2007年7月29日星期日

《九章算术》及刘徽注简介

《九章算术》是我国流传至今最古老的数学专著之一,它成书于西汉时期。这部书的完成经过了一段历史过程,书中所收集的各种数学问题,有些是秦以前流传的问 题,长期以来经过多人删补、修订,最后由西汉时期的数学家整理完成。现今流传的定本的内容在东汉之前已经形成。《九章算术》是中国最重要的一部经典数学著 作,它的完成奠定了中国古代数学发展的基础,在中国数学史上占有极为重要的地位。现传本《九章算术》共收集了246个应用问题和各种问题的解法,分别隶属 于方田、粟米、衰分、少广、商功、均输、盈不足、方程、勾股九章。

《九章算术》的产生是社会发展和数学知识长期积累的结果,它汇集了不同时期数学家的劳动成果。三国时的数 学家刘徽认为:“周公制礼有九数,九数之流,则《九章》是矣。……汉北平侯张苍、大司农中丞耿寿昌皆以善算命世。苍等因旧文之遗残,各称删补。故校其目则 与古或异,而所论多近语也。”根据刘徽的考证结果,《九章算术》源于周公时代的“九数”,而他所见到的《九章算术》是西汉时的张苍、耿寿昌在先秦遗文的基 础上删补而成的,其中包括了大量西汉时补充的内容。根据历史文献和出土文物资料来分析,刘徽所言是可信的。

《周礼·大司徒》云:“保氏掌谏王恶养国子以道。乃教之六艺:一曰五礼,二日六乐,三四五射,四四五驭,五曰六书,六曰九数。”这是说贵族子弟教育以礼、 乐、射、驭、书、数为6门课程。每门课程又有若干细目,例如“数”这门课程中有9个细目。东汉郑玄《周礼注》引郑众说:“九数:方田、粟米、差分、少广、 商功、均输、方程、赢不足、旁要,今有重差、勾股。”郑众所列虽然未必都是《周礼》九数原有的细目,但其中大多数科目大概早已见于先秦,西汉时仍然是传统 算术的主要纲目。春秋战国时期,我国的农业、手工业以及各种工程技术都有了很大的发展,社会生产力的提高推动了科学文化的发展,也促进了数学知识和计算技 能的发展。当时的统治阶级要按亩收税,必须有测量土地、计算面积的方法;要储备粮食,必须有计算仓窖的容积的方法;要兴修大型水利工程和其他土木工程,必 须能计算土方和工程人功等项目;要修订更为精确的适合农业生产的历法,必须掌握处理有关天文数据的复杂的计算方法。先秦时期人们已经掌握了相当丰富的数学 知识和计算技能。近年来湖北省荆沙市张家山西汉墓竹简《算数书》的出土,不仅表明少广、均输等算法早已有之,而且发现“程未”(即“方程”)算法也见于其 中。《算数书》大约是在吕后(前187~前180在位)至文帝(前179~前157在位)初年的下葬品,其完成年代显然更早一些。可以肯定,《九章算术》 方田、粟米、衰分、少广、商功均输、盈不足、方程等章的解题方法,绝大多数部分产生于秦或西汉以前。

《九章算术》所包含的各种算法是汉朝数学家们在秦以前流传下来的数学基础上,适应当时的需要补充修订而成的。按照刘徽的考证,张苍和耿寿昌都是参加过修订 工作的主要数学家。《史记·张丞相列传》记载,张苍(约前250~前152)经历了秦、汉两个朝代,他在高帝六年(前201)以攻藏茶有功封为北平侯。 “自秦时为柱下史,明天下图书计籍。又善用算律历。”他还“著书18篇,言阴阳律历事。”耿寿昌的生年年代不详,汉宣帝时官至大司农中丞,“以善为算,能 商功利”得宠于皇帝(见《汉书·食货志》)。他于天文学主张浑天说,甘露二年(前52)奏“以圆仪度日月行,考验天运状”(见《后汉书·律历志》)。张苍 和耿寿昌都是数学名家,又身居高位,由他们主持修订先秦流传下来的《算术》是很自然的事情。根据刘徽的记载,他所注释的《九章算术》最后是由耿寿昌删定 的。我们认为耿寿昌删补《九章算术》的年代可以定为这部书完成的年代。

