中国古代数学

第三讲中国古代数学概述石器时代（4000BC）—仰韶文化·西安半坡遗址陶器上的刻划符号—文字的起源人面陶盆中的几何图案几何图案—对称三角形数？夏商周：青铜时代—1600BC数字符号的形成甲骨文金文甲骨文中的数字符号伏羲执矩，女娲执规：数学崇拜？东汉画像石（山东武梁祠）“算术”乃社稷民生之大用！昔者周公问于商高曰：窃闻乎大夫善数也。请问古者包牺立周天历度，夫天不可阶而升，地不可得尺寸而度。请问数安从出？商高曰：数之法出于圆方。圆出于方，方出于矩，矩出于九九八十一。故折矩以为句广三，股修四，径隅五。既方之，外半其一矩，环而共盘，得成三四五。两矩共长二十有五，是谓积矩。故禹之所以治天下者，此数之所生也。周公曰：大哉言数。……---《周髀算经》春秋战国：400BC“九九口诀”—齐恒公招贤纳士《墨经》：圜，一中同长也；平，同高也;《庄子》：“一尺之棰”《考工记》：分数算法秦汉：221BC-220AD初等数学体系的形成《算数书》《周髀算经》《九章算术》魏晋南北朝：220-588AD初等数学理论的发展刘徽：《九章算术注》（264AD）祖冲之：3.1415926π3.1415927刘徽（造像）祖冲之（造像）隋唐:589-960AD国家数学教育国子监:明算科李淳风:编纂“十部算经”周髀算经、九章算术、海岛算经缀术(唐朝佚）数术记遗（南宋补）孙子算经、张丘建算经、夏侯阳算经五曹算经、五经算术缉古算经宋元：960-1368AD中国古代数学的辉煌时代秦九韶：《数书九章》1247杨辉：《杨辉算法》1275李冶：《测圆海镜》1248朱世杰：《四元玉鉴》1303明代：1368-1644AD吴敬：《九章算法比类大全》1450商业数学—珠算程大位：《算法统宗》1592西方数学的第一次传入1607徐光启、利玛窦合译《几何原本》1609李之藻、利玛窦合译《同文算指》徐光启与利玛窦清代：1665-1910AD中国古典数学渐次衰微乾嘉时期《数理精蕴》100卷梅文鼎年希尧、明安图、汪莱、李锐、戴煦西方数学的再次传入《几何原本》1857,李善兰，伟烈亚利又译《代数术》《代微积拾级》《代数术》《微积溯源》《三角数理》1874,华蘅芳，傅兰雅《决疑数学》1876,华蘅芳，傅兰雅《形学备旨》1884,刘永锡、狄考文《代数备旨》1891，邹立文、狄考文《八线备旨》1893,谢洪赉、潘慎文近代数学在中国的兴起1912北京大学数学系-中国第一个大学数学系：冯祖荀（日本京都帝国大学）1920清华大学“算学系”：郑之蕃（美国康奈尔大学）1920南开大学数学系：姜立夫（哈佛大学）……1928上海交通大学数学系1935中国数学会—上海交大图书馆成立大会一算筹与筹算1数字的起源从“数”谈起數数《易·系辞传》：“上古结绳而治，后世圣人易之以书契”郑玄（东汉）：“事大，大结其绳；事小，小结其绳。结之多少，随物众寡。(左)基普（quipu）南美印加（Inca）部落用来记事的结绳，秘鲁利马Larco博物馆馆藏。(右)“基普”上的绳结，上面一结5道，表示500；中间的结8道，表示80；下面的结为6道，表示6。这样就表示了586。甲骨文数字：十进位位值制的萌芽1983年陕西旬阳出土的西汉象牙算筹10进位位值制记数法纵式筹码横式筹码记数规则“凡算之法，先识其位。一纵十横，百立千僵；千十相望，万百相当”（《孙子算经》）“满六以上，五在上方，六不积算，五不单张”（《夏侯阳算经》）例如：752836用空位符号“□”表示零，后演变为“○”。最初筹码中没有“零”的符号，先是用空位表示，后来为了避免运算过程中出错，借用古书缺字符号“□”，而“□”的书写很自然的演化为○，这一记号在宋元算书的演算中广泛使用。意义“用十个记号来表示一切的数，每个记号不但有绝对的值，而且有位置的值，这种巧妙的方法出自印度。这是一个深远而又重要的思想，它今天看来如此简单，以致我们忽视了它的真正伟绩。