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郭守敬参与制定《授时历》,此书中废除上元积年,形成一个天文常数系统,并提出七应,以万分为日法,发明正确的处理三次差内插法方法与弧矢割圆术

作者:郭守敬

 

郭守敬参与制定《授时历》,在天文数据、计算方法方面有重大的创造和革新,废除上元积年,形成一个天文常数系统,并提出了七应,以万分为日法,使天文数据的表达方式简洁合理
郭守敬参与制定的《授时历》除了在天文数据上的进步之外,在计算方法方面也有重大的创造和革新。主要特点有:
废除上元积年:改用至元十八年(1281年)天正冬至(即至元十八年开始之前的那个冬至时刻,实际上在至元十七年内)为其主要起算点。其他各种天文周期的历元,均推算出与该冬至时刻的差距,称为相关的“应”。由此形成一个天文常数系统。在这个天文常数系统中,《授时历》提出了七应(气应、转应、闰应、交应、周应、合应、历应)。
以万分为日法:古代的天文数据都以分数形式来表示。但这种分数方式难以立即比较数值的大小,在历法计算中又需作繁杂的通分运算,很不方便,而且随着天文数据测定的进步,古人实际上已逐渐明白,无法用一个分数来完全准确地表达这个数据的值。因此,从唐代开始就有人企图打破分数表达法的传统。南宫说于唐中宗神龙元年(705年)编的《神龙历》即以百进制为天文数据的基础。曹士蒍于唐德宗建中年间(780年—783年)编的《符天历》更明确提出以万分为日法。但《神龙历》未获颁行。《符天历》只行于民间,被官方天文学家贬称为小历。到《授时历》中始以宏大的革新精神,断然采用以万分为日法的制度,使天文数据的表达方式走上了简洁合理的道路。

发明正确的处理三次差内插法方法与弧矢割圆术,郭守敬作为《授时历》的最后整理定稿者,使这些突出的天文学、数学成就得彰后世
发明正确的处理三次差内插法方法:自隋代刘焯以来,天文学家使用二次差内插法来计算日、月等各种非均速的天体运动。但实际上唐代天文学家已发现,许多运动用二次差来计算是不够精确的,必须用到三次差,但关于三次差内插公式却一直没有找到,只能用一些近似公式来代替。《授时历》发明了称之为招差法的方法,解决了这个三百多年未能解决的难题。而且,招差法从原理上来说,可以推广到任意高次差的内插法,这在数据处理和计算数学上是个很大的进步。
发明弧矢割圆术:天文学上有所谓黄道坐标、赤道坐标、白道坐标等等的球面坐标系统。现代天文学家运用球面三角学可以很容易地将一个坐标系统中的数据换算到另一个系统中去。中国古代没有球面三角学,古人是采用近似的代数计算方法来解决问题的。《授时历》采用的弧矢割圆术,将各种球面上的弧段投射到某个平面上,利用传统的勾股公式,求解这些投影线段之间的关系。再利用宋代沈括发明的会圆术公式,由线段反求出弧段长股关系的方法是完全准确的。它们与现今的球面三角学公式在本质上是一致的。 
以上这些计算方法上的成就,主要应当归功于王恂,但是,其他学者也为此付出了劳动。特别由于郭守敬是《授时历》的最后整理定稿者,使这些突出的天文学、数学成就得彰后世,故其功不可没。

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参考资料

郭守敬(1231年—1316年),字若思,汉族,顺德府邢台县(今河北邢台市邢台县)人。元朝著名的天文学家、数学家、水利工程专家。早年师从刘秉忠、张文谦,官至太史令、昭文馆大学士、知太史院事,世称“郭太史”。元仁宗延祐三年(1316年),郭守敬逝世,享年八十六岁。著有《推步》、《立成》等十四种天文历法著作。
郭守敬在天文、历法、水利和数学等方面都取得了卓越的成就。他自至元十三年(1276年)起,奉命修订新历法,历时四年,制订出了通行三百六十多年的《授时历》,成为当时世界上最先进的一种历法。为修订历法,郭守敬还改制、发明了简仪、高表等十二种新仪器。至元元年(1264年),郭守敬奉命修浚西夏境内的古渠,更立闸堰,使当地农田得到灌溉。至元二十八年(1291年),郭守敬任都水监,负责修治元大都至通州的运河,耗时一年,完成了全部工程,定名通惠河,发展了南北交通和漕运事业。1970年,国际天文学会以郭守敬的名字为月球上的一座环形山命名为“郭守敬环形山”。1977年3月,国际小行星中心将小行星2012命名为“郭守敬小行星”。

中文名
郭守敬
别    名
郭若思、郭太史
国    籍
元朝
民    族
汉族
出生地
顺德府邢台县
出生日期
1231年
逝世日期
1316年
职    业
天文学家、数学家、水利专家
毕业院校
紫金山书院
信    仰
科学
主要成就
制订《授时历》 
西夏治水,大都治水 
制造天文测量仪器
代表作品
《授时历》《推步》《立成》等
官    职
都水监、太史令、昭文馆大学士等
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