凸透镜侧收限为2寸,求顺收限,查表得知比率为4,即可得顺收限为8寸。

    4. 表中各类凸透镜的两面顺收限都相等,故一律为薄透镜。

    5. 收限和展限在数值上都表征焦距,二者应相等或接近,但表中数据展限一律比收限偏小10%,应是测量误差。可分析误差原因。展限是生实像的物距,小于焦距即不生实像,实际上还应该略大于收限。故唯一解释是收限测量值偏大。收限测量值偏大意味着入射光束不是理想平行光,即光源放置不够远。“圆凸”第十一条说:“收限之光、展限之壁,其距镜必远,方无改移。约灯体寸余、凸深即顺收限寸余,则远须尺余……今名曰限距界,愈远益确。”虽然郑复光接着就指出“凡验凸深浅宜用日月之光”。但大量的测量应在室内进行,否则也没有规定限距界的必要,而且观察实像需要暗室。尤其值得注意的是,郑复光规定的限距界是焦距的10倍,此时聚焦点位置恰好大于焦距10%左右:

    6. 顺限和侧限的关系为现代几何光学所无,应着重分析。由“圆凸”第七条可知,畸凸的顺侧两限之比系由线性插值法求得。已知单凸两面侧收限之比为1:3时,顺收限为6;双凸两面侧收限为1:1时,顺收限为4。以上两种情况是凸透镜两个表面曲率比的最大和最小界限,曲率比在两者之间即为畸凸。按算术平均插值法可得,畸凸两面侧限比为1:1.1时,顺限为4.1;侧限比为1:2时,顺限为5;侧限比为1:2.9时,顺限为5.9。如下表(即“凸限全率表”的第一和第四行数据):

    可按现代几何光学对上表进行核算。根据Г.Г.斯留萨列夫著《几何光学》,图31(a)中的S(即侧收限)如下式:

    对理想薄透镜,取d=0,得下面(1)式:

    平凸顺收限如下式:

    畸凸顺收限如下式(r1=r2时为双凸):

    以上诸式中,r1和r2分别为透镜第一表面和第二表面的曲率半径,取n=1.5,注意不同情况下曲率半径的正负号,可算出:

    比较以上两表可知,郑复光原表中的平凸和双凸数值为实测值,与理论值相等。用线性插值法求得的畸凸数值自然有以直代曲的误差。

    7. 原表最后一行为“两收限较”。“较”为“差”。所以这一行可以叫“差率”。也是用来进行换算。是用比率换算的另一法。比如,已知某双凸透镜侧收限为2寸,按比率顺收限为4倍,得8寸。按差率,顺收限比侧收限多3倍,所以在2寸上再加3个2寸即得8寸。不对称透镜的差率只计一面,另一面注明“此较无用”。

    8. 表中各个数值并非二位数、三位数、四位数,而是小数。比如“六〇〇”并非600而是6.00。600在古代一般写作六百而非“六〇〇”。“六〇〇”恰恰是中国古代算术不写出小数点而用位置表示的书写法。在后面的所有应用例题中,都称为“六”而非“六百”。又如,“五五一”并非551而是5.51,在后面正文中也能看出来。这些数值都代表比率,而不是某种实际数据,当然是取个位数。

    〔3〕置:本意为布置筹算,见“圆凹”第四条注〔1〕。

    〔4〕单率六:单凸透镜的顺收限与正面侧收限的比率为6,故称单率六。

    〔5〕较率:顺收限的率数与侧收限的率数之差。

    〔6〕双率四:双凸透镜的顺收限与正面侧收限的比率为4,故称双率四。

    〔7〕此例表达了“凸限全率表”作为一个线性插值模型的用法。表中载有两面侧收限之比为1:1.1和1:2的各比值,现在要计算的凸透镜两面侧收限之比为1:1.9,于是在前两者之间继续线性插值。

    〔8〕五因、三归之:古人有一些速算法,将乘数或除数分解为几个一位数的因数,从而将乘法或除法运算化为个位数的连乘、连除。因:古人称一位数乘法叫“因”。杨辉《乘除通变算宝》中有“相乘六法”。其“单因”法:“细物一十二斤半、税一,今有二千七百四十六斤。问:税几何?”“术曰:八因以代一二五除也。”这相当于说2 746÷12.5=2 746÷100×8。又“重因”法:“绢二百七十四匹,每匹四十八尺,问:共几尺?”“草曰:置绢数,六因之,八因之。”这相当于说:274×48=274×6×8=1 644×8=13 152。此处的“五因”,为以10除、以5乘。在杨辉的速算法中,以15为除数的除法化为“二因、三归”。可见“二因”为以2乘、以10除,相当于以5除;反之,“五因”为以10除、以5乘,相当于以2除。这些古代速算法,有的在今天看来似乎不必要,但在筹算中是有效果的。归:除。见“圆叠”第十三条注〔8〕。

    〔9〕约:本意为约减,此处为除。

    〔10〕《浑盖通宪》:即《浑盖通宪图说》,利玛窦和李之藻合作翻译的介绍西方简平仪的著作,成书于1607年,底本为利玛窦的老师克拉维乌斯的《论星盘》(Astrolabium)。该书讲测量法,常常一个问题有数法,郑复光也经常提出“又法”,可见在思想方法上受其影响。其书中云:“凡位置,星辰必须兼前数术以相参验,始可无爽。”

    【译文】

    凸限全率表

    应用一:有一枚单凸透镜,正面侧收限为2寸,求:深力即顺收限为多少?

    答:1尺2寸。

    求法:设定正面侧收限2寸。查表一顺收限得到6,称之为单率6,单凸透镜的换算率总是使用这个数值。为简便计,以后只称单率6。作为乘数,乘它,即为要求的结果。另一求法:查表一较率得到5,以它乘侧收限,再加上侧收限。

    应用二:有一枚单凸透镜,影面侧收限为6寸,求:深力为多少?

    答:1尺2寸。

    求法:设定影面侧收限6寸。查表一影面侧收限得到3、查顺收限得到6,就以6乘、以3除,即为要求的结果。另一求法:设定6寸,将它翻倍。

    应用三:有一枚双凸透镜,每面侧收限为2寸,求:深力为多少?

    答:8寸。

    求法:设定2寸。查表二顺收限得到4,称之为双率4,双凸透镜总是使用这个换算率。作为乘数,乘它,即为要求的结果。另一求法:查表二较率得到3,以它乘2寸,再加上2寸。

    应用四:有一枚畸凸透镜,侧收限正面为2寸、副面为3寸8分,求:深力为多少?

    答:9寸8分。

    求法:以正面侧收限除副面侧收限,得倍数1.9。查表三侧收限找到相近但是略小的数值,为正面1.0、副面1.1。然后以副面比率1.1与1.9相减,剩余差数0.8。此时顺收限为4.1,就加上差数,得4.9,作为乘数,乘正面侧收限2寸,即为要求的结果。另一求法:查表三较率得到3,以它乘正面侧收限2寸,得6寸,再加上副面侧收限3寸8分,同样得出结果。

    应用五:有一枚单凸透镜,顺收限为1尺2寸,求:正面侧收限为多少?

    答:2寸。

    求法:以单率6除它,即为要求的结果。另一求法:以10除并以5乘、再以3除它。

    应用六:有一枚单凸透镜,顺收限为1尺2寸,求:影面侧收限为多少?

