约公元前170年
1983年,在中国湖北省江陵县张家山出土了一批西汉时期高后至文帝初年(公元前187—约前170年)的古代竹简,其中数学竹简约200支(180余支较完整,10余支已残破,但编痕犹存)。有一支背面有“算数书”三字,学术界因此将其定名为《算数书》。
当《算数书》重见天日时,200余支竹简次序混乱,工作人员花了17年的时间才整理好,并于2000年在《文物》杂志上发表简体字全文。但《算数书》并没有说明它出自何人之手,看来这是对前人成果的一次总结。
《算数书》与约公元100年成书的《九章算术》有许多相同之处,体例也是“问题集”形式,大多数题都由问、答、术三部分组成,而且有些概念、术语也与《九章算术》的一样。如“粟求米”:“粟求米,因而三之五而一之。今有粟一升七分三,当为米几何?曰:为米七分升六。术曰:母相乘为法,以三乘十为实。”
汉简《算数书》的一部分
《算数书》全书总共7000多字,有60多个小标题,如“相乘”、“分乘”、“增减分”、“约分”、“合分”、“经分”、“金价”、“舂粟”、“息钱”、“贾盐”、“程禾”、“方田”、“少广”等,但未分章或卷。其内容涉及整数和分数的运算、几何级数、利息计算、税率计算、几何计算、兑换、产量、用盈不足术求平方根近似值等。
《算数书》特别让人感兴趣的一个方面就是它与《九章算术》的关系,由于其内容与《九章算术》有一些相似,不少人怀疑《算数书》是《九章算术》的母本,至少也是张仓校正《九章算术》的母本之一,当然这些都只是猜测,尚无定论。在《算数书》出土之前,《九章算术》被认为是现存最古老的中国数学著作。《算数书》的发现,将现存最早中国古代数学著作的年代推前了约300年。
整理前的岳麓秦简
2007年12月,湖南大学岳麓书院在香港古董市场购得一批秦简,其中与数学有关的部分,被考古学家命名为《数》。据初步推断,其成书年代最晚为公元前212年。若此推断成立,那么现存最早中国古代数学著作的年代还可前推数十年。另外,2006年11月,湖北省孝感市云梦县睡虎地一汉代墓葬出土竹简2000余支,其中包括一部完整的数学著作《算术》216支。据报道,其成书年代最晚为公元前141年,虽晚于《算数书》,但它无疑也是中国古代数学的珍贵文献。关于这两部书的可靠成书年代和内容价值,史学家们正在研究之中。
睡虎地秦简
约公元前100年
中国西汉王朝前期,统治者实行了一系列“与民休息”的政策,使人民安居乐业,生产得到发展。农业生产的发展需要更精确的历法,从而需要水平更高的天文学,进而需要更丰富的数学知识。《周髀算经》正是在这种背景下出现的。
《周髀算经》是一部天文历算著作,一般认为成书于约公元前100年,作者不详。该书原名《周髀》,唐代初期规定它为“算经十书”之一,为国子监的教材之一,所以改名《周髀算经》。
《周髀算经》主要是用数学方法阐明当时的“盖天说”(即认为“天象盖笠,地法覆盘”的宇宙学说)和“四分历法”(即以
日为一个回归年而编制的历法),因而包含了相应的数学内容。
《周髀算经》全书分为上、下两卷,有关数学的论述载在卷上之一和之二,其余部分是天文和历法。其数学内容主要有三方面:
(1)指出了勾股定理的一个特例,即众所周知的“勾三股四弦必五”。
(2)阐明了勾股测量术,即用勾股定理和相似直角三角形的边长关系测量远处物体的距离和高度的技术,体现于“平矩以正绳,偃矩以望高,覆矩以测深,卧矩以知远,环矩以为圆,合矩以为方”。
(3)进行了相当繁复的分数计算。
对于勾股定理,书中记曰:“数之法,出于圆方。圆出于方,方出于矩,矩出于九九八十一,故折矩,以为勾广三,股修四,径隅五。”可以看出,原书并没有对勾股定理进行证明,而仅仅是给出一个特例,其证明还得等到几百年之后,由三国时期吴国人赵爽在《周髀注》一书的“勾股圆方图注”中用出入相补原理给出。
赵爽注《周髀算经》
约公元100年
中国数学史上有一部堪与欧几里得《几何原本》相媲美的著作,这就是历来被尊为算经之首的《九章算术》。《九章算术》是中国古代最重要的数学著作。它成书时间大约是在公元100年,至于作者是谁,如今已无法查证。现代学者认为它是上承先秦数学发展的源流,到汉代又经过许多学者的删补才最后成书的。它的成书,标志着中国古代数学独特体系的形成,这种体系的特点是:以数学应用为框架结构;以算法为主要内容;以数学模型为广泛采用的方法。
《九章算术》第二章“粟米”
《九章算术》采用“实用问题集”的表述形式,全书共收入246个数学问题(大多是与当时社会生活有关的实用性问题),共九章,各章涉及的主要内容如下:第一章“方田”(38问),分数四则算法和各种面积公式;第二章“粟米”(46问),粮食交易的比例方法;第三章“衰分”(20问),比例分配的算法;第四章“少广”(24问),开平方法和开立方法;第五章“商功”(28问),各种体积公式和工作量的分配算法;第六章“均输”(28问),赋税的平均负担的计算法及各种算术难题;第七章“盈不足”(20问),盈亏类问题解法及其应用;第八章“方程”(18问),多元一次方程组解法和正负术的介绍;第九章“勾股”(24问),直角三角形解法和一些测量问题的解法。
《九章算术》之所以如此备受尊崇,绝非浪得虚名,且看它的这些成果:
(1)在算术方面,《九章算术》主要涉及分数运算、比例问题和“盈不足术”。
《九章算术》在世界上最早系统地叙述了分数运算。在其第二章、第三章、第六章中有许多比例问题,这在世界上也是比较早的。
至于盈不足术,则是解所谓“盈亏类问题”的一种算法。采用现代数学符号,一种典型的盈亏类问题可叙述为:设有若干人合伙买一件价格确定的东西,如果每人出钱a1,则总钱数比定价多出b1,如果每人出钱a2,则总钱数比定价少b2;问每人应出多少钱,有多少人,该东西定价多少。《九章算术》直接给出了此类问题的算法。
刘徽注《九章算术》
(2)在几何方面,主要是面积和体积的计算。
(3)在代数方面,主要有线性方程组的解法、开平方、开立方、一般二次方程的解法等。“方程”一章还在世界上首次引入了负数及其加减运算的法则。《九章算术》中对线性方程组的解法,是利用算筹排布方程的系数并进行变换来求解的,这与现代数学中的线性代数思想非常类似。
《九章算术》对中国古代数学产生了巨大的影响,唐、宋两代都由政府明令规定为教科书。中国古代的数学家也大多从《九章算术》开始学习和研究数学。《九章算术》之后的许多中国古代数学著作,不仅在思想体系上受其影响,而且有许多就是《九章算术》的注释或研究。其中魏晋时期刘徽的注是最著名的。南宋杨辉、明代吴敬以及近代许多数学家的著作也与《九章算术》有关。
《九章算术》以应用为目的,书中的数学知识被用于解决各种实际问题,形成一个与古希腊数学完全不同的数学体系,它在隋唐时就已传入朝鲜、日本,现在,更被译成日、俄、德、法等多种文字。可以说,《九章算术》是中国为世界数学发展作出的一项杰出贡献。