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中國古代數(shù)學源遠流長，成書于漢代的《九章算術》歷來被稱作“算經(jīng)之首”，是其中最重要的一部數(shù)學著作。

正如已故中國科學院院士、著名數(shù)學家吳文俊先生（1919-2017）所言：“《九章算術》及其劉徽注，對數(shù)學發(fā)展在歷史上的崇高地位，足可與古希臘歐幾里得《幾何原本》東西輝映，各具特色。”

那么，《九章算術》究竟有哪些數(shù)學成就，又為何在數(shù)學史上有如此高的地位，今天一起來看看。

算籌與準十進制位值制記數(shù)法

數(shù)字的表達是人類理解世界的重要方式。成書于漢代的《九章算術》總結了先秦以來的數(shù)學成就，其記載的最重要一項數(shù)學成就是算籌的準十進制位值制記數(shù)法。

所謂十進制（decimal system），就是從 1 開始記數(shù)，到 10 就換一個記數(shù)方式；所謂位值制（place-value system），就是同樣一個數(shù)字放在不同位置，就具有不同的數(shù)量含義。古埃及數(shù)學采用的是十進制記數(shù)法，但并非位值制（實是壘數(shù)制）；古巴比倫數(shù)學采用的位值制記數(shù)法，但其使用的是 60 進制?，F(xiàn)代同行的印度-阿拉伯數(shù)字是十進制位置值，而從文獻的記載來看，晚于中國算籌記數(shù)。因此，新加坡學者藍麗蓉（Lam Lay Yong）甚至提出印度-阿拉伯數(shù)字乃起源于中國算籌的說法。2016 年，中國科學院自然科學史研究所編《中國古代重要科技發(fā)明與創(chuàng)造》明確將這一成就列入其中。

算籌在中國行用長達約 2000 年，是在 16 世紀被算盤取代前中國人長久以來使用的數(shù)學工具，也是日本、朝鮮、越南、琉球等漢字文化圈國家長久使用的數(shù)學工具。其材質(zhì)一般用竹（也偶有象牙、骨、鉛、銀），漢代約長 12 厘米。近代以來多有算籌出土，1983 年 11 月在陜西省旬陽地區(qū)漢墓出土了 28 根象牙算籌。日本也藏有算籌。在古語中“筭”與“算”不同。前者的意思是擺弄竹子，即算籌；后者是裝算籌的器物，引申為計算。因此在古書中普遍寫作“筭術”（即運用算籌的算法），例如《九章筭術》。

算籌記數(shù)分為縱橫兩式，其個、百、萬等位上用縱式，其十、千、百萬等位上用橫式。如 12345，就擺放成

由于其十位上的 1 和個位上的 1 擺放不同，故筆者稱之為“準位值制”。這恰恰體現(xiàn)了算籌記數(shù)的特點和優(yōu)勢，由于遇 0 是作空位處理，故這一縱橫不同可以最大限度凸顯空位，如：

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而不可能是 23（）?！毒耪滤阈g》卷八方程涉及到正負術，以算籌的顏色和擺放亦可區(qū)分正負。

以算法為中心

《九章算術》中的術

《九章算術》分成九卷，包含 246 個數(shù)學問題。一直以來，學界有一種誤解認為該書是一本應用問題集。其實，246 個問題對應的算法（即術）僅有約 100 個，經(jīng)常出現(xiàn)多個問題對應一個算法的情況。因此，數(shù)學史家郭書春指出該書是采取“術文統(tǒng)率例題”的形式。

又有一種誤解認為，該書是一本算法操作手冊，運籌者無須理解其中的數(shù)學原理。對此，數(shù)學史家李繼閔指出算法實施的過程中蘊含著算理（即“寓理于算”），故不懂數(shù)學原理實際無法計算。

吳文俊先生高屋建瓴地指出中國古代的算法具有構造性和機械化的特點。所謂構造性，與現(xiàn)代存在性數(shù)學相對應，指其算法往往給出求解路徑，而機械化則就其籌算過程而言。法國學者林力娜（Karine Chemla）通過大量細致地文獻分析，指出該書及其劉徽注的數(shù)學問題、圖和棊等幾何工具以及算籌的實施，實際都是展現(xiàn)算法的工具，從而有力地證明了以《九章算術》為代表的中國古代數(shù)學是以算法為中心的數(shù)學。

從世界數(shù)學史的角度看，除了古希臘數(shù)學以外的其他數(shù)學文明都具有算法傾向，丹麥數(shù)學史家休儒（Jens H?yrup）則進一步認為中國數(shù)學是所有文明中最重視算法的。學界以往多認為《九章算術》具有實用性和社會性的特點，其實這一特點其他數(shù)學文明也均具備，唯有對算法的高度重視是中國古代數(shù)學獨特的，就此而言《九章算術》可視作一本理論數(shù)學著作。

《九章算術》卷一方田給出了籌算分數(shù)的計算法則和各種田面積的計算公式，其中有圓面積公式“半周乘半徑得積步”（即），這一公式巧妙地回避了圓周率，故是完全準確的。

