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第二章 秦九韶

第一节 早年的学习生活

秦九韶是我国南宋时期的卓越数学家,约1202年(嘉秦二年)生于四川的安岳县。他的父亲秦季槱是1193年(绍熙四年)的进士,后任巴州太守。1219年(嘉定十二年)3月,陕西军士张福、莫简等发动兵变,反对政府。他们带兵进入四川,先后攻取了利州、遂宁、普州等地,又气势汹汹地进攻巴州。秦季槱知道自己寡不敌众,难以抵抗,于是逃离巴州。不久以后,他带领全家辗转抵达南宋都城临安(今杭州)。他在临安担任了工部郎中官职,1224年(嘉定十七年)升任秘书少监。1225年(宝庆元年)6月,秦季槱被任命为潼州(今四川三台)知府,回四川做地方官。

秦九韶自幼聪明好学,随父亲在临安的五六年时间,他集中精力学习,父亲的官职也为他提供了学习的条件。工部是管理手工业、建筑、交通和金融的部门,工部郎中则主管营建工作,所以秦九韶可以阅读在民间难以见到的建筑书籍,又有机会随父到工地参观,了解施工情况。在和工人们的接触中,他既学到了许多劳动技术,又懂得了老百姓的疾苦,在幼小的心灵中埋下了对劳动人民的同情。秘书省是掌管国家图书、国史资料和天文历数的,下属机构太史局专门研究天文历法。秦季槱当了秘书少监以后,便主管太史局的工作。他有意培养儿子对天文的兴趣,经常带儿子来太史局。秦九韶是个勤学好问的孩子,局里的工作人员都很喜欢他。日食和月食是怎样发生的?为什么可以提前知道?月亮为什么有圆有缺:天上的星为什么有的动,有的不动?还有,一年中那么多节气是怎样确定的?这些天文和历法问题像一个个谜语一样,引起了小九韶的浓厚兴趣。他开始在父亲指导下阅读天文书,还常到观象台通过仪器观察天体,遇到不懂的问题就向太史们请教。短短一年时间里,他学到了不少天文知识。另外,他还向著名诗人李梅亭学习诗词。梅亭是秦季槱的朋友,他觉得九韶很有培养前途,不仅教给他作诗之法,还把自己珍藏多年的诗集给他看。两人常在一起,话很投机,不久便成了忘年交。

秦九韶在临安时,最大的收获是向陈元靓(jing)学到了丰富的数学知识。陈元靓是位博学多才的学者,比秦九韶大五六岁。凭他的才能,谋个一官半职并不困难。但在当时的动荡环境中,他不愿出来做官,而是在山林隐居,埋头做学问,被称为“隐君子”。他的著作《事林广记》、《岁时广记》等,充满传奇色彩和自然之美,语言清新、流畅。读他的书,就像漫步在鸟语花香的小溪旁,令人轻松愉快。他对中国传统数学也深有研究,家里收藏着许多古算书,现代的《九章算术》、《周髀(bi)算经》、晋代的《孙子算经》、南北朝时的《张丘建算经》、《五曹算经》,以及唐代的《缉古算经》,他全有。秦九韶一进他家,就被那一部部字迹清秀的算术迷住了。读过以后,他感到自己被引入了一个神奇的世界。许多复杂的问题,只要使用恰当的数学方法,就会迎刃而解,数学的威力真是太大了!陈元靓告诉他,《九章算术》是数学的经典,要学好数学必须以这本书为基础。他还说,学数学的目的是为了应用,应该结合社会上的各种实际问题来学习,秦九韶牢牢记住了。实际上,《九章算术》讲的便是各种应用题的解法,包括面积,体积计算、比例问题、开方问题、纳税和运输问题等,还有多元一次方程组和勾股定理的应用。秦九韶觉得书写得很好,但也感到那个时代离现在太远了,现在的许多新问题,用古算书上的方法是解不出来的。“老师不是说学数学是为了应用吗?要是写一本数学书来解决现在的各种问题,那该多好啊!”年轻的秦九韶心中,已经萌发出写书的激情了。

