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第二十章 九章算数

    前文中我们曾说过,中国在公元十四世纪前一直是世界上数学最发达的国家,领先世界几万年。只是在近几百年来由于明朝和清朝对数学的漠视和西方数学的快速崛起,自公元十五世纪后我们在数学上的发展才逐渐趋向于停滞或发展十分缓慢。西方的现代数学是在阿拉伯数学的基础上建立的,没有先进的阿拉伯数学就不可能有西方现代数学的辉煌成就,是十字军东征让西方人首次知道和获取了大量的数学典籍,通过对这些阿拉伯数学经典的翻译和研究使西方走上了科学高速发展的道路。

    印度于公元三世纪开始有计数符号,公元六世纪才采用十进位值制,公元八世纪印度的计数符号和十进位值制传入阿拉伯,公元十二世纪至公元十三世纪阿拉伯数学开始传入欧洲,公元十六世纪至公元十七世纪欧洲的数学得到了突飞猛进的高速发展。从数学传播的路径上看,似乎世界数学的起源来自于印度,但实际上印度的数学理论和计数符号等几乎全部来自于中国。中国的数学名著《九章算术》成书于公元前一世纪,大约在公元五世纪左右传入印度。现在世界上通用的阿拉伯数字1、2、3、4……9被认为是起源于印度,实际上也同样来自于中国。在公元前一世纪左右能与中国数学名著《九章算术》相提并论的唯有希腊几何学家欧几里德的《几何原本》。《几何原本》中所述的几何理论是很先进的,但希腊的数学计算却是非常落后的,整个欧洲在六七百年前连超过一万的数字都计算不了,落后的让人难以想象!数学的精髓是计算,不能计算的几何图形只能是图,而不可能产生数学计算的结果,这也是为什么《几何原本》产生的很早,但整个欧洲数学依然非常落后的原因。

    算筹和先进的十进位值制在中国的存在万年以上,在长达几万年的不断发展中,中国的数学取得了辉煌的成就,于汉朝初期出现了堪称世界数学史上第一部经典之作《九章算术》,其作者无从考证,因为在汉朝出现的九章算术并不是汉朝人的原创,而是汉朝的数学家对原有的九章算术进行增补后出现的版本。这也说明《九章算术》早在汉朝之前的很多年前就已经存在了。1984年,在湖北出土了《算数书》书简。据考证,其比《九章算术》要早一个半世纪以上,书中有些内容和《九章算术》非常相似,一些内容的文句也基本相同。全书总共约七千多字,有60多个小标题,如方田、少广、金价、合分、约分、经分、分乘、相乘、增减分、贾盐、息钱、程未等等,但未分章或卷。《算数书》与《九章算术》之间没有直接的文本影响关系,但它们有着明显的共源性。《九章算术》虽然晚于《算数书》,但其中的某些内容却要比《算数书》中的内容显得更加久远。通过对二者的比较,发现两本著作中的大部分内容都来自于先秦,或许在先秦时期可能存在有另一部数学著作,《九章算术》和《算数书》只是该书的衍生本。

    《九章算术》的内容十分丰富,共分九章,246个数学问题。

    第一章  方田:主要讲述了平面几何图形面积的计算方法。包括长方形、等腰三角形、直角梯形、等腰梯形、圆形、扇形、弓形、圆环这八种图形面积的计算方法。另外还系统地讲述了分数的四则运算法则,以及求分子分母最大公约数等方法。

    第二章 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 衰分:比例分配问题。

    第四章 少广:已知面积、体积,反求其一边长和径长等,介绍了开平方、开立方的方法。

    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:即双设法问题,提出了盈不足、盈适足和不足适足、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、最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世纪才认识负数。

    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m>n。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世纪的丢番图才取得相近的结果,这已比《九章算术》晚约3个世纪了。勾股章还有些内容,在西方却还是近代的事。例如勾股章最后一题给出的一组公式,在国外直到19世纪末才由美国的数论学家迪克森得出。

    《九章算术》之数学成就:

    1、分数运算、比例问题和“盈不足”算法。分数运算包括四则运算,通分、约分、化带分数为假分数等。其步骤与方法大体与现在相同。盈不足算法需要给出两次假设,盈不足术是中国数学史上解应用问题的一种别开生面的创造,它在我国古代算法中占有相当重要的地位。盈不足术还经过丝绸之路西传中亚阿拉伯国家,受到特别重视,被称为“契丹算法”,后来又传入欧洲,被称为“双设法”,该法曾长时期统治了欧洲的数学王国。

   2、《九章算术》总结了生产、生活实践中大量的几何知识,在方田、商功和勾股章中提出了很多面积、体积的计算公式和勾股定理的应用。

   3、《九章算术》中的代数内容同样很丰富,具有当时世界的先进水平。包括:开平方和开立方、多元一次方程、正、负数的定义和加减运算法则。正负数概念直到公元七世纪才被印度的数学家婆罗门岌多认识,欧洲则认识的更晚,于公元十六世纪才知道负数的存在。

