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[古代科技] 《九章算术》中的数学问题

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偷月 發表於 2010-7-29 10:22 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
  来源: 中华网论坛
《九章算术》是中国流传至今最古老的数学经典著作之一。作者不详,写作的年代也无法确定。虽然它比《周髀算经》更为完善和先进,但人们推定《九章算术》的年代却比《周髀算经》更早。这真是有点奇怪。《周礼•保氏》中就说王子们必须学习“九数”,东汉末年的经学家郑玄作注,其内容与《九章算术》的篇名几乎完全相同。郑玄虽然是经学家,但他的算学水平绝对是一流的,当时就是因为他曾帮助老师经学大师马融解决了一道数学难题,马融才将所有的学问传给了他。至于《九章算术》是否就是“九数”,尚须进一步讨论。

    《九章算术》其实就是研究九个问题的习题集。每道题有问有答有术(解决方法),有的是一题一术,有的是多题一术,有的则是一题多术,全书九章,涉及的都是现实生活中的实际应用问题。第一章,讲“方田”,38个问题21种解决方法,主要论述了各种平面图形的地亩面计算法及分数的运算法则。其中平面图形有方田(长方形田地)、圭田(等腰三角形田地)、邪田(直角梯形田地)、箕田(等腰梯形田地)、圆田(圆形田地)、宛田(球冠行田地)、弧田(弓形田地)、环田(圆环或环缺形田地)的面积算法,除宛田、弧田采用近似计算法外,其他各种图形的面积算法都是正确无误的。其中分数运算法则包括约分术(约分)、合分术(分数加法)、减分术(分数减法)、课分术(分数比较大小)、平分术(求分数的平均值)、经分术(分数除法)、乘分术(分数乘法)及大广田术(带分数乘法)。

    第二章,讲“粟米”,46问33术,主要论述了二十种谷物、米或饭的兑换比率及四项比例算法。其四项比例算法当时称为“今有术”。前31问都是用四项比例算法计算的谷物兑换问题,后15问则是以钱买物的问题,再后15问中共列四术,即经率术、经术术、其率术和反其率术,这四术都是四项比例算法的特殊情况。这很有点像经济学的雏形。

    第三章衰分,20问22术,主要论述比例分配,包括质量不一的货物的税收问题,还有算术级数和几何级数方面的其他问题。所有这些都是用比例法解决的。

    第四章少广,24问16术,论述的是开平方、开立方的问题。

    第五章商功,28问24术,讨论立体图形,如棱柱、圆柱、棱锥、圆锥、圆台、四面体、楔形的体积测量和计算,所考虑的有墙、城墙、堤防、水道和河流。

    第六章均输,28问28术,主要讨论如何按照人口多少、路途远近、谷物贵贱平均缴纳、运输赋税或摊派徭役的问题。

    第七章盈不足,20问17术,主要论述盈亏问题的解法。

    第八章方程,18问19术,研究联立线性方程,还用到正数和负数。研究中国古代科学技术史的专家英国李约瑟认为,这是在人类文明中最早出现负量的概念。(不过这跟我们现代数学中的负数在理念上还是有差别的,这时的负数是借助于经济上的亏欠形成的,正负数的运算也可能是由于需要产生的,而不是现代数理论上的负数。)本章最后涉及的四个方程和五个未知数的问题,是不定方程的前身。

    第九章勾股,24问22术,这里用代数方法深入细致地论述了《周髀算经》中已经提到过的直角三角形的性质。

    九章合计共246问202术。涉及到社会生产生活的方方面面。

    也正像一般学者所研究的那样,这些数学知识虽然有的方面非常发达,但其所面对的问题都是现实生活中的实际问题,因此很多都是在解决具体的问题中达到非常精微的地步,但却没有一套知识系列,将数学的各种知识系统化。这是中国古代数学的一大特征。另外一个特征就是,比较擅长运用代数来解决问题,即使是几何问题,通常也是转化为代数问题,前面所提到的关于直角三角形的讨论,也只不过是一个媒介,最终还是会引到代数上来。

    虽然我们不能说《周髀算经》和《九章算术》准确地反映了先秦时代的数学水平,但基于此,我们似乎可以逆想,西周时代的数学知识的状况如何。而西周的那些“国子”们,所面对的数学知识面也就不难想象了。

    其实,那个时期经常用到数学运算的可能还不是丈量土地,修建工程之类的事情,而是占卜中需要用数学来计算重卦和蓍草的数目,尤其是后者,是一套比较繁琐的程序中,需要相当的数学能力。凡祭祀、出行、婚丧、访友、行军打仗等等都会事先占卜,以求吉凶,可见这类事情要比测量土地、征收赋税之类的事情频繁多了。

    据前文所述,那个时期的数学似乎很复杂,但实际上似乎又没有这么复杂,因为他跟“书”一样,是小学的科目。作为小学的科目,估计不会涉及所谓的方程、比例等较复杂的知识。而且,很复杂的分数运算一般都是用来解决天文历法上的问题,若非有特别的兴趣,或者职责专主于此,则尽可以让专门制定历法的史官来做。(作者:李俊  )

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