秦九韶是个精力充沛、兴趣广泛的青年,他除了学习天文、数学、营造及诗词之外,还通音乐、好踢球,射箭和舞剑也是他的爱好,操场上常常见到他和同伴们练武的身影。秦季槱的同事不住地称赞:“你儿子真是个全才啊!”再加上九韶长得英俊、举止潇洒,可以说是朋友如云。一些女孩子也暗送秋波,以种种方式表达对他的爱慕之情。比利时数学史家李倍始在提到秦九韶时,以赞美的口气说,这位奇才“无疑具有迷人的品格”。

第二节 投身于抗蒙斗争

在临安生活6年之后,秦九韶于1225年(宝庆元年)随父到四川。这时的九韶已是成年人了,担任漳州知府的秦季槱让儿子在府里协助自己工作。不久以后,秦九韶便在府衙所在地鄞县当了正式武官——县尉。当时,南宋正面临蒙古军队的威胁。秦九韶心怀报国之志,加紧操练人马。他后来有机会向朝廷陈述政见时,曾说:“让未经训练的队伍去打仗这是上面的过失。”他从当县尉开始,便十分注意军士素质的提高,教给他们必要的军事知识。九韶能文能武、体贴士卒,很受属下爱戴。1230年(绍定三年)前后,李梅亭到成都做官,离郡县不远,他与九韶有不少接触的机会,对他有进一步的了解。1233年(绍定六年),李梅亭被调回临安,提名秦九韶做国史院的校正官。但九韶认为作县尉能更好地施展自己的才能,所以没有赴任。

1236年(端平三年),蒙古军已攻占成都。10月,元太子阔端亲率大军东下,不久便攻到潼州。秦九韶率领部队,奋勇抵抗,县里的老百姓也全力支持,帮助守城、运输、救伤员。军民同仇敌忾,打退了敌人一次又一次的猖狂进攻。但当时南宋朝廷腐败,没有形成一个统一的、强大的抗蒙阵线,郭县孤城难守。到第二年,终因寡不敌众,又无外援,郭县失守了,整个潼州受到蒙古铁骑的践踏。秦九韶想:“留得青山在,不怕没柴烧。”他决不投降,但也没有在大势已去的时候和敌人拼命,而是化装成普通百姓,逃离四川。他要养精蓄锐,寻找时机,再和敌人较量。

秦九韶离开四川后,往东南避难,过着颠沛流离的生活。但他时刻不忘抗蒙救亡,报效国家。他听说朝廷重臣吴潜坚决抗蒙,便去投奔。吴潜早就知道秦九韶的才华和他抗击蒙军的英勇,见到他后十分高兴。吴潜仅比九韶大6岁,他是1217年(嘉定十年)的状元,1231年(绍定四年)为尚书右郎官,1239年(嘉熙三年)便成为兵部尚书,相当于国防部长,并兼管江苏镇江府的军政。当时,蒙古已经灭金,正在大举进攻南宋。南宋朝廷内的主战、主和两派斗争激烈。贾似道是主和派,主张通过割地、纳贡的办法,屈辱求和;吴潜是主战派,坚决主张加强国防,抗击蒙古军队的进犯。他很注意选拔人才,曾于1234年(端平九年)向南宋朝廷提出9条建议,其中第五条便是:“广畜人才以待乏绝。”秦九韶这样一个才华横溢的青壮年,被吴潜看重是不奇怪的。由于受到吴潜的赏识,秦九韶先后担任过湖北蕲州(今蕲春)通判及安徽和州的太守。他在和州积极发展生产和贸易,还采取食盐官营的办法,一方面抑制盐价,另一方面为国家积累资金。后来,他到浙江湖州做地方官。吴潜对他很好,把自己的一块土地赠送给他,以便他建立住宅,长期居住。这块土地在湖州西门外,地名曾上,正当苕水所经,是个风景优美、交通方便的好地方。秦九韶凭自己的营建知识,亲自设计图纸,在此建起一所漂亮、宽敞的宅院,从此在湖州定居下来,过了一段时期的安定生活。由于他的哥哥在战乱中去世,留下一子无人照顾,他便收养下来,认为义子。

