致敬伟大的科学家(奇趣科学探索之旅)
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杨辉:
一生钟爱纵横图

杨辉是南宋的一名地方行政官,他在算术和数学教育方面做出了重大的贡献,与秦九韶、李冶、朱世杰并称“宋元数学四大家”。

杨辉是南宋台州府(今浙江台州)的一名知州。春季的一天,正值休假的杨辉出门踏青。春风裹挟着醉人的芬芳,轻柔地抚摸着杨辉的脸庞,花红柳绿占据了他的双眼,耳旁尽是悦耳的鸟啼。沉醉其中的杨辉逐渐忘记了看眼前的路,直到一声清脆的男童声音把他惊醒:“停下,快停下。”

杨辉低头一看,原来一个扎着辫子的小男孩抱住了他的腿,拦住了他的去路。小男孩不再言语,而是蹲下身子,拿着一个短棍在地上划拉着。只见男孩面前有个九宫格,他不断地在每个格子中填上数字,之后又擦掉。

杨辉看着这个图案有些眼熟,就问:“小朋友,你这是在做什么?”

“这是老师昨天布置的作业,把1到9九个数字填到九宫格里,要让它们无论是竖着加、横着加还是斜着加,结果都等于15。老师让大家今天下午之前做好,你别打扰我了。”

杨辉想起来了,自己在《大戴礼记》中就见过这样的题,于是也在一旁默默计算起来。在两人的共同努力下,终于解出了这道题。

男孩特别高兴,为了答谢杨辉,他邀请杨辉去家里坐坐。杨辉也想见一见男孩的老师,便一口答应了。来到男孩家中,杨辉发现小男孩并没有进入学堂读书,因为家境贫穷,有时候都吃不饱饭,哪里还有钱供他读书呢!小男孩渴望读书,但每天只能躲在学堂的窗户外偷听。

知道了小男孩的情况,杨辉感到特别心疼,于是就带着男孩来到学堂,帮他缴了学费,从此,男孩可以堂堂正正地喊一声“老师”了。

随后,杨辉同老师交谈起来,他问道:“先生,您昨天留给学生们的问题,是不是出自《大戴礼记》?”

“知州学识果然渊博,不错,《大戴礼记》虽然是一部记载礼仪制度的经典,但是其中也有一些数学知识,昨天的题目就是出自其中。”

“那先生您知道,这九宫图之中有何玄机吗?”

老师摇了摇头,杨辉只好遗憾地回到家中。从此,杨辉一有时间就研究九宫图,功夫不负有心人,他最终发明了一个口诀:九子斜排,上下对易,左右相更,四维挺出。即把九个数字按照顺序斜排,1和9调换,7和3调换,再把中部的四个数字拉到四个角。具体步骤如下:

后来,杨辉又制作了“四四图”“五五图”“七七图”等图,并给它们取名“纵横图”,就是“纵横相加、结果相等”的意思,又名“幻方”(九宫图是三阶幻方,以此类推)。

学术纪念馆

杨辉非常重视数学的教育和普及,在他的著作《算法通变本末》中,专门为初学者准备了学习计划——习算纲目,在我国教育史上占有重要地位。

《大戴礼记》成书于汉代,书中已经有了“幻方”的记载,智慧的中国人很早就发现了这一数学现象。杨辉生活在13世纪,他已经可以制作3到10阶的幻方,而在欧洲,16世纪初才出现完整的四阶幻方。

杨辉的另一伟大成就是著名的“杨辉三角”(见下图)。

这是一组奇妙的数字,包含许多规律:斜边都是1;所有的数字都是它肩上的两个数字之和;第1行有1个数字,第2行有2个数字,第3行有3个数字……你能找到更多的规律吗?