函數

二項式定理的推廣（三）：和算家的數學表（上）
(The generalization of Binomial theorem（III）：the mathematical table of wasan mathematicians)
臺北市立和平高中黃俊瑋教師

連結：二項式定理的推廣（二）：有理數冪次

在〈二項式定理的推廣（一）〉與〈二項式定理的推廣（二）〉兩篇文章中，提到了江戶時期日本數學家（和算家）對二項式定理的推廣，包含利用無窮等比級數公式以及直觀地使用了「無窮多項式」的乘法，將二項式定理的幂次推廣至負整數的情況。並也說明他們如何利用開方法（綜合除法，亦即中國傳入的賈憲－霍納法）將二項式定理的幂次推廣至 $$1/2$$ 以及 $$1/n$$ 任意的情況。

有趣的是，江戶時期日本數學家進一步發展出各類數學「表」，用來幫助計算與推廣二項式定理，一般也作為記載數學知識之用。如表一所示，為 $$(1-x)^{-k}$$ 類二項展開式之係數表（這裡為方便讀者閱讀，筆者將原表格內容改以現代符號來表示，並受篇幅所限只列出當中的一部份），若我們僅看數字部份，則第一列的數字為 $$(1-x)^{-1}$$ 的各項係數；第二列為$$(1-x)^{-2}$$ 的各項係數；$$\cdots$$；第 $$k$$ 列為 $$(1-x)^{-k}$$ 的各項係數（然表中皆僅列到前七項）。

有了第一列之後，便可以任意地擴張整個表的內容，得到任意的 $$(1-x)^{-k}$$ 展開式係數。

例如：

$$(1-x)^{-2}$$ 的 $$x^2$$ 項係數 $$3$$，便是上一列前 $$3$$ 項之和，即 $$a_{22}=a_{10}+a_{11}+a_{12}$$

$$(1-x)^{-3}$$ 的 $$x^4$$ 項係數 $$15$$，便是上一列前 $$5$$ 項之和，
即 $${a_{34}} = {a_{20}} + {a_{21}} + {a_{22}} + {a_{23}} + {a_{24}}$$

$$\cdots$$

$$(1-x)^{-k}$$ 的 $$x^n$$ 項係數，便是上一列前 $$n+1$$ 項之和，
即 $${a_{kn}} = {a_{k – 1,0}} + {a_{k – 1,1}} + {a_{k – 1,2}} +\ldots+ {a_{k – 1,n}}$$

二項式定理的推廣（二）：有理數冪次
(The generalization of Binomial theorem（II）：rational power)
臺北市立和平高中黃俊瑋教師

連結：二項式定理的推廣（一）: 負整數冪次 

前文〈二項式定理的推廣（一）：負整數冪次〉裡，對二項式定理作了冪次上的推廣，從正整數推廣至負整數。接著，我們進行另一個推廣：有理數冪次。不過，受限於篇幅，這裡主要先討論指數為 $$1/2$$ 次方的二項展開式。並同樣借用江戶時期日本數學家的方法來作說明。

首先，指數為 $$1/2$$ 次方的二項展開式與開平方問題為一體兩面，例如 $$(1+a)^{\frac{1}{2}}$$ 可看成 $$\sqrt{1+a}$$。再者，在東方數學史發展的過程裡，$$\sqrt{1+a}$$ 之開方問題與方程式的解息息相關：若令$$x=\sqrt{1+a}$$ ，則開方求 $$x$$ 相當於求解方程式 $$x^2-(1+a)=0$$ 之實根問題。

然而，無論是傳統中算或者江戶時期的日本數學發展的過程，求解一元多項方程次時，往往利用了類似現今綜合除法的「開方法」（即賈憲－霍納法）來求方程式的數值解（相關內容與方法，可參考另一篇文章〈利用綜合除法求解多項方程式〉）。

因此，處理 $$(1+a)^{1/n}$$ 有關的展開式問題時，

便相當於求解 $$x=(1+a)^{1/n}$$，亦即求解 $$x^n-(1+a)=0$$ 的實根。

當然，若 $$1+a$$ 為實數時，我們僅需前述方法（賈憲－霍納法）便能求得其近似數值解。

二項式定理的推廣（一）: 負整數冪次
（The generalization of Binomial theorem（I）：negative power）
臺北市立和平高中黃俊瑋教師

國中數學課程裡，介紹了兩個重要的乘法公式：$$(x\pm y)^2=x^2\pm 2xy+y^2$$。
到了高一上的「數與式」單元，將這二個公式推廣至指數為三次方的情況：

$$(x+y)^3=x^3+3x^2y+3xy^2+y^3$$  以及  $$(x-y)^3=x^3-3x^2y+3xy^2-y^3$$

到了高一下，在引進了組合相關概念後，便可一般性地討論二項式定理，將指數推廣至任意正整數次方的情況：

$${(x + y)^n} = C_0^n{x^n} + C_1^n{x^{n – 1}}y + \cdots + C_k^n{x^{n – k}}{y^k} + \cdots + C_n^n{y^n}$$