    答:6寸。

    求法:以6除、以3乘它,即为要求的结果。另一求法:将它减半。

    应用七:有一枚双凸透镜,顺收限为8寸,求:侧收限为多少?

    答:2寸。

    求法:以双率4除它,即为要求的结果。

    应用八:有一枚畸凸透镜,顺收限为9寸8分,侧收限正面为2寸,求:副面侧收限为多少?

    答:3寸8分。

    求法:查表三较率得到3,以它乘正面侧收限2寸,得6寸,作为减数,与顺收限相减,剩余差数即为要求的结果。

    应用九:有一枚畸凸透镜,顺收限为1尺4寸1分,侧收限副面为5寸1分,求:正面侧收限为多少?

    答:3寸。

    求法:以副面侧收限与顺收限相减,剩余9寸,以较率3除它,即为要求的结果。

    应用十:有甲、乙两枚凸透镜,侧收限甲一面为4寸、一面为1尺2寸,乙一面为2寸、一面为5寸。求:两枚凸透镜的区别。

    答:甲是单凸透镜,乙是畸凸透镜。

    求法:以较深一面侧收限除较浅一面侧收限,倍数正好为3倍的是单,不足3倍的是畸。

    应用十一:有一枚双凸透镜或畸凸透镜,顺收限为9寸,求:同等深度的单凸透镜的侧收限为多少?

    答:1寸5分。

    求法:以单率6除它,即为要求的结果。

    如果分别以侧收限来提问,就按规则先分别求得顺收限,双凸透镜的求法见应用三,畸凸透镜的求法见应用四。以6除它。

    一系:表中的全部比率,不一定涵盖所有应用,但凡制作仪器时,每求一个数据,一定要用几种方法进行核算,结果才能准确,不可不知。根据《浑盖通宪》。

    二

    凹限全率表〔1〕

    用一:有单凹,侧收限二寸,求:与凸相切适平,问凸顺收限几何?

    答曰:一尺二寸。

    法:置侧收限二寸,检表一深限得六,亦谓之单率六,乘之,即所求。此与凸侧限求顺限同,其又法不备载,余仿此。

    用二:有单凹,侧收限二寸,求:与双凸相切适平,问双凸侧收限几何?

    答曰:三寸。

    法:置二寸,六乘、四除,即所求。

    盖置二寸,六乘、四除者,先求得深限,再除得侧限也。

    用三:有双凹,每面侧收限二寸,求:与凸相切适平,问凸顺收限几何?

    答曰:八寸。

    法:置二寸。检表二深限得四,亦谓之双率四,为法,乘之,即所求。

    用四:有双凹,每面侧收限三寸,求:与单凸相切适平,问凸侧收限几何?

    答曰:二寸。

    法:置三寸,四乘、六除,即所求。

    用五:有畸凹,侧收限正面一寸二分、副面三寸,求:与凸相切适平,问凸顺收限几何?

    答曰:六寸六分。

    法:以正除副,得倍数二五。检表三侧收限得相近略小者,正一〇、副二〇。爰以副二〇与二五相减,余较五。其深限五十,乃加较五,得五五,为法,乘正面一寸二分,即所求。此法与下用六互文见例〔2〕。

    用六:有畸凹,侧收限正面一寸二分、副面三寸,求:与单凸相切适平,问凸侧收限几何?

    答曰:一寸一分。

    法:检表三较率得三,以乘正限,得三寸六分,加副限,以单率六除之,即所求。

    用七:有双凹,侧限三寸,求:同深单凹侧限几何?

    答曰:二寸。

    法:四乘、六除,即所求。

    一系:凹无顺限,而理与凸通,故借凸顺限为深限虚率用之。

    【注释】

    〔1〕此表原有一处明显误刻:侧展限最左边一个数据“六二一”为“二六一”之误,今已正之。深限最右边,应只有“六〇〇”而没有旁边的“〇”,但仍依原刻。

    由于凹透镜在透射时不能会聚光束、不能产生实像,所以当时还没有测量凹透镜焦距的方法,郑复光在“圆凹二”中亦表明其“难以量取”。但凹透镜的两个表面对光反射时,能会聚光束,可供测量侧收限(以及侧展限、侧均限),故其深力“惟有侧收限可凭”。其实直接用这个可以实测的侧收限来表征凹透镜的深力,也是可以的,它与焦距的关系是简单的比例关系,仅相当于单位不同。郑复光在“圆凹四”中也明确表达了这一正确思路:“凹无顺限,以其侧限为深,未为不可……”结果同样是“凹愈深,限愈短”。但是郑复光想要“与凸通为一例”,并且考虑到畸凹的两面曲率不同,不能只凭任意一面的侧收限来换算深力。这里出现了一个问题,既然凹透镜没有顺收限,即没有实焦点,那么侧收限与深限的比率如何确定呢?郑复光认为可以“借凸率虚取之”,于是“凹限全率表”就是“凸限全率表”的侧三限部分。其中,单凹(平凹透镜)的“景(影)面”(平面)对光时,连侧收限也没有,所以表中注明“此行(列)无数”。

    然而这种处理是有问题的。凸透镜侧收限是图31a中的S,是经第一表面折射进入、再经第二表面反射、再从第一表面折射出来而产生,与两面曲率半径的关系如“圆率”第一条注〔2〕中的(1)式所示;凹透镜的侧收限只是由第一表面的反射直接产生,与凹面镜完全一样,如图31b所示,侧收限与曲率半径的关系并非上述(1)式,而只是简单地等于第一表面的半径的二分之一。所以凹透镜的深限与侧收限之间的比率,在物理意义上是不能“与凸通为一例”的。郑复光很清楚“通光凹之面受光,与含光凹等”(“圆凹”第五条),但不清楚凸透镜的侧收限经过了两次折射而与之不同。在光的行为的解释上,缺少一个折射模型,这是当时中国的现状。于是郑复光虽然通过精密而系统的实验建立了正确的“凸限全率表”,但直接套用该表中侧三限部分的“凹限全率表”却与凹透镜深限的物理意义不符。按现代公式,凹透镜的侧收限为:

    其中r为第一表面的曲率半径。不考虑负号,平凹透镜的焦距为:

    双凹和畸凹透镜的焦距为:

    其中r1和r2分别为透镜第一表面和第二表面的曲率半径。取n=1.5,根据以上三式可计算出下表的第三行。第一、二两行是“凹限全率表”中的数值。

    从上表可知,郑复光所得的凹透镜深限,数值上与现代理论值相比一律大得多。这是一种系统误差,即每个数值的偏大程度都是一样的。应该指出,这并不妨碍郑复光对透镜构成的仪器进行合理的定量设计。因为,正如前面所言,这只是表明凹透镜的深限在物理意义上不表征焦距,但与焦距有比例关系,相当于单位不同而已。也就是说,当郑复光说某凹透镜深限为6寸时,相当于我们说焦距4寸;说4寸相当于2寸,说4.63寸相当于2.10寸,等等。

    〔2〕互文见(xiàn)例:“互文”是古诗文中常用的修辞方法,通常是将一个句子的各部分分开写到两个句子里去(也有单句互文),要两句互相补充、渗透,才能表现出完整的意思。此处指两个应用题的已知数相同,但条件和所求不同,两个例题本可合并为一题多问,但分为两题,互相补充为一个完整的计算规则。例,条例,规则。

    【译文】

    凹限全率表

    应用一:有一枚单凹透镜,侧收限为2寸,求:与某凸透镜紧贴而恰如平镜,问该凸透镜顺收限为多少?