秦九韶在湖州做官的同时,开始了一项伟大的工作——撰写《数术大略》,这是一部数学巨著,受《九章算术》影响而把问题分为九类,后人出版此书时,将书名改为《数学九章》。它与《九章算术》一样,是密切联系社会实际的,但问题的深度和广度远远超过了《九章算术》,不少数学成果都是世界领先的。特别感人的是,秦九韶写书不忘救国。九类问题中有一类为“军旅”,专讲与军事有关的数学问题,包括排兵布阵、行军、测望敌营,以及种种后勤问题。他写这部分内容的目的。是为了教人们把数学用于军事,为抗蒙救亡服务。

第三节 卓越的数学成就

1244年(淳祐占四年)8月,秦九韶被任命为建康(今南京)通判。这是一种管钱粮、户口、赋役等工作的官职。但他任职时间很短,11月便因母亲去世,回湖州守孝三年。这其间,他的心情不佳。这不仅是因为永远失去了慈祥的母亲,更因为自己对国家前途的担忧。多年来,他一直渴望着为保卫大宋江山而战,但南宋朝廷内部十分腐败。许多人为了自己的私利,主张求和。昏庸的宋理宗在主战、主和两派的斗争中,往往举棋不定,而且倾向于求和,所以不可能出现一个领导全国抗蒙救亡的核心。蒙古军队步步紧逼,南宋正面临着亡国的危险。秦九韶想:“朝廷也许会更换,但有用的书将长存。这些年来,我搜集了不少数学问题,趁目前没有公务,我应该抓紧时间研究,写出书来,留给后人。”于是,他在料理完母亲的后事以后,便在家里埋头著书。

功夫不负有心人。到1247年(淳祐七九)7月,秦九韶终于完成了数学史上的杰作——《数学九章》十八卷,这是他一生中最有意义的事情。

全书共81道数学应用题,全是他精心选择的,每题以“术”说明解题方法,以“草”说明演算的具体步骤,必要时还画出图来。书中解决了大量实际问题,包括天文历法、雨雪测量、田亩计算、几何测望,还有赋税、财会、建筑、军事和贸易问题。这些内容都与当时的社会生活有密切联系,正如他自己所说:“我写书的目的就是应用。”他能做到这一点,是与他的经历有关的。他年轻时在临安学到了丰富的知识,后来又做过多年地方官,他深入下层,对物价、度量衡、各地间的距离、农民的负担,以及耕地面积、作物生长情况、气象资料等,都很熟悉,所以书中的问题符合实际,便于人们应用。后人则可以通过此书来了解南宋社会。

更重要的是,《数学九章》具有很高的理论价值,书中的“正负开方术”和“大衍术”居世界领先地位。

正负开方术实际是一套求高次方程正根的方法,也可以叫“高次方程数值解法。”古人称解方程为“开方”,而秦九韶在解高次方程时要反复进行正、负数运算,所以称“正负开方术”。大家知道,一次和二次方程是好解的。对于三次方程,一般人就不会解了。解三次以上的方程当然更为困难。秦九韶却在前人基础上,总结出一套可以解任意次方程的方法,而且是要多精确就能多精确,只要运算步骤足够多就行,因为这是一套循环性程序,具有很强的机械性。书中的方程,最高达到10次,秦九韶准确无误地求出了它的根,这是多么了不起啊!电子计算机产生以后,有人把这套方法在计算机上实现,并称为“秦九韶程序”。直到1819年,英国数学家霍纳才提出与秦九韶演算步骤基本相同的高次方程解法。西方人不知秦九韶早已解决这一问题,所以称为“霍纳法”。

大衍术又称大衍法,实际是一套术解一次同余式组的完整程序。秦九韶很重视自己的这项发明,强调说:“前人从未解决这一问题。”的确如此,即使在世界范围里,秦九韶也是第一个解决这种复杂问题的。什么叫同余呢?举例说,8除以3余2,11除以3也余2,我们就说8和11对3来说是同余的。含有同余关系的式子叫同余式,同余式和方程式一样,分为一次的、二次的……几个同余式联立,就成为同余式组。在秦九韶之前,《孙子算经》中便出现了一个闻名世界的一次同余式组,叫“物不知数”问题,因为开头的一句话是:“今有物,不知其数。”题的大意是:某数被3除余2,被5除余3,被7除余2,问这个数是多少?这实际是由三个同余式构成的同余式组。给出的答案是23,读者可以验证,这个答案是正确的。但书中的方法含有试猜的成分,不是普遍适用的。换个比较复杂的同余式组,读者就不知怎样求解了。秦九韶的功绩,在于他研究了各种形式的一次同余式组,发明了一套普遍适用的完整程序。这套程序在制定历法时很有用。它和“正负开方术”一样,带有很强的机械性,可以毫无困难地转化为现代的算法语言,用计算机来实现。

