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问题4: 将 $\frac{1}{3}$ x 和 1 个单位的和乘以 $\frac{1}{4}$ x和 1 个单位的和,得到乘积数值 20。

花拉子米解法如下:

  • 你用 $\frac{1}{3}$ x 乘以 $\frac{1}{4}$ x 时,得到 $\frac{1}{6}$ x2$\frac{1}{2}$
  • 接着,使用一个单位乘以 $\frac{1}{4}$ x得到 $\frac{1}{4}$ x;
  • 同样,使用一个单位乘以 $\frac{1}{3}$ x得到 $\frac{1}{3}$ x;
  • 然后,一个单位乘以一个单位得到一个单位。
  • 然后得到的乘积结果是: $\frac{1}{6}$ x2$\frac{1}{2}$, 加上 $\frac{1}{3}$ x, $\frac{1}{4}$ x 和 1个单位的和等于20个单位。
  • 你从20个单位中减去一个单位,得到19个单位等于 $\frac{1}{6}$ x2$\frac{1}{2}$, 加上 $\frac{1}{3}$ x,再加上 $\frac{1}{4}$ x。
  • 现在要使平方完整,要将所有的项都乘以 12。
  • 这样就得到了 x2和 7x的和等于228。
  • 然后取 x的系数的一半并将他乘以自身,得到12+ $\frac{1}{4}$
  • 你把它加到228上,你会得到 240+ $\frac{1}{4}$
  • 取这个数的平方根,得到15+ $\frac{1}{2}$,减去 3+ $\frac{1}{2}$,得到12。即是组成平方的根。
  • 因此这个问题归为六类情况中的第四类,实际上就是"平方加根等于数"。

现代的代数演算过程如下:

  • ∵ ( $\frac{1}{3}$ x + 1)( $\frac{1}{4}$ x + 1) = 20 (问题中假定的等式)
  • 又∵ $\frac{1}{3}$ x × $\frac{1}{4}$ x = $\frac{1}{3}$ x × $\frac{1}{2}$ × $\frac{1}{2}$ × x = $\frac{1}{6}$ x2 × $\frac{1}{2}$
  • 又∵ 1 × $\frac{1}{4}$ x = $\frac{1}{4}$ x; 1 × $\frac{1}{3}$ x = $\frac{1}{3}$ x; 1 × 1 = 1
  • $\frac{1}{6}$ x2 × $\frac{1}{2}$ + $\frac{1}{3}$ x + $\frac{1}{4}$ x + 1 = 20
  • $\frac{1}{6}$ x2 × $\frac{1}{2}$ + $\frac{1}{3}$ x + $\frac{1}{4}$ x + 1 - 1 = 20 - 1 (等式的基本性质)
  • $\frac{1}{6}$ x2 × $\frac{1}{2}$ + $\frac{1}{3}$ x + $\frac{1}{4}$ x = 19
  • ⇒ ( $\frac{1}{6}$ x2 × $\frac{1}{2}$ + $\frac{1}{3}$ x + $\frac{1}{4}$ x) × 12= 19 × 12 (等式的基本性质)
  • $\frac{1}{6}$ x2 × $\frac{1}{2}$ × 12 + $\frac{1}{3}$ x × 12 + $\frac{1}{4}$ x × 12 = 228 (乘法分配律)
  • ⇒ x2+ 4x + 3x = 228
  • ⇒ x2+ 7x = 228
  • ⇒ x2+ 7x + $\frac{7}{2}$× $\frac{7}{2}$ - $\frac{7}{2}$× $\frac{7}{2}$ = 228
  • ⇒ (x + $\frac{7}{2}$)2 - $\frac{7}{2}$× $\frac{7}{2}$ = 228
  • ⇒ (x + $\frac{7}{2}$)2 - $\frac{7}{2}$× $\frac{7}{2}$ + $\frac{7}{2}$× $\frac{7}{2}$ = 228 + $\frac{7}{2}$× $\frac{7}{2}$ (等式的基本性质)
  • ⇒ (x + $\frac{7}{2}$)2 = 228 + 49/4 = 240+ $\frac{1}{4}$
  • ⇒ x + $\frac{7}{2}$ = 15+ $\frac{1}{2}$
  • ⇒ x + $\frac{7}{2}$ - $\frac{7}{2}$ = 15+ $\frac{1}{2}$ - $\frac{7}{2}$ (等式的基本性质)
  • ⇒ x = 12