    答:1尺2寸。

    求法:设定侧收限2寸。查表一深限得到6,也称之为单率6,乘它,即为要求的结果。这与凸透镜的侧限求顺限相同,另一解法不再提供,其余仿照此例。

    应用二:有一枚单凹透镜,侧收限为2寸,求:与某双凸透镜紧贴而恰如平镜,问该双凸透镜侧收限为多少?

    答:3寸。

    求法:设定2寸,以6乘、以4除,即为要求的结果。

    设定2寸,以6乘、以4除的意思是,先求出深限、再除得侧收限。

    应用三:有一枚双凹透镜,每面侧收限为2寸,求:与某凸透镜紧贴而恰如平镜,问该凸透镜顺收限为多少?

    答:8寸。

    求法:设定2寸。查表二深限比率得到4,也称之为双率4,作为乘数,乘它,即为要求的结果。

    应用四:有一枚双凹透镜,每面侧收限为3寸,求:与某单凸透镜紧贴而恰如平镜,问该单凸透镜侧收限为多少?

    答:2寸。

    求法:设定3寸,以4乘、以6除,即为要求的结果。

    应用五:有一枚畸凹透镜,侧收限正面为1寸2分、副面为3寸,求:与某凸透镜紧贴而恰如平镜,问该凸透镜顺收限为多少?

    答:6寸6分。

    求法:以正面侧收限除副面侧收限,得倍数2.5。查表三侧收限找到相近但是略小的数值,为正面1.0、副面2.0。然后以副面比率2.0与2.5相减,剩余差数0.5。此时深限为5.0,就加上差数0.5,得5.5,作为乘数,乘正面侧收限1寸2分,即为要求的结果。这个求法与下面的“应用六”参互体现规则。

    应用六:有一枚畸凹透镜,侧收限正面为1寸2分、副面为3寸,求:与某单凸透镜紧贴而恰如平镜,问该单凸透镜侧收限为多少?

    答:1寸1分。

    求法:查表三较率得到3,以它乘正面侧收限,得3寸6分,再加上副面侧收限,以单率6除它,即为要求的结果。

    应用七:有一枚双凹透镜,侧收限为3寸,求:同等深度的单凹透镜侧收限为多少?

    答:2寸。

    求法:以4乘、以6除,即为要求的结果。

    一系:凹透镜没有顺限,但道理与凸透镜相通,所以借凸透镜顺限作为深限的虚拟比率来运用。

    三

    两凸相离距显限率表〔1〕

    用一:有甲、乙两凸相等,顺收限二寸,求:距显限几何?

    答曰:四寸。

    法:并两顺收限,即所求。

    用二:有甲、乙两凸不等,顺收限甲一寸五分、乙一尺九寸,求:距显限几何?

    答曰:二尺零五分。

    法:并两顺收限,即所求。

    用三:有两凸不等,距显限二尺〇五分。或知深凸顺收限一寸五分,求:浅凸几何?或知浅凸顺收限一尺八寸,求:深凸几何?

    答曰:深凸一寸五分者,浅凸一尺九寸。浅凸一尺八寸者,深凸二寸五分。此谓四凸不等,其两凸一深一浅,各为一距显限则相等者。

    法:置距显限二尺〇五分,以减深凸一寸五分,余为所求浅凸一尺九寸。若减浅凸一尺八寸,余为所求深凸二寸五分。

    用四:有深凸,顺收限一寸,求:足距〔2〕之浅凸几何?

    答曰:八寸。

    法:置深凸限一寸,八之,即所求。

    用五:有浅凸,顺收限四尺,求:足距之深凸几何?

    答曰:五寸。

    法:置浅凸限四尺,八而一,即所求。

    【注释】

    〔1〕这个“两凸相离距显限率表”只是以数值表示两镜距等于两焦距之和,即L=f外凸+f内凸。

    〔2〕足距:此足距为开普勒望远光组的数值规定,包括两镜距和两镜焦距比,此处指后者。伽利略式望远镜的两镜焦距比规定见于前面“圆叠”第十三条。开普勒式的两镜焦距比的足距规定却未事先给出,而是首次直接出现在这个例题中,并在后面的“作远镜”第十条中再次提出。按此足距规定,物镜和目镜的焦距比为8比1,在今天看来就是规定望远镜的放大倍数为8倍。

    按:现代设计也以8倍为最恰当的放大率。这表明郑复光对望远镜的研制富有经验,从理论上说,也是他对望远镜的放大率、视场和亮度之间关系有深刻把握的必然结果。

    【译文】

    两凸相离距显限率表

    应用一:有甲、乙两枚相同凸透镜,顺收限为2寸,求:距显限为多少?

    答:4寸。

    求法:两个顺收限相加,即为要求的结果。

    应用二:有甲、乙两枚不同凸透镜,顺收限甲为1寸5分、乙为1尺9寸,求:距显限为多少?

    答:2尺零5分。

    求法:两个顺收限相加,即为要求的结果。

    应用三:有两枚不同凸透镜,距显限为2尺零5分。如果已知深凸透镜的顺收限为1寸5分,求:浅凸透镜顺收限为多少?又如果已知浅凸透镜的顺收限为1尺8寸,求:深凸透镜顺收限为多少?

    答:深凸透镜顺收限1寸5分时,浅凸透镜顺收限1尺9寸。浅凸透镜顺收限1尺8寸时,深凸透镜[顺收限]2寸5分。这指的是4枚凸透镜不相等,其中每两枚凸透镜一深一浅,分别构成一个相等的距显限。

    求法:设定距显限2尺零5分,减去深凸透镜顺收限1寸5分,剩余差数即为要求的浅凸透镜顺收限1尺9寸。如果减去浅凸透镜顺收限1尺8寸,剩余差数即为要求的深凸透镜顺收限2寸5分。

    应用四:有一枚深凸透镜,顺收限为1寸,求:足距的浅凸透镜顺收限为多少?

    答:8寸。

    求法:设定深凸透镜顺收限1寸,取它的8倍,即为要求的结果。

    应用五:有一枚浅凸透镜,顺收限为4尺,求:足距的深凸透镜顺收限为多少?

    答:5寸。

    求法:设定浅凸透镜顺收限4尺,取它的八分之一,即为要求的结果。

    四

    凸凹相切变浅限率表〔1〕

    凡到界则适平,平则无限。然既以为界,则无限而有数。故取以为率,期适其用而已。

    用一:有凸,侧收限四寸;凹,侧收限八寸,相切。求:变浅限几何?

    答曰:四尺八寸。

    法:检表一界率三,乘凸限四寸,得一尺二寸。以凹限八寸减之,余较四寸。以加凸限四寸,得八寸,为侧限数。爰以单率六乘之,得四尺八寸,为所求。

    用二:有凸,顺收限三尺六寸;凹,侧收限一尺一寸,相切。求:变浅限几何?

    答曰:七尺八寸。

    法:检表一界率三,乘凸限三尺六寸,得一丈〇八寸,为实。以单率六乘凹侧限一尺一寸,得六尺六寸。减实,余较四尺二寸。以加凸顺限三尺六寸,得七尺八寸,为所求。

    用三:有凸,顺收限二尺三寸,变浅限五尺,求:相切之凹侧收限几何?

