《大衍历》的插值算法

时间: 2006-09-20 15:18    来源:         点击:
历史

今天常用的牛顿插值公式,其不等间距的形式比等间距的形式要复杂得多。天算史界有一种流行的看法,认为在中国古代,唐朝天文学家、数学家一行在其《大衍历》中发明了二次不等间距插值法,且一行还有意识地应用了三次差内插法近似公式。因此,一行在插值法方面的贡献备受中外天算史研究者的关注。

我国古代非线性插值法,是刘焯在其《皇极历》(604)中考虑到太阳运动不均匀住为计算太阳行度改正值时首创的。有关中国古代插值法的算理研究的新成果表明,刘焯二次等间距插值法的造术原理建立在源于《九章算术》描述匀变速运动的模型基础之上,认为太阳每日的运行速度之值构成一等差数列。质言之,所用数学方法就是构造一等差数列并求其前若干项和。一行的插值法并没有人们所想象那样的推广意义。就插值算法本身,一行算法与刘焯算法实质完全相同。所不同的是,《皇极历》是在以平气为间隔的日躔表基础上插值。而《大衍历》是在以定气为间隔的日躔表上插值。

《太初历》以后,各历都以平分一回归年365.25日为24等份而得每节气长15.22日,这样规定的二十四气称为“常气”,或叫“平气”。张子信指出“日行春分后则迟,秋分后则速”,于是刘焯造《皇极历》时体会到二十四气皆应有“定日”,他说:“春、秋分定日去冬至各八十八日有奇,去夏至各九十三日有奇。”但刘焯并没有搞清楚太阳速度的加减和季节的关系,他的日躔表是把秋分定日后到春分定日前平均分为12段,每气14.54日;春分定日后到秋分定日前也平分为12段,每气15.45日。这显然不是“定气”。一行则认为,太阳在一回归年365.2444日中共行365.2444度,每气行15.2185度。冬至附近日行速度最急,故二气间所需运行时间最短,夏至附近日行速度最缓,故二气间的时间最长。实际上,《大衍历》这里首先提出了平分黄道为24等份,以太阳实际走完每个等份的时间长度为各节气长度,这就是通常所称的“定气”概念。一行提出正确的定气概念以后,在计算太阳改正时自然就以定气为插值间隔。至于插值法本身则完全是沿用刘焯的方法。

值得一提的是,刘焯在日躔表中规定太阳视运动一年内的变化规律是:冬至最快,冬至后渐慢,到立春时开始加快,春分时又达到最快,冬至到春分这段时间内日速比平均速度快。春分后太阳视运动的速度突变为最慢,之后逐渐加快,到立夏时又开始减慢,夏至达到最慢。春分到夏至时段内比平均速度慢。夏至以后的变化情况以夏至处为镜面对称,如图3所示。

《大衍历》盈缩分一年内的变化趋势则如图4所示。盈缩分在冬至附近最大,以后逐渐变小,夏至时最小,之后又逐渐增大。这相当于把冬至作为太阳视运动的近日点,夏至为远日点。这种认识是正确的,而《皇极历》的规定是不符合实际的。

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