《九章算术》是中国古代第一部数学专著,是《算经十书》中最重要的一种,成于公元一世纪左右。其作者已不可考。一般认为它是经历代各家的增补修订,而逐渐成为现今定本的,西汉的张苍、耿寿昌曾经做过增补和整理,其时大体已成定本。最后成书最迟在东汉前期,现今流传的大多是在三国时期魏元帝景元四年(263年),刘徽为《九章》所作的注本。

《九章算术》内容十分丰富,全书总结了战国、秦、汉时期的数学成就。同时,《九章算术》在数学上还有其独到的成就,不仅最早提到分数问题,也首先记录了盈不足等问题,《方程》章还在世界数学史上首次阐述了负数及其加减运算法则。它是一本综合性的历史著作,是当时世界上最简练有效的应用数学,它的出现标志中国古代数学形成了完整的体系。

《九章算术》内容丰富,题材广泛,共九章,分为二百四十六题二百零二术,不但是汉代重要的数学著作。在中国和世界数学史上占有重要的地位。作为中国古代数学的系统总结,对中国传统数学的发展有了深远的影响。

根据研究,西汉的张苍、耿寿昌曾经做过增补和整理,其时大体已成定本。最后成书最迟在东汉前期,但是其基本内容在西汉后期已经基本定型。九章算术将书中的所有数学问题分为九大类,就是“九章”。

1984年,在湖北出土了《算数书》书简。据考证,它比《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。有人推测两书具有某些继承关系,但也有不同的看法认为《九章算术》没有直接受到《算数书》影响。

由于《九章算术》中只是列出了例子及一般的算法,却很少有任何解释和说明,所以有很多人曾为《九章算术》作注,提出了简括的证明,证明了些算法的正确性。较为著名的有在三国时期魏元帝景元四年(263年),刘徽为《九章》作注,加上自己心得体会,使其便于了解,可以流传下来。唐代李淳风又重新做注(656年),作为《算经十书》之一,作为国子监算学馆的教材和明算科的考试项目。

现传本《九章算术》成书于何时,众说纷纭,多数认为在西汉末到东汉初之间,约公元一世纪前后,《九章算术》的作者不详。很可能是在成书前一段历史时期内通过多人之手逐次整理、修改、补充而成的集体创作结晶。由于二千年来经过辗转手抄、刻印,难免会出现差错和遗漏,加上《九章算术》文字简略有些内容不易理解,因此历史上有过多次校正和注释。

关于对《九章算术》所做的校注主要有:西汉张苍增订、删补,三国时曹魏刘徽注,唐李淳风注,南宋杨辉著《详解九章算法》选用《九章算术》中80道典型的题作过详解并分类,清李潢(?—1811年)所著《九章算术细草图说》对《九章算术》进行了校订、列算草、补插图、加说明,尤其是图文并茂之作。

现代钱宝琮(1892—1974年)曾对包括《九章算术》在内的《算经十书》进行了校点,用通俗语言、近代数学术语对《九章算术》及刘、李注文详加注释。80年代以来,今人白尚恕、郭书春、李继闵等都有校注本出版。

在算术方面的主要成就有分数运算、比例问题和“盈不足”算法。《九章算术》是世界上最早系统叙述了分数运算的著作,在第二、三、六章中有许多比例问题,在世界上也是比较早的。“盈不足”的算法需要给出两次假设,是一项创造,中世纪欧洲称它为“双设法”,有人认为它是由中国经中世纪阿拉伯国家传去的。

《九章算术》中有比较完整的分数计算方法,包括四则运算,通分、约分、化带分数为假分数(我国古代称为通分内子,“内”读为纳)等等。其步骤与方法大体与现代的雷同。

分数加减运算,《九章算术》已明确提出先通分,使两分数的分母相同,然后进行加减。加法的步骤是“母互乘子,并以为实,母相乘为法,实如法而一”这里“实”是分子。“法”是分母,“实如法而一”也就是用法去除实,进行除法运算,《九章算术》还注意到两点:其一是运算结果如出现“不满法者,以法命之”。就是分子小于分母时便以分数形式保留。其二是“其母同者,直相从之”,就是分母相同的分数进行加减,运算时不必通分,使分子直接加减即可。

《九章算术》中还有求最大公约数和约分的方法。求最大公约数的方法称为“更相减损”法,其具体步骤是“可半者半之,不可半者,副置分母子之数,以少减多,更相减损,求其等也。以等数约之。”这里所说的“等数”就是我们现在的最大公约数。可半者是指分子分母都是偶数,可以折半的先把它们折半,即可先约去2。不都是偶数了,则另外摆(即副置)分子分母算筹进行计算,从大数中减去小数,辗转相减,减到余数和减数相等,即得等数。

《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。

《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。

体例

《九章算术》共收有246个数学问题,分为九大类,在一个或几个问题之后,列出这个问题的解法。

  1. 方田章:主要是田亩面积的计算和分数的计算,是世界上最早对分数进行系统叙述的著作
  2. 粟米章:主要是粮食交易的计算方法,其中涉及许多比例问题
  3. 衰分章:主要内容为分配比例的算法
  4. 少广章:主要讲开平方和开立方的方法
  5. 商功章:主要是土石方和用工量等工程数学问题,以体积的计算为主
  6. 均输章:计算税收等更加复杂的比例问题
  7. 盈不足章:双设法的问题
  8. 方程章:主要是联立一次方程组的解法和正负数的加减法,在世界数学史上是第一次出现[2]
  9. 勾股章:勾股定理的应用

主要内容

《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cui)分、少广、商功、均输、盈不足、方程及勾股。共九章如下所示。原作有插图,今传本已只剩下正文了。

《九章算术》共收有246个数学问题,分为九章。它们的主要内容分别是:

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;衰分章提出比例分配法则,称为衰分术;

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世纪印度的婆罗摩及多才认识负数。

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,在国外到19世纪末才由美国的数论学家迪克森得出。

影响

九章算术影宋本

《九章算术》总结了自先秦以来的中国古代数学,它既包含了以前已经解决了的数学问题,又有汉朝时新发现的数学成就。一般认为,它在数学史上,标志着中国古代数学体系的形成,是中国古代数学体系的初期代表作。

《九章算术》问世之前的中国先秦典籍中,记录了不少数学知识,但是却没有《九章算术》的系统论述,尤其是由易到难、由浅入深、从简单到复杂的编排体例,从而形成中国传统数学的理论体系。因而后世的中国数学家,都是从此开始学习和研究,唐、宋时,为国家明令规定的教科书,北宋时由政府刊刻,又是世界上最早的印刷本数学书。

《九章算术》中有许多数学问题都是世界上记载最早的。例如,关于比例算法的问题,它和后来在16世纪西欧出现的三分律的算法一样。关于双设法的问题,在阿拉伯曾称为契丹算法,13世纪以后的欧洲数学著作中也有如此称呼的,这也是中国古代数学知识向西方传播的一个证据。

《九章算术》对中国古代的数学发展有很大影响,这种影响一直持续到了清朝中叶。《九章算术》的叙述方式以归纳为主,先给出若干例题,再给出解法,不同于西方以演绎为主的叙述方式,中国后来的数学著作也都是采用叙述方式为主。历代数学家有不少人曾经注释过这本书,其中以刘徽和李淳风的注释最有名。

《九章算术》隋、唐时,流传到了日本和朝鲜,对其古代的数学发展也产生了很大的影响,之后更远传到印度、阿拉伯和欧洲,现已译成日、俄、英、法和德等多种文字版本。

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