卷二粟米給出了各種谷物的換算，其中提出“今有術”，即已知三個數(shù)求成比率的第四個數(shù)，這一算法在西方被稱作“三率法”。

卷三衰分是講各種物品的比例分配問題。

卷四少廣涉及到對土地的丈量和劃分，其中給出了用算籌開平方和開立方算法，這一方法在宋代發(fā)展成普遍地求任意一元高次方程數(shù)值解的算法，與現(xiàn)代數(shù)學中的牛頓法類似。

卷五商功是工程問題，涉及各種幾何體的體積計算問題，其中提出三種基本幾何體（即立方、塹堵和陽馬）以作為求解任意幾何體體積的基礎。所謂立方，就是正立方體；所謂塹堵，就是底面為等邊直角三角形的三棱錐，兩塹堵合成一立方；所謂陽馬，就是底面為正方形，一棱與底垂直的四棱錐，三陽馬合成一立方。

卷六均輸是關于稅收的比例分配問題。

卷七盈不足是通過兩次假設求解問題的算法，該算法在西方被稱作“雙假設法”。又由于該法可以把任何問題都理解成線性問題，進而求出解答，故也稱為萬能算法。

卷八方程是求解多元一次線性方程組的完整算法，其中給出了涉及該問題時必須用到的正負術法則。例如第一問：

今有上禾三秉，中禾二秉，下禾一秉，實三十九斗；上禾二秉，中禾三秉，下禾一秉，實三十四斗；上禾一秉，中禾二秉，下禾三秉，實二十六斗。問：上、中、下禾實一秉各幾何。荅曰：上禾一秉九斗四分斗之一，中禾一秉四斗四分斗之一，下禾一秉二斗四分斗之三。

按術列出如下方程，其求解過程類似亦類似現(xiàn)代的矩陣方程解法。清末現(xiàn)代數(shù)學傳入中國以后，李善蘭借用古語“方程”翻譯 equation，實際是改變了方程的原意。

卷九勾股是講平面圖形的面積計算問題，其中給出了勾股定理及其各種變化形式。

給出算法正確性的論證

劉徽注《九章算術》

《九章算術》文本中只給出算法，而沒有其正確性的證明，這一點在以往是被當作中國數(shù)學不如以《幾何原本》為代表的古希臘數(shù)學的證據(jù)?，F(xiàn)代數(shù)學史研究表明這一觀點是完全站不住腳的。

其一，除了古希臘數(shù)學以外的數(shù)學文明，往往都只給出算法而沒有證明。故吳文俊先生認為數(shù)學史是算法傾向與演繹傾向兩大主題此消彼長形成的。

其二，文本中有沒有證明實際是取決于文本的性質(zhì)和所產(chǎn)生的語境，換言之文本中沒有證明不代表數(shù)學實踐中也沒有證明。

其三，林力娜等學者認為不應以古希臘的數(shù)學證明作為證明的唯一形態(tài)，在其他文明中也有不同形態(tài)的證明。第二第三點恰巧從劉徽注中可以獲得驗證。

魏景元四年（ 263 ），劉徽注解了《九章算術》，對大部分術文都給出其算法正確性的論證。尤其是，在卷一對圓面積公式的證明、卷四對球體積公式的注解、卷五對陽馬體積的證明中用到極限逼近的推理方法，展現(xiàn)了極高的邏輯推理能力。在卷四求解球體積公式的過程中，劉徽發(fā)明出牟合方蓋，但卻無法求出其體積，故“以俟能言者”。這一問題最終被祖沖之父子解決。劉徽對幾何問題的證明需用到圖（平面問題）和棊（立體問題），其推理原理被吳文俊總結為“出入相補原理”。

《九章算術》的影響與歷史地位

《九章算術》在唐宋均作為國子監(jiān)算學館的教科書。劉徽之后，唐李淳風、北宋賈憲、劉益、蔣周、南宋秦九韶、楊輝、金李冶、元朱世杰等均沿著《九章算術》的路線發(fā)展中國古代數(shù)學，并使其在宋元時代達到一個高峰。明清時期，中國數(shù)學發(fā)展的主流改變，但《九章算術》的整體框架并未改變。日本數(shù)學則在中國宋元數(shù)學的基礎上發(fā)展出和算，在 19 世紀時可以處理面積求和等微積分初等問題。

自李儼（1892-1963）、錢寶琮（1892-1974）先生開創(chuàng)中國數(shù)學史研究以來，《九章算術》及其后世的注解就作為中國數(shù)學成就的標志性著作，但他們主要關注其中與現(xiàn)代數(shù)學可以相通之處。其實，《九章算術》中那些獨特算法同樣是中國數(shù)學的偉大成就。兩者共同說明了中國數(shù)學歷史道路的獨特性和其歷史經(jīng)驗的有效性。

吳文俊先生把中國古代數(shù)學的算法理解成計算機的軟件、把算籌、算盤等工具理解成計算機的硬件，從而創(chuàng)造性地提出數(shù)學機械化的構想，這是中國古代數(shù)學“古為今用”的典范案例。

策劃制作

本片為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品

出品丨中國科協(xié)科普部監(jiān)制丨中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

作者丨朱一文 科學技術史博士，中山大學哲學系教授、博士生導師，邏輯與認知研究所專職研究員

策劃丨林林

責編丨林林 鐘艷平

審校丨徐來

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