主要點

《章算術》定了中國古代數學的框架,以計算為中心的點,密切聯係實際,以解決人們生產、生中的數學問為目的的風格。其影響之深,以致以後中國數學著作大體兩種形:或為之作注,或仿其體著書;甚至算傳入中國之後,人們著書立說時還把包括算在內的數學識納入章的框架。然而,《章算術》亦有其不容忽視的缺點:沒有何數學概念的定義,也沒有給出何推導和明。魏景四年(263年),劉徽給《章算術》作注,大大彌補了這個缺陷。[2]

《章算術》

劉徽是中國數學家之一。他的生平之甚少。考,他是山東鄒平人。劉徽定義了若幹數學概念,全麵論了《章算術》的公解法,出了許多重要的想、方法和命,他在數學理論方麵成績斐然。

劉徽對數學概念的定義抽而嚴謹。他揭示了概念的本質,本符合現代邏輯學和數學對概念定義的要。而且他使用概念時亦持了其同一性。如他出凡數相與者謂之率,把率定義為數量的相互關係。又如他把正負數定義為兩算得失相反,要令正負以之,擺脫了正為餘,負為欠的原始觀念,從本質上揭示了正負數得失相反的相對關係。

《章算術》的算法盡抽,但相互關係不明顯,顯得零亂。劉徽大大發深化了中算中久已使用的率概念和齊同原理,把它們看作運算的綱紀。許多問,隻要找出其中的各種率關係,通過乘以散之,約以聚之,齊同以通之,都可以歸結為有術解。

一平麵(或立體)圖形經過平移或旋轉,其麵積(或體積)不變。把一個平麵(或立體)圖形分解成若幹部分,各部分麵積(或體積)之和與原圖形麵積(或體積)相等。於這兩條不言自明的前的出入相補原理,是中國古代數學進行幾何推演和明時最用的原理。劉徽發了出入相補原理,成功地明了許多麵積、體積以可以化為麵積、體積問的勾股、開方的公和算法的正性。

數學成就

《章算術》中的數學成就是多方麵的:

(1)、在算術方麵的主要成就有分數運算、比問和“盈不足”算法。《章算術》是上最早係統敘述了分數運算的著作,在第二、三、章中有許多比問,在上也是比較早的。“盈不足”的算法要給出兩假設,是一項創,中紀歐洲稱它為“雙設法”,有人認為它是由中國經中紀阿伯國家傳去的。

《章算術》中有比較的分數計算方法,包括四則運算,通分、約分、化帶分數為假分數(我國古代稱為通分內子,“內”讀為納)等等。其驟與方法大體與現代的雷同。

分數加減運算,《章算術》已明出通分,使兩分數的分母相同,然後進行加減。加法的驟是“母互乘子,以為實,母相乘為法,實如法而一”這裏“實”是分子。“法”是分母,“實如法而一”也就是用法去除實,進行除法運算,《章算術》還注意到兩點:其一是運算結如出現“不滿法者,以法命之”。就是分子小於分母時便以分數形留。其二是“其母同者,相從之”,就是分母相同的分數進行加減,運算時不必通分,使分子加減可。

《章算術》中還有最大公約數和約分的方法。最大公約數的方法稱為“相減損”法,其體驟是“可半者半之,不可半者,副置分母子之數,以少減多,相減損,其等也。以等數約之。”這裏所說的“等數”就是我們現在的最大公約數。可半者是分子分母都是偶數,可以折半的把它們折半,可約去2。不都是偶數了,則另外擺(副置)分子分母算籌進行計算,從大數中減去小數,輾轉相減,減到餘數和減數相等,得等數。

在《章算術》的第二、三、等章內,廣泛地使用了各種比解應用問。粟米章的開始就列舉了各種糧食間互換的比率如下:“粟米之法:粟率十,糲米三十,粺米二十,糳米二十四,……”這是說:穀子鬥去皮可得糙米三鬥,又可舂得折米二鬥升,或八拆米二鬥四升,……。如,粟米章第一:“有粟米一鬥,欲為糲米,問得幾何”。它的解法是:“以所有數乘所率為實,以所有率為法,實如法而一”。