《九章算术》是由国家组织 力量编纂的一部官方性数学教科书,对两汉时期数学的发展产生了很大的影响。《广韵》卷四有“九章术,汉许商、杜志、吴陈炽、王粲并善之”,《后汉书·马援 传》有马续(约70~141)“博观群籍,善九章算术”负记载。此外,史书中还有郑玄(127~200)、刘洪等人“通九章算术”的记述。可知该书是当时 学习数学的重要教材,在东汉光和二年(179)一块铜版上的铭文规定:“大司农以戊寅(138?)诏书,……特更为诸州作铜斗、斜、称。依黄钟律历,《九 章算术》以均长短、轻重、大小,以齐七政,令海内都同。”这说明该书在东汉时期不仅广为流传,而且度量衡研制涉及的数学问题也要以书中的算法为依据。许 商、杜志可能是《九章算书》成书后最早研究过该书的数学家。许商、杜志都是西汉后期的数学家。《汉书·艺文志》著录有《许商算术》26卷、《杜志算术》 16卷。这两部书都是汉成帝三年(前26)尹咸校对数术著作之前撰写的。许商、杜志的著作完成年代与耿寿昌删补《九章算术》的年代相去不远,他们的数学著 作应当是在研究了《九章算术》的基础上完成的。

《九章算术》不仅在中国数学史上占有重要地位,对 世界数学的发展也有着重要的贡献。分数理论及其完整的算法,比例和比例分配算法,面积和体积算法,以及各类应用问题的解法,在书中的方田、粟米、衰分、商 功、均输等章已有了相当详备的叙述。而少广、盈不足、方程、勾股等章中的开立方法、盈不足术(双假设法)、正负数概念、线性联立方程组解法、整数勾股弦的 一般公式等内容都是世界数学史上的卓越成就。

传本《九章算术》有刘徽注和唐李淳风等的注释。刘徽 是我国古代杰出的数学家,他生活在三国时代的魏国。《隋书·律历志》论历代量制引商功章注,说“魏陈留王景元四年(263)刘徽注《九章》。”他的生平不 可详考。刘徽的《九章》注不仅在整理古代数学体系和完善古算理论方面取得了重要成就,而且提出了丰富多彩的创见和发明。刘徽在算术、代数、几何等方面都有 杰出的贡献。例如,他用比率理论建立了数与式的统一的理论基础,他应用了出入相补原理和极限方法解决了许多面积和体积问题,建立了独具风格的面积和体积理 论。他对《九章》中的许多结论给出了严格的证明,他的一些方法对后世有很大启发,即使对现今数学也有可借鉴之处。

刘徽之后,唐李淳风等对刘徽注本作了一些注释,创见性的东西较少。原来刘注意义十分明确的不再补注,盈不足、方程二章就没有李注。有刘、李注文的《九章算 术》,在宋代有北宋元车七年的刻本,南宋嘉定六年的刻本。清初,宋刻本都渐已散失。流传到今的只有上海图书馆保存的南宋残本(仅存前5章)。自清代戴震 (1724~1777)从《永乐大典》中辑录、校订《九章算术》后,便依次刊刻成微波榭本、《四库全书》本、武英殿聚珍本。后来又有依武英殿本排印的《丛 书集成初编》本以及依微波激本翻刻的屈曾发重刻本、《万有文库》本、《四部丛刊》本等诸多版本。

宋代杨辉于《详解九章算法》(1261)中选择(X章算术)80道典型问题作了详解,对刘、李注文也进行了一番解释。清代李潢(?~1812)嘉庆初年撰九章算术细草图说)9卷,其中有校勘、有补图、有详草,对刘、李注文也作了解释。

1963 年中华书局出版了钱宝琼(1892~1974)校点的《算经十书》,继戴震、李潢之后,钱宝琮对《九章》的样勘作出了突出贡献。1983年白尚恕《(九章 算术)注释》出版,特别是1990年郭书春著《汇校(九章算术)》的出版,使《九章》的校勘工作达到了一个新的水平。

附:刘徽《九章算术注》原序

昔在包牺氏始画八卦①,以通神明之德,以类万物之情,作九九之术②以合六爻之变。暨于黄帝神而化之,引而伸之,于是建历纪,协律吕,用稽道原,然后两仪四象③,精微之气可得而效焉。记称隶首作数④,其详未之闻也。按:周公制礼而有九数,九数之流,则《九章》是矣。