除了这两项重大成就外,秦九韶的“三斜求积术”也是很有名的。三斜即任意三角形的三边,积指三角形面积。

这一公式与著名的海伦公式是等价的。

相比之下,秦九韶的公式不够整齐,时间也较晚,但毕竟是在中国独立解决了这一问题,影响是很大的。以前,人们只知道三角形面积等于底乘高的一半。自秦九韶后,才知道只要求出三角形三边之长,也可得到三角形面积。此法在田亩测量中很有用,因为量三角形田的边长比量它的高要容易些(在田地中作一条比较严格的垂线是困难的)。

由于秦九韶精通天文历法和数学,于1748年(淳祐八年)受到宋理宗召见,他坦率地指出现行历法的弊病和许多官吏不懂数学常识的状况,陈述了自己对改革历法和加强数学教育的意见,同时呈上《数术大略》,受到皇帝的夸奖。考虑到当时的一些历官造诣不深,皇帝让秦九韶等精通天文、历法的人去太史局讲学,让历官们学习。从此,秦九韶的知名度更高了,不少学者向他请教天文或数学问题。他的《数术大略》也开始在各地流传。虽然当时没出版,但有不少手抄本。

秦九韶受皇帝召见的消息传出后,引起历法家陈振孙的注意。他当时为侍郎官,善于收藏历代图书,藏书五万余卷。他专程拜访秦九韶,讨论天文历法问题。秦九韶的许多精辟见解,被陈振孙收入《直斋书录解题》,流传至今。秦九韶说:“天体运行有规律可循,不能横袭前历。”这句话成为历法改革的至理名言。陈振孙从秦九韶那里得到好几本珍贵历法,包括罕见的《崇天历》和《纪元历》,前历于1024年(天圣二年)问世,到秦九韶时代已有200年;后历于1106年(崇宁五年)编成,也有一百多年了。二历传本极为稀少,陈振孙感慨地说:“近世诸历,多亏秦的收藏,才未失传。”

第四节 坎坷的晚年

秦九韶守孝期满后,又去做官,此后的科学研究不多了。他决心在政治上干一番事业,为国家治理和抗蒙救亡贡献自己的力量。但他的仕途并不顺利,东奔西走,最后死于梅州。

1249年(淳祐九年)8月,吴潜被任命为浙东安抚使。第二年,秦九韶去宁波投奔吴潜,在他手下为官。

1251年(淳祐十一年)吴潜奉命入京,宋理宗拜他为右丞相。在一段时期内,主战派力量占了上风,南宋的防务有所增强,蒙古军队不敢轻易进犯,只是虎视眈眈地等待时机。1254年(宝祐二年),秦九韶在建康(今南京)担任了沿江制置司参议。制置司即一个地区的司令部,参议是军事参谋。秦九韶感到有了施展才能的机会,积极参与军事部署,为抗蒙斗争出谋划策。不幸的是,吴潜受到主和派的排挤,失去了右丞相的官职,当了个没有实权的观文殿大学士。秦九韶也于1255年(宝祐三年)被免职,家居湖州。但他不甘寂寞,还想参政。当时贾似道任两淮安抚使,在朝廷内势力很大。秦九韶虽然与贾政见不同,但他想:“现在通过吴潜做官是不行了。要想当官。就得找贾似道。有了官职,才能实现自己的志向啊!在家里闲居,不是一事无成吗!”于是,他便在1257年(宝祐五年)准备了一些礼物,去扬州拜谒贾似道。贾似道是个贪财又喜欢奉承的人,他见秦九韶带来不少礼物,便热情接待。他虽然知道秦九韶与吴潜关系密切。但也爱惜九韶的才华。他想:“此一时彼一时啊!现在吴潜已经失宠,他的旧友弃他而投我,这是好事。我应该使秦九韶为我所用。”于是,他便写了一封推荐信,让九韶带信去长沙投李曾伯。李当时是荆湖南路安抚使,兼长沙知府。

