公元263年,青年学者刘徽完成对一部先朝算书的注解后,松了一口气。他少年时代就认真学习这部算书。他曾听老师说,这部书有个很大的缺点,就是书中全是应用简单解法,没有任何概念和定义,也没有推导过程和证明公式;两百多年也没人能补充完整。刘徽长大后,花多年时间详细研究这部算书,并完成了全文注解。因为这个原因,他成为中国古代数学史上绕不开的人物。
中国2002年发行的纪念数学家刘徽的邮票(网络图)
这部古代数学名著就是《九章算术》。《九章算术》一共收集了246个数学应用问题。这些问题,采用的编排方法是“问——答——术”,通俗地说,就是提出问题,给出答案,最后是解决算法。当然,这些解决算法只是解决一大类问题的一般方法。这种以归纳为主,先给出若干例题,再给出解法的叙述方式,显然不同于西方以演绎为主的叙述方式。
《九章算术》由几代人共同创作修改而成。中国先秦典籍虽然记载了不少数学知识,但都比较零散,不够系统。据载,秦朝末年,民间出现了《九章算术》的原本,与众不同之一是系统总结了战国、秦、汉时期的数学成就;二是采用了由易到难、由浅入深、从简单到复杂的编排体例。西汉北平侯张苍、大司农中丞耿寿昌都对《九章算术》进行修订;一百多年后的东汉初年,学者陈凯靖把书中的问题整理成方田、栗米、衰分、少广、商功、均输、盈不足、方程、勾股九大类(即九章),自此《九章算术》基本定型。几乎后世各朝各代的数学家都为《九章算术》作过注解。李淳风,这位据说上知天文,下识地理的传奇人物,于公元656年完成对十部古代算经——“算经十书”(注一)的编定和注释,《九章算术》正是其中最重要的一部。除了刘徽和李淳风外,宋朝数学家杨辉和清代数学家李潢也为《九章算术》作出了重要贡献。杨辉于公元1261年选了80道典型问题进行详细分析,著成《详解九章算法》一书。李潢则对《九章算术》进行了校订,补绘了图形,列出了细草,命名为《九章算术细草图说》。以上书籍中,只有刘徽和李淳风的《九章算术》注释本流传至今。
《九章算术》一书中的许多内容都居于世界前列。在基础数学方面,此书第一次系统叙述了分数的运算,而盈不足的算法更是一项令人惊奇的创造;“方程”一章则阐述了负数及其加减运算法则,这在世界上属首例。在代数方面,此书最早提出负数概念及正负数加减法法则;目前中学生所学的线性方程组解法和《九章算术》介绍的方法大体相同。在比例算法方面,书中所列算法和后来16世纪西欧出现的三分律算法基本一样;书中提到的双设法,后来传到阿拉伯,再由阿拉伯传到欧洲,被13世纪以后的欧洲数学著作称为“契丹算法”,这也是中国古代数学知识向西方传播的一个证据。在勾股计算方面,此书第九章“勾股”章中运用实例诠释了《周髀算经》中的勾股问题,即一百年后三国数学家赵爽提出的勾股定理。在西方,毕达哥拉斯、欧几里得等数学家仅钻研出这个定理的几种特殊情况,数学家丢番图于公元3世纪才取得相近结果,这比《九章算术》晚了约300年。再如,勾股章最后一题给出的一组公式,在国外到公元19世纪末才由美国数论学家迪克森得出相似结论,比《九章算术》晚了1800多年。
《九章算术》自诞生伊始就受到政府的重视。唐朝和宋朝政府认定的国子监(相当于北京大学)算学馆数学教材中,《九章算术》占一席之地,考上进士的举子都要像现在的中学生一样天天学习这部书。公元1084年,北宋朝廷公开进行刊刻《九章算术》,这是世界上最早的印刷本数学书。1213年,南宋朝廷对刊印本《九章算术》进行翻刻。这本只留前五卷孤本的珍贵典籍,现如今正悄悄地躺在上海图书馆里。清代大学者戴震受命主持编撰《四库全书》时,责人专门从《永乐大典》中抄出《九章算术》全文。这位被梁启超誉为“前清学者第一人”的《四库全书》纂修官,亲自带人对《九章算术》进行校勘。此后所传的《九章算术》,被称为戴校本。1963年,为了恢复隋唐时期《九章算术》原貌,中华书局出版了天算史专家钱宝琮《九章算术》校勘本,这就是著名的钱校本。钱宝琮在前人的基础上重加校勘,使得《九章算术》文从字顺,上下贯通。从这方面讲,他可谓现代数学史上推广《九章算术》的第一功臣。
隋唐时期,《九章算术》传到朝鲜、日本,对两国的数学发展产生了很大影响。后来,此书逐渐扩散向世界各国,并被译成日、俄、德、法等多种文字版本。
2005年,《九章算术》法文译本出版发行,得到著名数学家吴文俊盛赞。(中国科学院网站)
作为当时世界上最简练有效的应用数学,《九章算术》完成了中国古代数学完整体系的搭建工作。这种体系,便是以计算为中心,密切联系实际,以解决人们生产、生活中的问题。后世的中国数学家著书立说,基本都采取两种形式,一是为《九章算术》作注,一是仿照体例创作。从这方面讲,如果说《几何原本》是西方数学史的鼻祖,引导着西方自然科学的发展,那与《几何原本》齐名的《九章算术》,自然就是东方自然科学的原点。
注一:“算经十书”,指汉、唐一千多年间的十部著名的数学著作,基本每本都有独特的风格,都曾被认定为隋唐时代国子监算学科的教科书。十部书的名称是:《周髀算经》、《九章算术》、《海岛算经》、《张丘建算经》、《夏侯阳算经》、《五经算术》、《辑古算经》、《缀术》、《五曹算经》、《孙子算经》。《算经十书》是中国古代数学的第一高峰,其中最重要的一部是《九章算术》。
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