但恰恰是它的简单性以及对一切计算都提供了极大的方便，才使我们的算术在一切有用的发明中列在首位；而当我们想到它竟逃过了古代最伟大的两位人物阿基米德和阿波罗尼斯的天才思想的关注时，我们更感到这成就的伟大了。”——拉普拉斯2筹算“运筹于帷幄之中，决胜于千里之外”“筹”——筹策，小竹棍；“算筹”（countingrods）——用于计算的小竹棍，算器记数规则：纵式筹码，横式筹码空位：□〇0敦煌纸卷中的“九九表”（AD900）三《九章算术》与刘徽琢磨推敲细思量，说方道圆话短长。若把《原本》比《算术》，此中翘楚是《九章》。——严敦杰1《九章算术》成书年代“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。苍等因旧文之遗残，各称删补。故校其目与古或异，所论者多近语也。”——刘徽：《九章算术注》张苍，北平侯，250—152BC，秦汉两朝官员耿寿昌，大司农，73BC，由此推测《九章算术》初成于秦，修订于汉。方田与田亩丈量有关的面积、分数问题；粟米以谷物交换为例的各类比例问题；衰分按比例分配和等差数列问题；少广由田亩计算引出的分数、开方问题；商功与土方工程有关的体积问题；均输与摊派劳役和税收有关的比例问题；盈不足由两次假设求解复杂算术问题的特殊算法；“方程”一次线性方程组问题；勾股勾股定理及其应用。2注释者刘徽，魏晋间人，263AD年注释《九章算术》“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。”——刘徽：《九章算术注》祖冲之，祖暅:南北朝，圆周率，球体体积公式李淳风：唐朝，“十部算经”国子监教科书杨辉：南宋，《详解九章算法》吴敬：明，《九章算法比类大全》李潢：清，《九章算术细草图说》现代：钱宝琮校点《算经十书》白尚恕《〈九章算术〉注释》《〈九章算术〉今译》李继闵《〈九章算术〉与刘徽注研究》《〈九章算术〉校证》《〈九章算术〉导读与译注》郭书春：汇校《九章算术》沈康身：《〈九章算术〉导读》3《九章算术》在国外英国李约瑟（JosephNeedham）ScienceandCivilizationinChina(1959)俄国尤什凯维奇，《中国学者在数学领域中的成就》（1955）别列兹金娜，《九章算术》俄文译本（1957）德国伍哥尔，《九章算术》德文译本（1968）载入《东方世界自然科学经典丛书》（慕尼黑，1968）丹麦瓦格那，《〈九章算术〉中最有趣的问题》（英文，1978）日本川原秀城《九章算术》日文译本（1980）法国林力娜，《九章算术》法文译本（2005）捷克胡吉瑞，《九章算术》捷克文译本沈康身（杭州大学）JohnN.Crossley&AnthonyLun(MonashUniversity,Australia)TheNineChaptersontheMathematicalArt（Companion&commentary）四中算家怎样认识实数系实数系：自然数—分数—有理数—无理数—负数中算家认识实数系的四个重要标志：十进位位值制分数--有理数不尽方根--无理数负数分数何为“分数”？“分”——从八从刀，以刀分别物（《说文·八部》）《九章算术》：实如法而一。不满法者，以法命之。释意：被除数除以除数。如果不能除尽，便定义为分数。分数算法合分术（加法）：母互乘子，并以为实；母相乘为法，实如法而一。减分术（减法）：母互乘子，以少减多，余为实；母相乘为法，实如法而一。乘分术（乘分）：母相乘为法，子相乘为实，实如法而一。经分术（除法）：重有分者，同而通之。（法分母乘实，实分母乘法）约分术：可半者半之。不可半者，副置分母、子之数，以少减多，更相减损，求其等也。以等数约之。评述1.巴比伦：60进位的分数2.埃及：单位分数3.阿拉伯：主分数，单位分数——都未能给出行之有效的分数算法中算分数算法的特点.1.除法运算定义分数2.分数概念的两重性运算结果：独立的数；运算过程：母与子3.