    《九章算术》是中国数学发展领先世界的见证,是中华民族智慧的结晶。它的出现标志着中国古代数学体系的形成。后世的许多数学家大都是从《九章算术》开始学习和研究数学知识的。唐宋两代由国家明令规定将《九章算术》作为教科书。1084年由当时的北宋朝廷进行刊刻,成为世界上最早的印刷本数学专著。可以说,《九章算术》是中国为世界数学的发展做出的又一次杰出贡献。

    对希腊《几何原本》的质疑:

    古希腊的计数法极其落后,虽然也采用十进制,但却没有位值制概念。数字的表示基本上采用字母来表示,24个字母不够用,就又外借了三个字母,总共27个字母全用上最大也只能到999,我的天呐!这么复杂的计数方法怎么计算呢?不把人算疯了才怪呢!再看中国的算筹,就用一根小木棍的横放和竖放,不但能够表示出数字1至9,还能计算任意大的数据,因为我们的老祖先早在几万年前就将命名和运算分割成了两个系统,一个用来表示十进位的个、十、百、千、万、……,一个用小木棍直接计算即可,太简单了!

    《几何原本》的产生或来源。无论是科学还是文字,甚至是文明,都有其源头可寻,都有其产生的基础或原因。然而通过大量资料的查询,没有发现任何介绍其产生或来源的资料。只是看到了一大群人在盲目的吹捧《几何原本》有多么的牛逼!先进的计算工具和先进的十进位值制催生了发达的中国数学,产生了《九章算术》这样的数学巨著。那么是什么原因导致了《几何原本》的产生呢?古希腊有什么先进的计算工具吗?有先进的位值制概念吗?有产生过先进的历法吗?……没有,一切都没有,只有一种不能计算大一点数据的、落后的、令人头疼的计数法。难道说几何学只需要画图而不需要计算吗?要说到画几何图形,那个规(圆规)和矩(直角尺)还是伏羲女娲发明的呢!当然了,古希腊很有可能是从古埃及那里获得了规和矩,所以才能画出方方圆圆的几何图形来。

    《几何原本》产生的时期基本与《九章算术》同时期,一个被大量应用于生产生活和教育中,一个却默默无闻沉寂了一千五百多年之后才大放光彩,这是为什么?是因为《几何原本》出现的年代与落后的古希腊数学水土不服吗?当然,也有不少说法是其数学计算理论来自于古埃及或古巴比伦,可是古埃及和古巴比伦的数学并没有人们传说的那么先进哦。古巴比伦数学是60进制,虽然有位值制,但计算十分繁琐,稍微大一点的数据计算非常困难。古巴比伦的数学成就主要显示在出土的泥土块上,但其数学理论却是较为落后的。古埃及的十进制并不完善或是没有完全掌握,因为其对10这个数字不是采取的进位制,而是用字母来表示的,在没有位值制和有重大缺陷的十进制的情况下,其数学很难取得什么显著的成就,或者根本就不可能。

    《几何原本》在数学上取得的成就是巨大的,尤其是在几何学方面更是辉煌灿烂。但由于当时希腊落后的数学环境和古埃及、古巴比伦数学理论来源的缺陷,所以我本人认为《几何原本》的内容应该不是欧几里德的原创,很有可能是其对很多来自于古埃及和古巴比伦几何学方面的知识和资料的汇总与总结。

    【补充资料】希腊文明是一个失落的文明,直到欧洲中世纪才被人们重新发现。希腊文明发祥于克里特岛,一座相传位于世界中央的小岛。在这里,未来的雅典国王提修斯曾闯入迷宫斩下米诺斯牛恐怖的头颅,成为希腊人崇拜的英雄。二十世纪初这座迷宫被奇迹般的发掘出来,爆出了举世震惊的新闻。现在当人们面对尘封了几千年的王宫废墟,赞赏精美绝伦的壁画和细致独特的器物时,不禁感叹克里特应该就是希腊文化的滥觞之地。

    远古的希腊是希腊人不断向海外输出移民的时代,殖民地遍布西欧、南欧、北非、小亚细亚和黑海沿岸,从马萨里亚到拜占庭,从波提地亚到西诺普,就像从希腊本土这个树干上延伸出来的无数根须,饥渴地吮吸着周围土壤的文化养料。埃及的宗教,波斯的哲学,腓尼基的文字,巴比伦的天文和野蛮民族的艺术,数不清的远古文明和几千年的文化成果都迅速通过这些根系传播到伯罗奔尼撒起伏的丘陵,传播到阿提卡丰收的果园,传播到比阿提亚贫瘠的山岭。希腊人无比幸运,他们如万人呵护的宠儿,被诸多远古文明紧紧拥抱,享受东方文明给他们留下的恩泽。

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