然而，當指數為有理數的情況呢？或負整數次方呢？例如 $$(x+y)^{\frac{1}{2}}$$、$$\sqrt{1\pm x}$$、$${(1 \pm x)^{ – 1}} = \frac{1}{{1 \pm x}}$$ 等問題，皆與二項式定理有關。一般在高中課程中並不特別討論其展開式。本文中，首先介紹指數為負整數的情況，接著，〈二項式定理的推廣（二）：有理數冪次〉一文中，繼續介紹指數為有理數的情況。

布里格斯的《對數算術》與對數表的製作(III) (Briggs’ Arithmetica Logarithmica and the creation of logarithmic table, part 3)
臺北市立西松高中蘇惠玉教師

連結：布里格斯的《對數算術》與對數表的製作(II) 

《對數算術》第 $$8$$ 章

在第 $$6$$、$$7$$ 兩章中，布里格斯為了處理連續開方，需要花費相當大的時間與精力在作開方的計算上。因此，他需要有個方法可以幫助他減少計算量，他將使用的方法寫在第 $$8$$ 章，稱為差分法（difference method）。

布里格斯在作開方時，發現一個 $$1$$ 點多的數開方，小數部分的值幾乎是原本的二分之一，藉由這樣的觀察，他利用與一半的「差距」，用一系列的演算法求得連續開方的下一項，以減少龐大的開方工作量。

首先，布里格斯選擇作連續幾次平方根後，小數點後面有 $$3$$ 或 $$4$$ 個 $$0$$ 之數為起始值，

分別計算 $$B,C,D,E,F$$ 等欄位的值，他們之間的關係如下：

他從 $$6^9/10^7=1.0077696$$ 開始作連續開方，其中 $$1+A_n$$ 表示作第 $$n$$ 次開方的值，

並依序計算相對應的 $$B,C,D,E,F$$ 等欄位的值。

布里格斯的《對數算術》與對數表的製作(II) (Briggs’ Arithmetica Logarithmica and the creation of logarithmic table, part 2)
臺北市立西松高中蘇惠玉教師

連結：布里格斯的《對數算術》與對數表的製作(I) 

《對數算術》第 $$5$$～$$7$$ 章

第 $$5$$ 章到第 $$8$$ 章為計算以 $$10$$ 為底的對數的主要方法。在第 $$5$$ 章中所提的方法，布里格斯將它歸功於納皮爾。他以 $$\log 5$$ 與 $$\log 7$$ 為例，說明小一點的質數如何求其對數值。考慮 $$\log 2$$，先計算 $$2$$ 的次方，並標明其位數。

為了使對數值精確到小數點後第 $$14$$ 位，布里格斯計算到了 $$2^{10^{14}}$$；不過，他也不是每個都算，而是以四個數一組，每次都計算次方為 $$2\times 10^k,4\times 10^k,8\times 10^k,10\times 10^k$$ 的四個數的位數，如下圖一。在計算位數時，布里格斯並沒有將每個數完整算出後計算，他利用了下面這個性質：如要計算兩數相乘後的位數，考慮這兩數的首幾位數字，相乘後的位數不是兩者位數相加，就是兩者位數相加再減 $$1$$，如下圖二。

布里格斯的《對數算術》與對數表的製作(I) (Briggs’ Arithmetica Logarithmica and the creation of logarithmic table, part 1)
臺北市立西松高中蘇惠玉教師

在高中數學課程中，對數觀念的學習與應用是相當重要的一個單元。不過，在學習的過程中，課程雖然著重在觀念的理解，與對數表的應用，卻沒有明白地告訴學生 $$\log 2,\log 3$$ 等等的對數值，到底是怎麼算出來的。因此，學生對此單元的學習容易因為一知半解的情況，而顯得成效不彰。

接下來這一系列的相關文章，將說明布里格斯（Henry Briggs, 1561~1630）在他的《對數算術》（Arithmetica Logarithmica）一書中，所用來建造以 $$10$$ 為底的對數表之幾種方法，並希望能將這些方法應用在目前的數學課堂的學習上，讓學生可以了解或親自動手算算這些常用對數的值。

半角公式(Half-Angle Formulas)
臺北市立第一女子中學數學科蘇俊鴻老師

一般說來，半角公式的推導常是透過倍角公式。由於

\(\cos 2\alpha= {\cos ^2}\alpha- {\sin ^2}\alpha= 2{\cos ^2}\alpha-1=1-2{\sin^2}\alpha\)

因此，

\({\sin^2}\alpha=\frac{{1 – \cos 2\alpha}}{2},{\cos^2}\alpha=\frac{{1+\cos 2\alpha}}{2}\)

令 \(\theta=2\alpha\Rightarrow \alpha=\frac{\theta}{2}\) 代入，即得

\(\sin \frac{\theta }{2} =\pm\sqrt {\frac{{1 -\cos\theta}}{2}} ,\cos\frac{\theta}{2} = \pm\sqrt{\frac{{1 + \cos \theta}}{2}} \)

其中 \(\pm\) 依 \(\frac{\theta}{2}\) 所在的象限決定。至於倍角公式，則是由和角公式推得。
換言之，公式推導的順序是和角公式→倍角公式→半角公式。

然而，當我們檢視托勒密天文學集大成的著作《The Almagest》，他在為製作弦表所提出的一系列命題中，半角公式竟然比和角公式還要更早提出！