    答曰:七寸。

    法:检表一界率三,乘凸限二尺三寸,得六尺九寸,为实。以变浅限五尺减之,余较一尺九寸。以加凸顺限二尺三寸,得四尺二寸,为凹深限。爰以单率六除之,得七寸,为所求。

    用四:有凸,侧收限五寸五分,变浅限七尺八寸,求:相切之凹侧收限几何?

    答曰:九寸。

    法:检表一界率三,乘凸限五寸五分,得一尺六寸五分。以单率六乘之,得九尺九寸,为实。以变浅限七尺八寸减之,余较二尺一寸。以加凸顺限三尺三寸,得五尺四寸,为凹深限。爰以单率六除之,得九寸,为所求。

    用五:有凸,变浅限一丈,相切之凹侧收限一尺,求:原凸顺收限几何?

    答曰:四尺。

    法:检表一界率三,加一数,得四,为法。以单率六乘凹侧限一尺,得六尺。加变浅限,得一丈六尺,为实。法除实,得四尺,为所求。

    附:天元〔2〕细草〔3〕

    草曰:立天元一为〔4〕凸顺限,得〔5〕。以界率三乘之,得。以变浅限减之,得〔6〕。加一天元,得。寄左〔7〕。乃以单率六乘凹侧限一尺,得六尺,为同数〔8〕。消左〔9〕,得。下法上实〔10〕,除之,得原凸顺限。〔11〕

    用六:有凸,变限七尺八寸,相切之凹侧收限九寸,求:原凸侧收限几何?

    答曰:五寸五分。

    法:检表一界率三,加一,得四,为法。以单率六除变浅限七尺八寸,得一尺三寸。加凹侧限九寸,得二尺二寸,为实。法除实,得五寸五分,为所求。

    附:天元细草

    草曰:立天元一为凸侧收限,得。以界率三乘之,得式。以单率六除变限,得一尺三寸,减式,得下。加天元,得。寄左。乃以凹侧收限九寸为同数。消左,得。下法上实,除之,得原凸侧收限。〔12〕

    一系:凹求变浅,检表二,仿此求之。

    【注释】

    〔1〕该表的“表一”表示f凸与f凹之比为1:2,即凸深凹浅时,互相密接的结果相当于凸透镜变浅,变浅限(组合焦距)计算法为:以f凸乘“界率3”,减去f凹,为变浅程度;再加上f凸,为变浅后的组合焦距。“表二”为凹深凸浅时的凹变浅限。详见“圆叠”第十二条。

    〔2〕天元:中国古代数学列方程方法“天元术”的简称。

    〔3〕细草:意为“详细草稿”,传统算学中的详细布算过程(出现于宋元时期)。天元术脱胎于筹算开方式,所以天元细草为用算筹布列方程的过程。

    〔4〕立天元一为:天元术专门用语。将要求的未知数立为天元一,相当于今天所说设未知数为x。

    〔5〕从书中的几个天元草看,郑复光采用的列方程格式和术语,与天元术的创建者(宋)李冶所用一样。常数项旁边标“太”,一次幂项旁边标“元”。向上每层减少一次幂,向下每层增加一次幂。为省略“太”字和“元”字的列式,表示常数项为零,一次幂项系数为1,即x。

    〔6〕:带一撇的算筹表示为负,此筹相当于-10+3x。

    〔7〕寄左:天元术专门术语。将运算所得的中间结果(一般为多项式)放在左边。

    〔8〕同数:天元术专门术语。指与左边多项式相等的另一个数或另一个多项式。前面处理的都是多项式,到“以某某为同数”这一步,得到方程。

    〔9〕消左:天元术专门术语。将方程等号两边的所有项全部移到右边,使左边为零。此处相当于得到:,但算筹只摆出,表示上面为-16,下面为4,与现代算式含义相同。即相当于将不含未知数的项全部移项到右边,得到一个未知数的计算式。

    〔10〕下法上实:以分数的分母为法(除数)、分子为实(被除数)。

    〔11〕以上天元术列方程步骤如下:

    立天元一为凸顺限,得:设凸顺收限为x

    以界率三乘之,得式:3x

    以变浅限减之,得:-10+3x

    加一天元,得。寄左:-10+4x

    乃以单率六乘凹侧限一尺,得六尺,为同数:-10+4x=6

    消左,得。下法上实,除之,得原凸顺限:

    右边方框内为16÷4的笔算草稿。第三行为被除数16,第五行为除数4,第一行为商数4。第二行为商数4乘除数4得到的结果16,用来减去被除数16,旁边加一撇表示负号。第四行的两个零,表示此次减法得数为零,即除尽。

    〔12〕上草中,“得式”的“式”和“得下”的“下”均为“下式”的简称。“减式”为“减上式”。其天元术列方程步骤如下:

    立天元一为凸侧收限,得:设凸侧收限为x

    以界率三乘之,得式:3x

    以单率六除变限,得一尺三寸。减式,得下:-130+3x

    加天元,得。寄左:-130+4x

    乃以凹侧收限九寸,为同数:-130+4x=90

    消左,得。下法上实,除之,得原凸侧收限:

    右边方框内为220÷4的笔算草稿,分为20÷4和200÷4两步。右列为第一步,求得个位数商为5。左列为第二步,200仍记为20,将负号(一撇)前移一位表示百位,将第一步求得的个位数商置于此时的个位数商位置,在十位数位置求得十位数商为5。最后得数为55(寸)。

    【译文】

    凸凹相切变浅限率表

    一旦到界则恰如平镜,平镜就没有限。但既然用来作为界,那就没有限但有数值。于是取来设为界率,以待发挥它的作用而已。

    应用一:有一枚凸透镜,侧收限为4寸;一枚凹透镜,侧收限为8寸,互相紧贴。求:变浅限为多少?

    答:4尺8寸。

    求法:查表一界率得到3,乘凸透镜侧收限4寸,得1尺2寸。减去凹透镜侧收限8寸,剩余差数4寸。以它加上凸透镜侧收限4寸,得8寸,为侧收限数。然后以单率6乘它,得4尺8寸,为要求的结果。

    应用二:有一枚凸透镜,顺收限为3尺6寸;一枚凹透镜,侧收限为1尺1寸,互相紧贴。求:变浅限为多少?

    答:7尺8寸。

    求法:查表一界率得到3,乘凸透镜顺收限3尺6寸,得1丈零8寸,为被减数。以单率6乘凹透镜侧收限1尺1寸,得6尺6寸。与被减数相减,剩余差数4尺2寸。以它加上凸透镜顺收限3尺6寸,得7尺8寸,为要求的结果。

    应用三:有一枚凸透镜,顺收限为2尺3寸,变浅限为5尺,求:与之叠加的凹透镜的侧收限为多少?

    答:7寸。

    求法:查表一界率得到3,乘凸透镜顺收限2尺3寸,得6尺9寸,为被减数。以变浅限5尺与它相减,剩余差数1尺9寸。以它加上凸顺收限2尺3寸,得4尺2寸,为凹透镜深限。然后以单率6除它,得7寸,为要求的结果。

    应用四:有一枚凸透镜,侧收限为5寸5分,变浅限为7尺8寸,求:与之叠加的凹透镜的侧收限为多少?