实验材料

  • 1个表面可擦写的长度和宽度分别为40cm和30cm的坐标板
  • 1个直尺
  • 黑色,红色和蓝色的双头水性记号笔

实验步骤

  1. 在坐标板上找到六个点A(0,0), B(12,0), C(12, 12), D(0,12), E(19,0), F(19, 12),使用水性笔和直尺绘出线段AB, BC, CD, AD, BE, EF和CF。

  2. 用带刻度的直尺分别量出线段AB, BC, CD, AD, BE, EF和CF的长度,可以量出AB = BC = CD = AD = EF = 12cm, BE = CF = 7cm。

    ⇒ □ ABCD的面积 = 12cm × 12cm = 144 cm2 (即: 144个1cm2的 □ 格子)。

    ⇒ ▭ BCFE的面积 = 12cm × 7cm = 84 cm2 (即: 84个1cm2的 □ 格子)。

    ⇒ ▭ AEFD的面积 = □ ABCD的面积 + ▭ BCFE的面积 = 144 cm2 + 84 cm2 = 228 cm2 (即: 228个1cm2的 □ 格子)。

  1. 擦去所有12cm的标记,即代表着不知道相等长度的AB, BC, CD, AD和EF的具体的长度数值。

  1. 假设相等长度的AB, BC, CD, AD和EF的具体的长度数值为x, 在线段AB, BC, CD, AD和EF的边上写上x。同时已经预先知道 □ ABCD的面积和 ▭ BCFE的面积之和为228 cm2 (即: 228个1cm2的 □ 格子)。即: x×x + 7x = 228。


方法1:

  1. 把 ▭ BCFE的两个7cm的边都均分成4份(每个边有3个均分点),分别连接两个边的3对均分点,得到3条长度相等的线段,从而得到均分的四个面积相等的 ▭ 。每个均分的线段的长度都是(7/4)cm,得出均分的四个面积相等的 ▭ 为(7/4)x cm2(分别用红色的马克笔标号为 ①②③④)。

  2. 把这四个标号为 ①②③④的 ▭ 分别放在 □ ABCD的四条边AB, BC, CD和AD上,构成了一个缺失四个 □ 边角的形状,可知这个形状的面积是228cm2,这四个 □ 边角的面积均为:(7/4)cm × (7/4)cm = 49/16cm2。随后在所有的四个 □ 边角上绘出 □ 的另外两条边,那么整体又构成了一个边长为 x + (7/4) × 2 cm的大 □ 。

  3. 这个大 □ 的面积 = 228 + (7/4)2 × 4。

    ⇒ (x + $\frac{7}{2}$)2 = 228 + (7/4)2 × 4

    ⇒ (x + $\frac{7}{2}$)2 = 228 + ( $\frac{7}{2}$)2

    ⇒ x + $\frac{7}{2}$ = 15+ $\frac{1}{2}$

    ⇒ x + $\frac{7}{2}$ - $\frac{7}{2}$ = 15+ $\frac{1}{2}$ - $\frac{7}{2}$ (等式的基本性质)

    ⇒ x = 12


方法2:

  1. 把 ▭ BCFE的两个7cm的边都均分成两份(每个边有1个均分点),分别连接两个边的均分点,得到一条线段,从而得到均分的两个面积相等的 ▭ 。每个均分的线段的长度都是( $\frac{7}{2}$)cm,得出均分的两个面积相等的 ▭ 为( $\frac{7}{2}$)x cm2(分别用红色的马克笔标号为 ①②)。

  2. 把这两个标号为 ①②的 ▭ 分别放在 □ ABCD的两条相邻边AB和BC的外侧,构成了缺失一个 □ 边角的形状,可知这个形状的面积是228cm2,这个 □ 边角的面积为:( $\frac{7}{2}$)cm × ( $\frac{7}{2}$)cm = 49/4cm2。随后在这个 □ 边角上绘出 □ 的另外两条边,那么整体又构成了一个边长为 x + $\frac{7}{2}$ cm的大 □ 。

  3. 这个大 □ 的面积 = 228 + ( $\frac{7}{2}$)2

    ⇒ (x + $\frac{7}{2}$)2 = 228 + ( $\frac{7}{2}$)2

    ⇒ x + $\frac{7}{2}$ = 15+ $\frac{1}{2}$

    ⇒ x + $\frac{7}{2}$ - $\frac{7}{2}$ = 15+ $\frac{1}{2}$ - $\frac{7}{2}$ (等式的基本性质)

    ⇒ x = 12

参考文献及资料

  1. 维基百科

  2. Robert of Chester's Latin translation of the Algebra of al-Khowarizmi.pdf