基本性质分子、分母同乘不为零的数，其值不变。4.通分——“齐同术”母互乘子谓之齐，母相乘谓之同筹算开方开方术曰：置积为实。借一算，步之，超一等。议所得，以一乘所借一算为法，而以除。除已，倍法为定法。其复除，折法而下。复置借算，步之如初，以复议一乘之。所得副，以加定法，以除。以所得副从定法。复除，折下如前。若开之不尽者，为不可开，当以面命之。若实有分者，通分纳子为定实，乃开之。讫，开其母，报除。若母不可开者，有以母乘定实，乃开之。讫，令如母而一。—《九章算术》少广章置积（55225）为实。借一算，步之，超一等。议所得，以一乘所借一算为法，而以除，除已，倍法为定法。其复除，折法而下。复置借算步之如初，以复议一乘之。所得副，以加定法，以除。以所得副从定法。复除折下如前。商实法副借算20015225212301522543031235232546551例子：计算55225的平方根若开之不尽者为不可开，当以面命之。若实有分者，通分内子为定实。乃开之，讫，开其母报除。若母不可开者，又以母乘定实，乃开之，讫，令如母而一。面积为五的正方形：方五之面实有分者，通分内子为定实，乃开之，讫，开其母报除：若母不可开者，又以母乘定实，乃开之，讫，令如母而一namnamm()amnmnamm刘徽的贡献——求其微数不以面命之，加定法如前，求其微数。微数无名者以为分子，其一退以十为母，其再退以百为母。退之弥下，其分弥细。则朱幂虽有所弃之数，不足言之也。（1）十进分数（2）极限概念（3）以有理数逼近无理数1221010aaAa无理数希腊：√A≠n/m——认识了“不可比”数中国：√A=a.a1a2a3——认识了“不可开”数负数是怎样进入数学的？盈余与不足、收入与支出、增加与减少是负数概念在生活中的实例，教科书在向学生讲授负数是也多循此途。这就产生一种误解：似乎人类正是从这种具有相反意义的量的认识而引进了负数的。问题：那个文明最早使用负数？历史事实表明：负数最早为中算家所引进，这是由中国古代传统数学高度发达算法和筹算机械化的特点所决定的。《九章算术》的“方程术”“方程”章第3问：今有上禾二秉、中禾三秉、下禾四秉，实皆不满斗，上取中、中取下、下取上各一秉而实满斗。问上、中、下禾实一秉各几何。上禾10220中禾0310-1（“正无入负之”）下禾41088实11121（3）（2）（1）2×（3）2（3）-（1）今有上禾五秉，损实一斗一升，当下禾七秉；上禾七秉，损实二斗五升，当下禾五秉。问上、下禾实一秉各几何？《九章算术》给出的算法是：上禾五秉正，下禾七秉负，损实一斗一升正；上禾七秉正，下禾五秉负，损实二斗五升正。摆在筹算板上就是：上禾75下禾-5-7实2511这样就必须以“负数”给出区别。方程章第4问“同名相除，异名相益，正无入负之，负无入正之。其异名相除，同名相益，正无入正之，负无入负之。”----《九章算术》这里的“同名”、“异名”即同号、异号；“相益”、“相除”指二数绝对值相加、相减。若设ab0，则上述正负术相当于减法法则（前四句）：(±a)－（±b）=±（a－b）,(±b)－（±a）=（a－b）(±a)－（b）=±（a＋b）；0－a=－a;0－(－a)=a.加法法则（后四句）：(±a)＋（b）=±（a—b），(±b)+（a）=（a—b）；(±a)＋（±b）=±（a＋b）；0＋a=a;0＋（—a）=—a.刘徽《九章算术》注“今两算得失相反，要令正负以名之。正算赤，负算黑，否则以斜正为异。方程自有赤黑相取，左右数相推求之术。而其并减之势不得广通，故使赤黑相消夺之。……故赤黑相杂足以定上下之程，减益虽殊足以通左右之数，差实虽分足以应同异之率。然则其正无入负之，负无入正之，其率不妄也。”负数运算法则减法：同名相除，异名相益；正无入负之，负无入正之。加法：异名相除，同名相益；正无入正之，负无入负之。若ab0±a-(±b)=±(a-b)，（同名相除）