    答:9寸。

    求法:查表一界率得到3,乘凸透镜侧收限5寸5分,得1尺6寸5分。以单率6乘它,得9尺9寸,为被减数。以变浅限7尺8寸与它相减,剩余差数2尺1寸。以它加上凸透镜顺收限3尺3寸,得5尺4寸,为凹透镜深限。然后以单率6除它,得9寸,为要求的结果。

    应用五:有一枚凸透镜,变浅限为1丈,与之叠加的凹透镜的侧收限为1尺,求:原先凸透镜的顺收限为多少?

    答:4尺。

    求法:查表一界率得到3,加上1,得4,作为除数。以单率6乘凹透镜侧收限1尺,得6尺。加变浅限,得1丈6尺,作为被除数。除数除被除数,得4尺,为要求的结果。

    附:天元细草

    草:立天元一为凸透镜顺收限,得。以界率3乘它,得。与变浅限相减,得。加上一个天元,得。放在左边。就以单率6乘凹透镜侧收限1尺,得6尺,为[右边的]相等数。进行消去左边的变换,得。下为除数、上为被除数,做除法,得出原先凸透镜的顺收限。

    应用六:有一枚凸透镜,变浅限为7尺8寸,与之叠加的凹透镜的侧收限为9寸,求:原先凸透镜的侧收限为多少?

    答:5寸5分。

    求法:查表一界率得到3,加1,得4,作为除数。以单率6除变浅限7尺8寸,得1尺3寸。加凹透镜侧[收]限9寸,得2尺2寸,作为被除数。除数除被除数,得5寸5分,为要求的结果。

    附:天元细草

    草:立天元一为凸侧收限,得。以界率3乘它,得下式:。以单率6除变浅限,得1尺3寸。减上式,得下式:。加天元,得。放在左边。就以凹透镜侧收限9寸为[右边的]相等数。进行消去左边的变换,得。下为除数、上为被除数,做除法,得出原先凸透镜的顺收限。

    一系:求凹透镜变浅,查表二,仿照以上算法求取。

    五

    凸凹相离变显限率表〔1〕

    用一:有凸,顺收限九寸六分,求:加凹得变显限足距,问凹侧收限几何?

    答曰:八分。

    法:以凸率一二为一率,凹率一为二率,今凸限九寸六分为三率,得四率,即所求。此用表二之率。

    又法:置凸顺限,二归、又六归,即得。盖凸顺限二归之为凹深限,故以单率六归之得凹侧限也。此用表一之率。

    用二:有单凹,侧收限三寸,求:加凸得变显限足距,问凸顺收限几何?

    答曰:三尺六寸。

    法:以凹率一为一率,凸率一二为二率,今凹侧限三寸为三率,得四率,即所求。

    又法:置凹侧限,六因、二因,即得。

    用三:有单凹,侧收限三寸;凸,顺收限九寸六分。求:差距变显限几何?

    答曰:二寸五分六厘。

    法:先求足距同用一。以定率一二为一率,定率一为二率,今凸限九寸六分为三率,得四率八分,为足距之凹侧限。爰以今凹侧限三寸为一率,足距八分为二率,今凸顺限九寸六分为三率,得四率,即所求。

    用四:有凸,顺收限九寸六分,知差距变显限二寸五分六厘,求:原凹侧收限几何?

    答曰:三寸。

    法:先同用一,求得足距八分。爰以变显限二寸五分六厘为一率,凸限九寸六分为二率,足距八分为三率,得四率,即所求。

    用五:有单凹,侧收限四寸,知差距变显限二尺七寸,求:原凸顺收限几何?

    答曰:三尺六寸。

    法:先同用二,求得足距凸顺限四尺八寸为首率,变显限二尺七寸为末率。用连比例法〔2〕,以首率、末率相乘,得十二尺九十六寸〔3〕。开平方,得中率三尺六寸,即所求。

    附:天元术草〔4〕

    术曰:以定率一二乘凹限,与变限相乘,为正实〔5〕。从空〔6〕。一为负隅〔7〕。平方开之〔8〕。

    草曰:立天元一为凸限。以定率一乘之,得。合以定率除之,不除,便为足距内寄为母。〔9〕又以凸限乘之,得。合以凹限除之,不除,便为差距内寄为母。寄左。以两母相通〔10〕,得。以变限距得,为同数。相消,得。开平方。〔11〕

    【注释】

    〔1〕该表仅表示郑复光规定的伽利略式望远镜的足距定率,表一指凹透镜侧收限和凸透镜侧收限的比率为1:2,表二指凹透镜侧收限和凸透镜顺收限的比率为1:12。根据我们在“圆叠”第十三条注中的分析,这些数据没有实际意义。

    〔2〕连比例法:指通过比例式a:x=x:b求x。a为“首率”,b为“末率”。x2=a·b,开平方求之。

    〔3〕“九十六寸”应作“九寸六”。

    〔4〕此处和以下“天元术草”分为“术”和“草”。“术”为列方程所得的最后开方式,“草”为用算筹布列方程的详细过程。

    〔5〕正实:中国古代称方程中的常数项为“实”,“正实”为正数的实。

    〔6〕从空:中国古代称方程中的一次幂系数为“从”(纵),又叫方、从方、从法。“从空”意为从为零。

    〔7〕负隅:中国古代称方程中的最高次幂系数为“隅”,又叫法、隅法、常法。“负隅”为负数的隅。

    〔8〕平方开之:即开平方。中国古代将开平方(x2=a)和解一般的二次方程(ax2+bx+c=0,即隅不为1,从不为空)都叫做开平方。此术所列方程为:-x2+1 296=0。

    〔9〕“合”意为“本该”,这个x本该要用12除,才是足距侧收限。但是在筹算中,每一步都摆出分母是很不方便的,所以将分母寄在旁边,叫做“内寄某某为母”,以待后来进行去分母计算。  “不除,便为足距”:省语,“便”下省“以之”,“为”下省“带分”。意为本该要除,但是先不除,姑且以它为带着分母的足距侧收限。这种术语与李冶《测圆海镜》中的一致。李冶在该除而先不除时往往说“不受除,便以此为某某”,同时必注明“内带某某为分母”,相当于郑复光说“内寄某某为母”。内,内部,其中。寄,寄存,存放。母,分母。

    〔10〕通:通分运算之类的等量变换叫做“通”。

    〔11〕以上天元草是根据“圆叠”第十三条中的公式列方程。公式为。其中,为凹透镜足距侧收限,为凹透镜差距侧收限,L差为差距变显限,L足为足距变显限。由于在筹算列式中,最后要以L差为同数,故变换为。四项中两项为已知数,。另外两项中含有未知数f足=x。按“定率”规定,。按足距规定,L足=f足=x。于是得:。这样一个列式在今天很方便,但在筹算中需要逐一布列。其步骤如下:

    立天元一为凸限。以定率一乘之,得:设f足=x,乘1,得x。

    合以定率除之,不除,便为足距内寄为母:本该以定率12除天元x,即为足距侧收限,但是先不除,姑且以它为带着分母的足距侧收限。这一步得到,分母12寄在旁边。

    又以凸限乘之,得:。

    合以凹限除之,不除,便为差距内寄为母。寄左:本该以4除上式,即为差距镜筒长,但是先不除,姑且以它为带着分母的差距。把分母4寄在旁边。此时得到,把这个中间结果放在左边。