1258年(宝祐六年)正月,秦九韶到长沙见李曾伯。由于有贾似道的手书,李曾伯只好答应给秦九韶安排官职。此时正值他管辖区内的琼州缺太守,于是任命秦九韶为琼州太守,但三个多月后就接到了免除秦九韶职务的圣旨。可能是由于朝中有人说秦九韶的坏话,使理宗做出罢免他的决定。上任不久的秦九韶,只好怀着大志未酬的遗憾心情,离开琼州。

秦九韶回到湖州后,仍想当官。吴潜已被起用为沿海制置大使,秦九韶再去宁波投奔他。1259年(开庆元年),宋理宗拜贾似道为右丞相,吴潜为左丞相。秦九韶随吴潜入京。由于吴潜的推荐,秦九韶被任命为司农寺丞,去平江一带筹措军粮。1260年(景定元年),秦九韶被任命为江西清江的知府,但由于朝廷内的派系斗争,有些人坚决反对,皇帝只好收回成命。

这一时期,南宋朝廷内的主战、主和两派斗争日趋激烈。按理说,右丞相和左丞相应该是同舟共济,但实际上却水火不容。1259年,右丞相贾似道负责湖北一带的防务。蒙古皇帝蒙哥亲率大军进攻四川,派他弟弟忽必烈攻打鄂州,企图灭亡南宋。吴潜立即调军马援鄂,准备抗击蒙军。贾似道却私自派人到忽必烈军营屈辱求和,献上大批礼物,并居然背着皇帝,以朝廷名义保证今后每年奉献蒙古白银20万两,绢20万匹。忽必烈听到密报:蒙哥已死于战场。他急于北上夺取帝位,于是答应了贾似道的请求:双方以长江为界。忽必烈退兵后,贾似道向朝廷隐瞒了私自求和一事,谎称自己率领军队打败了敌人,反诬吴潜抗蒙不力。理宗信以为真,让贾似道掌握了军政大权,吴潜则受到排挤。1260年,贾似道又指使手下人罗织吴潜的罪名,在理宗面前告黑状,诬陷吴潜犯有“欺君之罪”。昏庸的理宗不明是非,罢免了吴潜的一切职务,于当年10月把吴潜流放到广东潮州。1262年(景定三年)5月,吴潜含冤去世。

吴潜冤狱也涉及秦九韶。因为秦与吴关系密切,所以被当做吴潜党人,受到株连。不过,贾似道与秦九韶有些旧情,因此对他的处理要轻得多,没有革职问罪,只是把他贬到广东梅州做官。这对花甲之年的秦九韶来说,也是个不小的打击。念国家,主和派掌权,一大批主张抗战的忠勇之士被贬逐,国家灭亡已不可避免了;想自己,被迫来到边远地区做个小官,大志难酬,颇有一种怀才不遇的惆怅。他想:“不管在哪里做官,都要上对得起朝廷,下对得起百姓。”因此,他在梅州勤于政务,兢兢业业地处理各种公务,并注意发展生产,使当地百姓生活安定,秩序井然。不幸的是,他生前再也没能回到家乡,最后病死在梅州。去世时间没有明确记载,约在1262年前后。

纵观秦九韶一生,堪称一位学识渊博、多才多艺的学者,尤其在数学上做出了卓越贡献。他研究数学不是为了做官,也不仅仅是出于兴趣,而是为了应用,他千万百计地使自己的学问为社会服务,这种精神是十分可贵的。秦九韶的数学成就已得到世界公认,著名的美国科学史家萨顿(1884—1956)这样评价秦九韶:“他是他那个民族,他那个时代,并且确实也是所有时代最伟大的数学家之一。” GRdlXsJM/TQxAnkCmf1QLGH6pNSq4BbUvz4IlvfE5KopcAmj0rggzSLTpHl1m/mj

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