朱世杰：中世纪世界最伟大的数学家，他的四元术如何改变了数学史

在中国古代数学史上，有四位被称为“秦、李、杨、朱四大家”的数学家，他们分别是秦九韶、李冶、杨辉和朱世杰。他们都活跃在宋元时期，是中国数学鼎盛时期的代表人物。其中，朱世杰是最后一位，也是最伟大的一位。他被誉为“中世纪世界最伟大的数学家”，在天元术的基础上发展出了四元术，以及消元求解方法，还创造出了垛积法和招差术，对无理方程和几何问题也有深入的研究。他的主要著作《算学启蒙》和《四元玉鉴》影响了后世和西方的数学发展。本文将介绍朱世杰的生平经历，数学思想和创造，以及数学贡献和影响，以展示他在数学史上的重要地位。

朱世杰（1249年-1314年），字汉卿，号松庭，祖籍燕山（今北京），元代数学家、教育家。朱世杰的青少年时代，蒙古人在北方的势力日益增强。至1279年，元灭南宋，建立起统一的元帝国。朱世杰从小就对数学有着浓厚的兴趣，遍读了北方算学家的著作，尤其是李冶的《测圆海镜》，对他影响很大。后来他还学习了李德载的二元术和刘大鉴的三元术，懂得了如何建立并解出二元、三元的高次方程组。在1270年代时，他已经是北方知名的算学家了。

公元1279年，元灭南宋后，朱世杰也来到南方游学。他结识了不少南方的数学家，接触到了南方的算书，尤其是秦九韶的《数书九章》和杨辉的著作。他从中吸收了许多先进的数学思想和方法，并加以创造性地发展。后来，朱世杰到扬州定居，慕名而来求学的人络绎不绝。他长期从事数学教育事业，以数学名家周游各地20多年。他不仅教授自己的创造性成果，也传授前人的经典理论和实用技巧。他还编写了两部重要的数学著作，《算学启蒙》（1299年）和《四元玉鉴》（1303年），总结了宋元时期的数学成就，并开创了新的数学领域。

《算学启蒙》分三卷，二十门，259问，由浅入深，循序渐进，从一位数的乘法开始，内容包括了各类乘除法歌诀、各类面积和体积以及算术问题，还有分数运算、垛积法、盈不足术等。书中明确提出正负数乘法法则，给出倒数的概念和基本性质，概括出若干新的乘法公式和根式运算法则，总结了若干乘除捷算口诀，并把设辅助未知数的方法用于解线性方程组。书中还介绍了天元术，并给出了一些实际问题的应用。《算学启蒙》是一部通俗易懂、内容丰富、方法灵活、实用性强的数学名著，在当时广为流传，并传到了朝鲜和日本等国家。

《四元玉鉴》分三卷，二十四门，共收录288个问题，都与方程或方程组的求解相关。其中关于四元方程组的问题有七个，三元的有13个，二元的有36个。书中给出了多元高次方程组的消元方法，以及用正负开方术求数值解的方法。书中还涉及了无理方程和几何问题的处理，以及垛积法和招差术的应用。

《四元玉鉴》是朱世杰的代表作，也是中国宋元数学高峰的又一个标志。书中最杰出的数学创造是四元术，即多元高次方程组的建立和求解方法。秦九韶的高次方程数值解法和李冶的天元术都被包含在内。四元术是在二元术和三元术的基础上发展起来的，它把方程组中的常数项分别放在上、下、左、右四个位置，形成一个四元矩阵。然后通过方程组中不同方程的配合，依次消掉各个未知数，化四元为三元、二元以至一元。这种方法不仅可以处理整系数方程组，也可以处理分数系数和无理系数的方程组。

朱世杰还创造了垛积法和招差术，这是对等差级数和内插法的重大贡献。垛积法是一种高阶等差级数的求和方法，它可以求出二阶、三阶、四阶乃至五阶等差级数的和，并发现了其规律，掌握了三角垛统一公式。招差术是一种高次内插法，它可以根据已知数据点，求出任意位置的数据值，并给出误差范围。朱世杰利用垛积公式给出了规范的四次内插公式，并发现了垛积法与内插法的内在联系。

朱世杰对无理方程和几何问题也有深入的研究。无理方程是指出现了关于未知数的无理表达式的方程。李冶处理过根式，但并未解过无理方程。朱世杰著作中的无理方程是中国算学史上的首创。他的处理方法是将无理式设为辅助未知数，通过变量代换将无理方程转化为有理方程来解决。在几何问题上，朱世杰不仅总结了前人的勾股及求积理论，而且在李冶思想的基础上更进一步，深入研究了勾股形内及圆内各几何元素的数量关系，发现了两个重要定理–射影定理和弦幂定理。他在立体几何中也开始注意到图形内各元素的关系。

朱世杰的数学成果代表了宋元以来的最高水平，正是因为他吸取了各种先进的思想，并加以创造性地发展。他提高了数学的抽象程度和一般化程度，总结了宋元数学的高峰成就，并开创了新的数学领域。他对后世和西方数学也有重要的启发和影响。他的著作《算学启蒙》和《四元玉鉴》被后人广泛传抄和引用，并传到了日本、朝鲜等国家。日本算学家关孝和曾说：“中国算学之精华，在于《算学启蒙》。”西方数学家牛顿、莱布尼茨等也曾借鉴过招差术等方法，并将其发展为微积分。清代乾隆皇帝曾赞誉朱世杰说：“天下之大算家也。”

总之，朱世杰是中国古代最伟大的数学家之一，也是中世纪世界最伟大的数学家之一。他在数学史上占有重要地位，他的数学成就和创造值得我们敬仰和学习。他用他的智慧和勤奋，为人类文明的进步做出了巨大的贡献。