    以两母相通,得:用两个分母乘两边,左边分母消去,右边为48。

    以变限距得,为同数:“距”下疑脱“乘之”。右边再乘上差距变显限27,得到方程x2=1 296。

    相消,得。开平方:进行消去左边的变换,得:-x2+1 296=0。解方程。表示常数项为1 296,表示一次幂项为零,表示二次幂项系数为-1。

    右边方框内为开平方笔算稿。先列出上、中、下三栏。上为常数项即正实1 296。中为一次幂系数,为零,故称“空从”。下为二次幂的负系数即负隅,为-1。其开方法和今天是一致的:

    右列,因302<1 296<402,估得初商为30。将30置于正实1 296上面。将30乘负隅,得-30,置于空从下面。再置30于其下。二者相乘得-900,置于正实之下,与之相加,得396。以初商30乘2、乘负隅,得-60,置于从栏最下面,预备作为下一步的从。因其为负数,在下一步中称负从。

    左列,为求次商(即根的个位数),另起一式进行计算。此时被开方数即正实为396,负从为-60,负隅为-1。估计次商,因60×6<396<60×7,估得次商为6,置于正实396上面个位数的位置。以6乘负隅,得-6,置于负从之下,与之相加,得-66,置于从栏下一行,作为除数。以次商6乘除数-66,得-396,置于正实之下,与之相加,得零,为除尽,即开方开尽。初商30加次商6,得36,为最后所得的根。

    中国古代的开方术,最初带有几何思维模式。将被开方数视为某个面积,将要求的根视为边长。如图71,根由初商a和次商b构成。即,边长为a+b,面积为a2+2ab+b2。上述开方,面积为1 296,即a2+2ab+b2=1 296。a为使a2最接近1 296的整数,即初商。试得初商为30,得60b+b2=396。60b的几何意义为图中的两个长方形,故60称“从方”。因从方为两个a·b,故第二步的从(一次幂系数)为2乘a(2×30=60)。b为使60b最接近396的整数,试得6,开尽。

    图71

    【译文】

    凸凹相离变显限率表

    应用一:有一枚凸透镜,顺收限9寸6分,求:加上凹透镜得变显限足距,问凹透镜侧收限为多少?

    答:8分。

    求法:以凸透镜定率12为一率,凹透镜定率1为二率,当前凸透镜顺收限9寸6分为三率,求得四率,即为要求的结果。这是用表二的比率。

    另一求法:设定凸透镜顺收限,以2除、再以6除,即得。因为凸透镜顺收限被2除就是凹透镜深限,所以以单率6去除就得到凹透镜侧收限。这是用表一的比率。

    应用二:有一枚单凹透镜,侧收限3寸,求:加上凸透镜得变显限足距,问凸透镜顺收限为多少?

    答:3尺6寸。

    求法:以凹透镜定率1为一率,凸透镜定率12为二率,当前凹透镜侧收限3寸为三率,求得四率,即为要求的结果。

    另一求法:设定凹透镜侧收限,乘6、乘2,即为要求的结果。

    应用三:有一枚单凹透镜,侧收限3寸;一枚凸透镜,顺收限9寸6分。求:差距变显限为多少?

    答:2寸5分6厘。

    求法:先按“应用一”的方法求出足距侧收限。以定率12为一率,定率1为二率,当前凸透镜顺收限9寸6分为三率,求出四率为8分,为足距的凹透镜侧收限。然后以当前凹透镜侧收限3寸为一率,足距侧收限8分为二率,当前凸透镜顺收限9寸6分为三率,求出四率,即为要求的结果。

    应用四:有一枚凸透镜,顺收限9寸6分,已知差距变显限为2寸5分6厘,求:原先凹透镜的侧收限为多少?

    答:3寸。

    求法:先按“应用一”的方法,求得足距侧收限8分。然后以变显限2寸5分6厘为一率,凸透镜顺收限9寸6分为二率,足距侧收限8分为三率,求出四率,即为要求的结果。

    应用五:有一枚单凹透镜,侧收限为4寸,已知差距变显限为2尺7寸,求:原先凸透镜的顺收限为多少?

    答:3尺6寸。

    求法:先按“应用二”的方法,求得足距凸透镜顺收限4尺8寸为首率,变显限2尺7寸为末率。用连比例法,以首率、末率相乘,得12尺9寸6。开平方,得中率3尺6寸,即为要求的结果。

    附:天元术草

    术:以定率12乘凹侧收限,与变显限相乘,作为正实。从空。1为负隅。开平方。

    草:立天元一为凸透镜顺收限。以定率1乘它,得。应该以定率除它,先不除,就以它为[带分母的]足距[凹透镜侧收限]含有寄存的为分母。再以凸透镜顺收限乘它,得。应该以凹透镜侧收限除它,先不除,就以它为[带分母的]差距含有寄存的为分母。放在左边。以两个分母通乘[两边],得。以变显限长度[乘它],得,为[右边的]相等数。左右相消,得。开平方。

    六

    相切变深限率表〔1〕

    半甲限即甲倍限。圆叠二十二论注。明其理曰:甲倍限,据其数曰半甲限。

    用一:有甲加乙凸,顺收限甲四寸、乙一尺六寸,问:变深限?

    答曰:三寸五分。

    法:以甲除乙,得四倍,为法。乃检表一,其半甲限五,谓之半率五,入后止称半率,五从省。以折甲限,得二寸。即以减乙限,余较一尺四寸,为实。法除之,为所求。

    用二:有单凸甲加乙,侧收限甲二寸、乙四寸,问:变深限?

    答曰:九寸。

    法:以单率六各乘,得顺收限。甲一尺二寸,乙二尺四寸。以用一法入之〔2〕,得所求。

    又法:以甲除乙,得二倍,为法。以半率五折甲限,得一寸。即以减乙四寸,余较三寸,为实。法除之,得一寸五分,为侧限中数。以单率六乘之,亦得。

    用三:有双凸甲加乙,侧收限甲一寸、乙五寸,问:变深限?

    答曰:三寸六分。

    法:以双率四各乘,得顺收限。以用一法入之,得所求。

    又法:求得侧收限中数九分,以双率四乘之,亦得。即用二又法。

    用四:有畸凸甲加乙,侧收限甲正面六分、副面一寸二分,乙正面二寸、副面三寸。问:变深限?

    答曰:二寸五分。

    法:先各求其顺收限。法详圆率一之用四。求得甲顺限三寸,乙顺限九寸。爰以甲三寸除乙九寸,得三倍,为法。以半率五折甲限三寸,得一寸五分。即以减乙限九寸,余较七寸五分,为实。法除之,得所求。此即用一之法。

    一系:有单凸加双或畸,及有双凸加畸,法皆先求其顺限,以用一法入之。至于单、双互变,畸例双、单,详圆率一,变通在人,兹不备具。

    用五:有变深限二寸,甲凸顺限三寸,问:乙顺限?