往者暴秦焚书,经术散坏。自时厥后,汉北平侯张苍、大司农中丞耿寿昌皆以善算命世。苍等用旧文之遗残,各称删补。故校其目则与古或异,而所论者多近语也。

徽幼习《九章》,长再详览。观阴阳之割裂,总算术之根源,探赜之暇,遂悟其意。是以敢竭顽鲁,采其所见,为之作注。事类相推,各有攸归,故枝条虽分而同本 干者,知发其一端而已。又所析理以辞,解体用图,庶亦约而能周,通而不黩,览之者思过半矣。且算在六艺,古者以宾兴贤能,教习国子。虽曰九数,其能穷纤入 微,探测无方。至于以法相传,亦犹规矩⑤度量可得而共,非特难为也。当今好之者寡,故世虽多通才达学,而未必能综于此耳。

周官大司徒职⑥,夏至日中立八尺之表,其影尺有五寸,谓之地中。说云,南戴日下万五千里⑦。夫云尔者,以术推之。按:《九章》立四表望远及因木望山之术, 皆端旁互见,无有超邈若斯之类。然则苍等为术犹未足以博尽群数也。徽寻九数有重差⑧之名,原其指趣乃所以施于此也。凡望极高、测绝深而兼知其远者,必用重 差勾股,则必以重差为率,故曰重差也。立两表于洛阳之城,令高八尺。南北各尽平地,同日度其正中之时,以影差为法,表高乘表间为实,实如法而一,所得加表 高,即日去地也。南表之影乘表间为实,实如法而一,即为从南表至南戴日下也。以南戴日下及日去地为勾、股,为之求弦,即日去人也。以径寸之筒南望日,日满 筒空,则定筒之长短以为股率,以筒径为勾率,日去人之数为大股,大股之勾即日径也。虽夫圆穹之象犹曰可度,又况泰山之高与江海之广哉。徽以为今之史籍且略 举天地之物,考论厥数,载之于志,以阐世术之美。辄造《重差》,并为注解,以究古人之意,缀于勾股之下。度高者重表⑨,测深者累矩⑩,孤高者三望 (11),离而又旁求者四望。触类而长之,则虽幽遐诡伏,靡所不入。博物君子,详而览焉。

注释:

① 八卦是《周易》中的8种基本图形,用“—”和“--”符号组成;“—”称为阳爻,“--”称为阴爻。八卦名称是:乾、坤、震、巽、坎、离、艮、兑。一卦含 有三爻,上下重复相叠排列起来,其数就有8(2^3=8)个,故称为八卦。《易传》作者认为八卦主要象征天、地、雷、风、水、火、山、泽8种自然现象,并 认为“乾”、“坤”两卦在“八卦”中占特别重要的地位,是自然和社会一切现象的根源。

②《丛书集成初编》本“术”字误作“数”,今依微波谢本改。“九九”是乘法口诀的称谓,这里“九九之术”是泛指数学方法。

③“两仪”指天地或阴阳,“四象”指春、夏、秋、冬四时,或谓指水、火、木、金,布于四方,或谓大阴、太阳、少阴、少阳,其说不一。《易·系辞》上说:“两仪生四象”,认为四时等变化是由阴阳两种力量相互作用而产生的。

④隶首是传说中的人物,相传他创造了数。宋李籍《九章算术音义》说:“《世本》曰:黄帝时,隶首作数”。

⑤“规、矩”即古代的圆规和直角曲尺。

⑥《周礼》也称为《周官》,其中“大司徒之职”条称“日至之影,尺有五寸,谓之地中”。其中“尺有五寸”是指标杆的影长。

⑦“南戴日下万五千里”是指从立标杆点往南相距一万五千里的地方就是太阳的正下面之处。“南戴日下”是指立标杆处之南太阳正下面的地点。

⑧重差是指一种间接测量方法,需要通过两次重复测量取得数据,计算时又要以测量数据的“差”为比率入算,一般称为重差术。

⑨“重表”是用表(标杆)测望两次的意思。

⑩“累矩”是指用矩(直角曲尺)测望两次的意思。

(11)“三望”是指测望三次。


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