《章算術》第章“盈不足”專講盈虧問其解法其中第一:“有(人)買物,()人出八(錢),盈(餘)三錢;人出(錢),不足四(錢),問人數、物價各幾何”,“答曰:人,物價53(錢)。”“盈不足術曰:置所出率,盈、不足各居其下。令維乘(錯相乘)所出率,以為實,盈,不足為法,實如法而一……置所出率,以少減多,餘,以約法、實。實為物價,法為人數”。盈不足術是中國數學史上解應用問的一種開生麵的創,它在我國古代算法中占有相當重要的地。盈不足術還經過絲綢之傳中亞阿伯國家,到重視,稱為“契丹算法”,後來又傳入歐洲,中紀時“雙設法”曾長統了他們的數學王國。

(2)、《章算術》總結了生產、生實踐中大量的幾何識,在方田、商功和勾股章中出了很多麵積、體積的計算公和勾股定理的應用。

《章算術》方田章主要論述平麵圖形線形和圓的麵積計算方法。《章算術》方田章第一“有田廣十,從(音縱zong)十。問為田幾何。”“答曰:一畝”。這裏“廣”就是寬,“從”縱,其長度,“方田術曰:廣從數相乘得積,(得積就是得到乘積的平方數)以畝法二四十(實質應為積)除之,畝數。畝為一頃。”當時稱長方形為方田或田。稱三角形為圭田,麵積公為“術曰:半廣以乘正從”。這裏廣是三角形的底邊,正從是底邊上的高,劉徽在注文中對這一計算公實質上作了明:“半廣者,以盈補虛,為田也。”“亦可以半正從以乘廣”(圖1-30)。盈是多餘,虛乃不足。“以盈補虛”就是以多餘部分填補不足的部分,這就是我國古代數學推導平麵圖形麵積公所用的傳統的“出入相補”的方法,由上圖“以盈補虛”變圭田為與之等積的田,於是得到了圭田的麵積計算公。

方田章第二十、二十八把角梯形稱為“邪田”(斜田)它的麵積公是:“術曰:兩邪(兩斜,應理解為梯形兩底)而半之,以乘正從……,又可半正從……以乘。”劉徽在注中說明他的法仍是“出入相補”法。在方田章第二十、三十把一般梯形稱為“箕田”,上、下底分稱為“舌”、“踵”,麵積公是:“術曰:踵舌而半之,以乘正從”。

至於圓麵積,在《章算術》方田章第三十一、三十二中,它的麵積計算公為:“半周半徑相乘得積”。這裏“周”是圓周長,“徑”是徑。這個圓麵積計算公是正的。隻是當時徑一周三(π≈3)。於是由此計算所得的圓麵積就不夠精密。

《章算術》商功章的都是一些有關體積計算的問。但是商功章沒有論述長方體或正方體的體積算法。看來《章算術》是在長方體或正方體體積計算公:V=abc的礎上來計算其他立體圖形體積的。

《章算術》商功章到城、垣、堤、溝、塹、渠,因其功用不同因而稱各異,其實質都是正截麵為等腰梯形的棱柱,他們的體積計算方法:“術曰:上、下廣而半之,以高若深乘之,又以袤乘之,積尺”。這裏上、下廣橫截麵的上、下底(a,b)高或深(h),袤是城垣……的長(l)。因此城、垣…的體積計算術公V=1/2(a+b)h.

劉徽在注釋中把對於平麵圖形的出入相補原理推廣應用到間圖形,成為“損廣補狹”以明幾何體體積公。

塹堵

劉徽還用棋驗法來推導比較複雜的幾何體體積計算公。所謂棋驗法,“棋”是某些幾何體模型用幾何體模型驗的方法,如長方體本身就是“棋”[圖1-32(1)]斜解一個長方體,得兩個兩底麵為角三角形的三棱柱,我國古代稱為“塹堵”(如圖),所以塹堵的體積是長方體體積的二分之一。

《章算術》商功章還有圓錐、圓台(古代稱“圓亭”)的體積計算公。甚至對三個側麵是等腰梯形,其他兩麵為勾股形的麵體[圖1-33(1)],上、下底為矩形的擬