    答曰:四寸五分。

    法:以半率五折甲限,得一寸五分。以乘甲限,得四尺五寸,为实。副〔3〕以变深限二寸,减甲限三寸,余较一寸,为法。除之,得所求。

    附:天元术草

    术曰:以变限减甲限,余一寸,为一率;以半率五折甲限,得一寸五分,为二率;甲限三寸为三率。推得四率,即乙限。〔4〕

    草曰:立天元一为乙限,得。合以甲限卅分除之,不除,便为倍数内寄为母。副置甲限,半之,得,为半甲限。以母通之,得,为带分〔5〕半甲限。以母通天元,得,为带分乙限。内减带分半甲限,得,为带分较数〔6〕,为实。以倍数天元除之,得,为变深限。寄左。以变深限为同数。消左,得。下法上实,合问。〔7〕

    论曰:此法,用天元如常,而前有寄母、后不寄母〔8〕,及改寸为十分,最易眩惑,故为解之:

    本法〔9〕求较,用半率五以折甲限三寸,则得一寸五分,是不得不改寸为分,以就单位也。至寄母三十分,本寄于天元内,后复以天元除带分数,则所寄之母即已消去,故寄左数遂无寄母也。试取较,改草曰:

    合以天元法除之,不除,便为变深限内寄天元为母。寄左。副置变深限,以天元母通之,得,为同数。消左,得。与前法同。〔10〕

    用六:有变深限九寸六分,乙凸顺收限三尺,问:甲顺收限?

    答曰:一尺二寸。

    法:以乙顺限三尺乘变限九寸六分,得二百八十八尺,为负实。乙顺限三尺为正从。半率五厘题以分为单位,故半率当退位为厘。为负隅。以和数〔11〕平方开之,得所求。〔12〕

    附:天元草

    草曰:立天元一为甲顺限。以除乙顺限,得式:,为倍数,为上法〔13〕。副置天元,半之,得〔14〕,为半甲限。以减乙顺限,得,为较数,以为实。合以上法除之,不除,便为带分变深限数内寄上法为母。寄左。副置变深限,以母通之,得,为同数。消左,得和数。平方开之〔15〕,合问。〔16〕此开得第一数也,第二数四尺八寸无用。〔17〕

    用七:有子、丑两单凹侧收限,求变深。法与求凸用二同。求凹俱与求凸同。余仿此。

    用八:有子、丑两双凹侧收限,求变深。法如用三。

    用九:有子、丑两畸凹各面侧收限,求变深。法如用四。以凹深限虚率当凸顺限数算。

    一系:凹无顺限,无缘得有变深数以求子或丑也,如虚设数为问,则依用五、用六法求之,无容设例矣。

    【注释】

    〔1〕如同变浅限的关键常数是“界率3”一样,变深限的关键是“半甲限”。只要用相叠加的两枚透镜的焦距比作为“倍数”去除“半甲限”,即得变深程度,即组合焦距比甲的焦距短的那一段。故表中数据给出甲、乙两凸同深(均为10)时的半甲限为5。子、丑两凹同深亦仿照两凸。半甲限也表示顺收限不等于10而等于其他数值时,也将其折半。

    〔2〕以用一法入之:意为按“应用一”的计算法进行计算。

    〔3〕副:“副置”的简称。副置:(唐)李籍《九章筭术音义》解释说:“别设筭位,有所分也。”意为在旁边另外进行一项相关计算时的第一步,另外布置一个数。李籍语引自郭书春《九章筭术译注》。

    〔4〕此术为根据比例式来求取f2。即通过10:15=30:x,求得x=45。右边方框内“三〇”和“一五”两个数据的位置互换,为误刻。

    〔5〕带分:“带有[被寄存的]分母”的省文。

    〔6〕此处的“数”不是一个数值而是多项式。后文中的“寄左数”也是指放在左边的多项式。放在右边的“同数”既可为一个数值,亦可为一个多项式。“较数”既可为两数相减所得的一个数值,亦可为一个相减的多项式。

    〔7〕以上“天元草”为根据“圆叠”第二十二条注〔9〕中的公式来列方程。步骤如下:

    立天元一为乙限,得:设未知数乙限为x。

    合以甲限卅分除之,不除,便为倍数内寄为母:这一步是布置这个“倍数”,此时f2为未知数x。x本该被f1(30)除,才是倍数,但先不除,就以它为带着分母的倍数,把分母30寄放在旁边。这一步得到倍数为。

    副置甲限,半之,得,为半甲限:另外布置甲限,取其一半,为,得15。

    以母通之,得,为带分半甲限。以母通天元,得,为带分乙限:这一步最有迷惑性,郑复光在后面也说“最易眩惑”,相当于以分母30分别乘半甲限15(即)和天元x(即f2),同时又让它们都带上分母30。在现在看来等于以30乘、以30除,什么也没有做。但在筹算中,一开始就寄放了一个分母,最后总要消掉,所以在消掉之前就要带上。以分母30乘半甲限,得450,为带着分母30的半甲限(算筹只摆出,即450);乘天元得30x(算筹在太位下为一次幂),为带着分母的乙限。

    内减带分半甲限,得,为带分较数,为实:以带分乙限减带分半加限(即-),得,为带着分母的差数(即相减式)。在算筹式中,分母30不摆出来而寄在旁边。

    以倍数天元除之,得,为变深限。寄左:这一步做完整个分数多项式。即以倍数(即)除,寄存的分母30在此时消去,得,为变深限。算筹式中(30)在太位为常数,(-450)在上面一行为负一次幂。将这个表示变深限的多项式放在左边。

    以变深限为同数。消左,得:上面寄左的多项式与已知的变深限20相等,得到方程,进行消去左边的变换,得:。

    下法上实,合问:以下面的法数(除数)10除上面的实数(被除数)450,所得符合所问。

    〔8〕前有寄母、后不寄母:指前面以甲限30除天元时寄存分母,而后面以带所寄分母的天元除带分母的相减式时却不寄存分母。实则此时分母已消去,无所寄。

    〔9〕本法:指上述解法为基本解法,系相对于下面的解法为变法而言。本,基本,原本。

    〔10〕从相减式-450+30x这一步开始,改变算法,另起算草为:

    本该以天元x为除数(法)去除上式,则表示变深限,但是先不除,就以上式为带着分母的变深限,将分母天元x寄在旁边。将所得多项式放在左边。另外布置变深限20(于右边),以分母天元x同时乘左右两边,左边寄存的分母在此时消去,得等式:-450+30x=20x。进行消去左边的变换,得:。与前面的方法所得一致。

    〔11〕和数:各个数相加所得的项。既可为几个数相加所得的一个数值,亦可为一个相加的多项式。

    〔12〕此“法”为方程-0.5x2+300x-28 800=0。

    〔13〕上法:“法”为除数,此数为稍后要用到的除数,故“上法”为预先得到的法(除数)。

    〔14〕在这个算筹符号中,“元”在左,表示0.5x。若“元”在右,则为5x。

    〔15〕古代将解一元二次方程也叫做开平方。

    〔16〕以上“天元草”为列出方程:。其中f1=x,f2=300,F=96。列方程步骤如下:

    立天元一为甲顺限:设甲顺限为x。

    以除乙顺限,得式:,为倍数,为上法:以x除乙顺限,得,为变深限的倍数,作为预留的法数(除数)。

    副置天元,半之,得,为半甲限:另外布置天元x,取其一半,得0.5x(即),为半甲限。

    以减乙顺限,得,为较数,以为实:以半甲限与乙顺限相减,得300-0.5x,为变深限的差数,作为被除数。

    合以上法除之,不除,便为带分变深限数内寄上法为母。寄左:本该以上法除上式,即为变深限,但先不除,就以它为带分母的变深限,将分母寄在旁边。将整个式子放在左边。这一步得到。

    副置变深限,以母通之,得,为同数:将变深限96置于右边,两边同乘300以去分母,右边得28 800,作为与左边相等的数。

    消左,得和数。平方开之,合问:进行消去左边的变换,(右边)得到多项式各项之和(左边为零,左右相等)。按今天的习惯,左右与古代相反,得方程:-0.5x2+300x-28 800=0。解方程,所得符合所问。

