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第26章 算术

在北京海淀图书城的一个僻静角落里,有一家书店称为“九章数学书店”。看到“数学”,人们不难明白,因为这里只卖数学书。可为什么叫“九章”,这就要提及中国古代最重要的数学经典《九章算术》。

《九章算术》对数学的发展有着独特深远的影响。我国数学界的知名学者吴文俊先生,由于在机械化证明方面取得了重大的成就,因而率先获得了国家科学技术进步奖,其最初的思想火花就是来自于《九章算术》。

中国古代数学和东方数学的一个重要特点就是以计算为中心,任何东西必须算出它的具体数值,所以计算特别发达,而且许多计算方法,程序化和机械化的特点特别显著,吴文俊先生也从中受到启发,发展了他的数学机械化证明。

其实数和数的计算,是古代人类很早就掌握的技能。到了春秋战国时期,随着生产力的日益提高,人们在丈量土地、建筑测绘,以及粮食与运输等许多方面提出了大量计算问题,因此促进了我国古代数学的发展。《九章算术》便是在这个时期出现的一部最有代表性的数学著作。

《九章算术》又叫《九章算经》,包括:方田、粟米、衰(cui)分、少(shao)广、商功、均输、盈不足、方程、勾股等九章。从每章的名字,便可以大致了解这一章的内容。比如“方田”章,是关于不同几何形状的田地面积的计算问题。“均输”章,是讲如何按人口多少、路途远近、谷物贵贱,来合理派税的复杂的比例计算问题。《九章算术》几乎囊括了当时所有的数学知识,它以术文的形式给出了近百条抽象的解法和公式,并配有200多个例题,确定了中国传统数学的基本框架。比如“粟米”章,是关于各种谷物间的比例交换问题。其中的“今有术”写到“以所有数乘所求率为实,以所有率为法,实如法而一”。文中的“实”为被除数,“法”为除数,于是得到了一个比例公式:所求数=所有数×所求率÷所有率。在“今有术”后面,是利用这个公式的例题:“今有粟一斗,欲为糠米,问得几何?”,“粟一斗”是所有数,换算成10升,所有率和所求率是这章开始给出的比例50和30。将这些已知数代到公式里,得到糠米为6升。这个公式传到欧洲以后称为“三率法”,一直使用至今。

《九章算术》最早提到了一些现在仍然在使用的数学知识。《九章算术》为了揭示如何计算平方根,描写了一个程序,这个程序的描述方式非常奥妙。人们为了利用计算机来计算一些东西,就要写数学程序,而《九章算术》都是用程序这种表达方式来解释数学。

如开平方程序,是一个相对繁杂的程序,刘徽在《九章算术注》中用几何方法可以直观地看到这个程序的过程:正方形的面积已知,如果求它的边长,就等于它的开方。首先根据经验确定位数,在最高位找到一个非常接近边长的数,以它为边作一个正方形。接下来的问题变为求图中剩余边长的长度,而面积也变为两个长方形和一个正方形,所以求剩余边长,相当于求一个二次方程的根,根据估算求得最接近根的值作为第二个小边长。这时术文指出“复除,折下如前”。就是不断重复前面的算法,直到找到最后一位数。再将所有的小边长相加,便是所求的平方根。这是一个具有一般性的机械化算法,也正是可以直接用计算机程序来实现的原因所在。

从《九章算术》以后,许多中国古代数学家的重要成果,都是以为《九章算术》做“注”的形式表达出来的。最重要的有魏晋时的刘徽,北宋的贾宪和南宋的杨辉。《九章算术》经历了几千年,到了20世纪八九十年代,在国内外再次掀起了研究《九章算术》的热潮。

《九章算术》标志着世界数学的中心,从古希腊转移到中国,这是一个大的转移,此后的1000多年,数学中心一直在中国和中国的周边地区、阿拉伯、印度。此外,《九章算术》的成书,正好是古希腊数学衰退的时候,世界数学研究形式,也是从古希腊以研究空间形式为主,转变以研究数量关系为主。《九章算术》成书,标志着从古希腊的以演绎逻辑为基础的公理化体系数学,转变为以算法为基础的东方数学。

中国的数学遗产不仅吸引着众多的中国人,外国学者对此也十分重视。道本周是美国纽约州立大学教授,也是世界数学史学会原主席,如今他正组织北京、台湾、新加坡等地的多位学者,将中国的《算经十书》翻译成英文,而这十书中最重要的当然就是《九章算术》。

许多外国数学家都将中国古代数学中的《九章算术》与西方数学中欧几里得的《几何原本》进行比较。令人感兴趣的是,这两部伟大著作之间不仅有一些相似之处,而且也存在许多不同。

《几何原本》是与《九章算术》同时代的著作,几千年来一直影响着西方世界,它着重于几何演绎证明。吴文俊先生在1987年指出:“由于近代计算机的出现,其所需的数学方式方法,正与《九章》传统的算法体系符合。《九章》所蕴含的思想和影响,必将会日益显著,在下一世纪中凌驾于《原本》思想体系之上,不仅不无可能,甚至说殆成定局。”随着人们对《九章算术》认识及理解的深入,中国古老的数学思想也会逐步体现出其深邃的内涵。

(秦雪竹)