清华大学吴国成教授:中国古代没有几何传统
[作者简介]
《九章算术》是中国古代最早的数学著作,具体作者已经无法考证。从很多方面来看,不是一个人的手,而是经过大家的收集整理,历代修订。
现存本大约成书于公元1世纪左右。许多人对该书做过注释,其中刘徽(约生于公元250年)最为著名。刘徽是东汉末年山东邹平人,是古代全世界数学史上杰出数学家之一。需要说明的是,刘徽不是《九章算术》的原作者,但刘徽注释了《九章算术》写成著名的《九章算术注》流传甚广。刘徽是中国最早明确主张用逻辑推理的方式来论证数学命题的人,一生为数学刻苦探求,成就很多。刘徽的工作,不仅对中国古代数学发展产生了深远影响,而且在世界数学史上也确立了崇高的历史地位。鉴于刘徽的巨大贡献,所以不少书上把他称作“中国数学史上的牛顿”。数学家刘徽和《九章算术》
【内容精要】
《九章算术》的内容十分丰富,全书采用问题集的形式,收有246个与生产、生活实践有联系的应用问题,其中每道题有问(题目)、答(答案)、术(解题的步骤,但没有证明),有的是一题一术,有的是多题一术或一题多术。这些问题依照性质和解法分别隶属于方田、粟米、衰(音崔cui)分、少广、商功、均输、盈不足、方程及勾股九章等:
第一章是“方田”,也就是田亩面积计算;提出了各种多边形、圆、弓形等的面积公式;分数的通分、约分和加减乘除四则运算的完整法则。这要比欧洲早1400多年。
第二章为“粟米”,谷物粮食的按比例折换;提出比例算法,称为今有术。
第三章为“衰分”,比例分配问题;介绍了开平方、开立方的方法,其程序与现今程序基本一致。这是世界上最早的多位数和分数开方法则。它奠定了中国在高次方程数值解法方面长期领先世界的基础。
第四章为“少广”,已知面积、体积,反求其一边长和径长等,有开平方、开立方的方法,是现代数学高次方程解法的雏形。
第五章“商功”:土石工程、体积计算;除给出了各种立体体积公式外,还有工程分配方法。
第六章“均输”,合理摊派赋税;用衰分术解决赋役的合理负担问题。今有术、衰分术及其应用方法,构成了包括今天正、反比例、比例分配、复比例、连锁比例在内的整套比例理论。西方直到15世纪末以后才形成类似的全套方法。
第七章“盈不足”,提出了盈不足、盈适足、不足适足、两盈和两不足三种类型的盈亏问题,以及若干可以通过两次假设化为盈不足问题的一般问题的解法。这也是处于世界领先地位的成果,传到西方后,影响极大。
第八章“方程”,一次方程组问题;采用分离系数的方法表示线性方程组,相当于现在的矩阵;解线性方程组时使用的直除法,与矩阵的初等变换一致。这是世界上最早的完整的线性方程组的解法。在西方,直到17世纪才由莱布尼兹提出完整的线性方程的解法法则。这一章还引进和使用了负数,并提出了正负术——正负数的加减法则,与现今代数中法则完全相同;解线性方程组时实际还施行了正负数的乘除法。这是世界数学史上一项重大的成就,第一次突破了正数的范围,扩展了数系。外国则到7世纪印度人才认识负数的存在。
第九章“勾股”,利用勾股定理求解的各种问题。其中的绝大多数内容是与当时的社会生活密切相关的。提出了勾股数问题的通解公式:若a、b、c分别是勾股形的勾、股、弦,则a2+b2=c2(意思大家懂,系统不支持平方的编辑)。在西方,毕达哥拉斯、欧几里得等仅得到了这个公式的几种特殊情况,直到3世纪才取得相近的结果,这比《九章算术》晚约了300余年。
《九章算术》古籍
【影响和评价】
《九章算术》是流传到现在中国古代最早的一部数学著作,从《九章算术》中可供判定年代的官名、地名等来推断,现传本《九章算术》的成书年代大约是在公元1世纪的下半叶。九章算术将书中的所有数学问题分为九大类,这也就是为什么称“九章”的原因。后世的数学家,大都是从《九章算术》开始学习和研究数学,许多人曾为它作过注释。其中最著名的有刘徽。刘徽的注释《九章算术注》一起流传至今。唐宋两代,《九章算术》都由国家明令规定为教科书。到了北宋,《九章算术》还曾由政府进行过刊刻(1084),这是世界上最早的印刷本数学书。在现传本《九章算术》中,最早的版本乃是上述北宋本的南宋翻刻本(1213),现藏于上海图书馆(只余前五卷)。清代戴震由《永乐大典》中抄出《九章算术》全书,并作了校勘。作为一部世界科学名著,《九章算术》在隋唐时期即已传入朝鲜、日本。现在,它已被译成日、俄、德、法等多种文字。
《九章算术》确定了中国古代数学学科体系的框架,以计算为中心的特点,密切联系实际,以解决人们生产、生活中的数学问题为目的,其影响深远,其后的中国数学著作或为之作注,或仿其体例成书。
《九章算术》中的数学成就是多方面的。《九章算术》是世界上最早系统叙述了分数运算的着作。“方田”章中系统叙述了约分、通分、比较不同分母分数的大小以及分数的四则运算。通分时使用的是辗转相减法。在几何方面:主要是面积(方田)、体积(商功)计算问题。在代数方面:主要有一次方程组解法、负数概念的引入及其加减法法则、开平方、开立方、一般二次方程解法等。
当然,《九章算术》存在不适合于现代数学的重要缺陷,那就是没有数学概念的定义,也没有给出任何推导和证明。刘徽给《九章算术》作注时针对此定义了若干数学概念,全面论证了《九章算术》的公式解法,提出了许多重要的思想、方法和命题。刘徽对数学概念的定义抽象而严谨,基本符合现代逻辑学和数学对概念定义的要求。《九章算术》的算法尽管抽象,但相互关系不明显,显得零乱。刘徽大大发展深化了中算中久已使用的率概念和齐同原理,把它们看作运算的依据。许多问题,只要找出其中的各种率关系,通过乘以散之,约以聚之,齐同以通之,都可以归结为今有术求解。