    右边方框内为解一元二次方程-0.5x2+300x-28 800的笔算列式。

    右列,上为常数项即负实-28 800,中为一次幂系数即正从300,下为二次幂的负系数即负隅-0.5。因1002<28 800<2002,估得初商为100。将100置于负实-28 800上面。将初商100乘负隅-0.5,得-50,置于正从300下面,与之相加,得余从250。以初商乘余从,得25 000,置于负实之下,与之相加,得-3 800。再以初商100乘负隅-0.5,得-50,置于余从250之下,与之相加,得200,预备作为下一步的从。

    左列,为求次商,另起一式进行计算。此时被开方数即负实为-3 800,从为200,负隅为-0.5。估计次商为20。以20乘负隅-0.5,得-10,置于从下,与之相加,得190。以次商乘190,得3 800,置于负实之下,与之相加,得零。开尽。初商100加次商20,得120,为要求的根。

    由上可知,中国古代的开平方运算与解一元二次方程运算,是同一个程序,故一律称作开平方。像此题这种一次幂项不为零的情况,又称“带从开平方”。

    〔17〕上述方程有两个根,另一个为x=420,这个根对于上述应用题的题意来说无用。

    【译文】

    相切变深限率表

    半甲限就是甲倍限。“圆叠”第二十二条论注。道理讲明了就是:甲倍限,从数值上说就叫半甲限。

    应用一:有甲、乙凸透镜组合,顺收限甲4寸、乙1尺6寸,问:变深限为多少?

    答:3寸5分。

    求法:以甲顺收限除乙顺收限,得4倍,作为除数。然后表一,其半甲限为5,称之为半率5,以下只称半率,5从略。以它将甲顺收限折半,得2寸。就以它与乙顺收限相减,剩余差数1尺4寸,作为被除数。以除数除它,为要求的结果。

    应用二:有单凸透镜甲和乙的组合,侧收限甲2寸、乙4寸,问:变深限为多少?

    答:9寸。

    求法:以单率6分别乘侧收限,得出顺收限。甲1尺2寸,乙2尺4寸。以“应用一”的解法求解,就得到要求的结果。

    另一求法:以甲侧收限除乙侧收限,得2倍,作为除数。以半率5将甲侧收限折半,得1寸。就以它与乙侧收限4寸相减,剩余差数3寸,作为被除数。以除数除它,得1寸5分,为侧收限的中间数。以单率6乘它,也能得出结果。

    应用三:有双凸透镜甲和乙的组合,侧收限甲1寸、乙5寸,问:变深限为多少?

    答:3寸6分。

    求法:以双率4分别乘侧收限,得出顺收限。以“应用一”的解法求解,就得到要求的结果。

    另一求法:求得侧收限中间数9分,以双率4乘它,也能得出结果。即“应用二”的另一解法。

    应用四:有畸凸透镜甲和乙的组合,侧收限甲正面6分、副面1寸2分,乙正面2寸、副面3寸。问:变深限为多少?

    答:2寸5分。

    求法:先分别求出它们的顺收限。求法详见“圆率”第一条的“应用四”。求得甲顺收限为3寸,乙顺收限为9寸。然后以甲顺收限3寸除乙顺收限9寸,得3倍,作为除数。以半率5将甲[顺收]限3寸折半,得1寸5分。就以它与乙顺收限9寸相减,剩余差数7寸5分,作为被除数。以除数除它,就得到要求的结果。这就是“应用一”的解法。

    一系:如果碰到单凸透镜加双凸透镜或畸凸透镜,以及双凸透镜加畸凸透镜的情况,方法都是先求出它们的顺收限,以“应用一”的解法求解。至于单、双互相换算,畸例比双、单,详见“圆率”第一条,变通在于人为,此处不再一一列举。

    应用五:有变深限2寸,甲凸透镜顺收限3寸,问:乙凸透镜顺收限为多少?

    答:4寸5分。

    求法:以半率5将甲顺收限折半,得1寸5分。以它乘甲顺收限,得4尺5寸,作为被除数。另以变深限2寸,与甲顺收限3寸相减,剩余差数1寸,作为除数。除数除被除数,就得到要求的结果。

    附:天元术草

    术:以变深限与甲顺收限相减,剩余1寸,作为一率;0以半率5将甲顺收限折半,得1寸5分,作为二率;甲顺收限3寸为三率。推得四率,即乙顺收限。

    草:立天元一为乙顺收限,得。本该以甲顺收限30分除它,先不除,就以它为[带分母的]倍数含有寄存的为分母。另外布置甲顺收限,取其一半,得,为半甲限。以分母对它作通分乘法,得,为带有分母的半甲限。以分母对天元作通分乘法,得,为带有分母的乙顺收限。其中减去带有分母的半甲限,得,为带有分母的差数,作为被除数。以倍数天元除它,得,为变深限。放在左边。以变深限为[右边的]相等数。进行消去左边的变换,得。下为除数、上为被除数[进行除法],所得符合所问。

    论:以上解法,为正常运用天元术,但前面寄存分母、后面不寄存分母,还有把1寸改为10分,最容易让人迷惑,所以对此作一点解释:

    原本的解法中求差数时,用半率5将甲顺收限3寸折半,结果得1寸5分,这样就不得不改寸为分,以便将就单位。至于寄存的分母30分,本来就寄在天元之中,后来又以天元除带分母的项,所寄的分母就已经消去,所以寄在左边的项就没有寄存的分母了。试从差数这一步将天元草改为:

    本该以作为除数的天元去除它,先不除,就以它为[带分母的]变深限含有寄存的天元为分母。放在左边。另外设置变深限,以天元分母通乘[两边],得,作为[右边的]相等数。进行消去左边的变换,得。与前一方法相同。

    应用六:有变深限9寸6分,乙凸透镜顺收限3尺,问:甲凸透镜顺收限为多少?

    答:1尺2寸。

    求法:以乙顺收限3尺乘变深限9寸6分,得288尺,为负实。乙顺收限3尺为正从。半率5厘题目上以分为单位,所以半率当退位为厘。为负隅。对和数进行开平方运算,得所需结果。

    附:天元草

    草:立天元一为甲顺收限。以它除乙顺收限,得下式:,为倍数,为预置的除数。另外布置天元,取其一半,得,为半甲限。以它与乙顺收限相减,得,为差数,以它为被除数。本该以预置的除数去除它,先不除,就以它为带分母的变深限数含有寄存的预置除数为分母。放在左边。另外布置变深限,以分母通乘[两边],得,作为[右边的]相等数。进行消去左边的变换,得和数。开平方,所得符合所问。这是开方所得的第一个数,第二个数4尺8寸无用。

    应用七:有子、丑两枚单凹透镜的侧收限,求变深限。解法与求解凸透镜的“应用二”相同。求解凹透镜一律与求解凸透镜相同。其余仿照此例。

    应用八:有子、丑两枚双凹透镜的侧收限,求变深限。解法如“应用三”。

    应用九:有子、丑两枚畸凹透镜的各面侧收限,求变深限。解法如“应用四”。把凹透镜深限虚率当作凸透镜顺收限数来计算。

    一系:凹透镜没有顺限,无由从变深限数来求子或丑的限,如果虚设数值来提问,则依照“应用五”、“应用六”的解法求解,无须再设置例题了。

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