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【长安万年】之一百九拾一:《周髀算经》和《九章算术》,“开方”和“负数”这些数学概念发明于汉都长安

 自然自觉自在 2020-10-14

科学的基础是数学。中国古代的“六艺”,即礼、乐、射、御、书、数。其中,“数”,就是指今天的数学。从春秋战国时期开始,数学已经纳入国家教育,是学生必须学习的内容之一。

到了西汉时期,汉武帝刘彻建立了太学,即当时的全国最高学府,是中国第一所公办大学。在这里,学生主要研习《五经》(儒家典籍《诗经》《尚书》《礼记》《周易》《春秋》的合称),但算术也被列为学校的必课程。

当时数学的教材是汉代两部著名的数学专著《周髀(bì)算经》和《九章算术》。这两本算术教科书,直至唐代,仍然被列入国子监算学馆学生必读的十大专业教科书书目之中,这可是相当有生命力的教材。如果今天您能看到您小学的数学教材还在使用,那必定是奇迹。

《周髀算经》,原名《周髀》,“周”是指日月星辰运行的圆形轨道,“髀”是指测量日影用的直尺状铜表。《周髀》本是一部阐明盖天说和四分历法的天文学著作,由于天文、历法要应用复杂的数学计算,因此,书中有大量的数学内容,由此改名《周髀算经》。

《周髀算经》,一直在发展变化之中,汇集了西汉及西汉以前的数学研究成果,是我国现存的最古老的数学著作,大约在西汉中晚期最终成书。书中深入浅出地阐述了天体的结构模式、运行规则与计算方法。

《周髀算经》在计算方法上,涉及到分数的乘除法、公分母的求法,分数的应用、等差级数演进次序以及勾股定理等方面,并且“首次”使用了开方,因而,被一位欧洲汉学家称为人类科学技术发展史上“一部完美好的数学记录”。

据说,在我国,勾股定理的发明者是西周时期的数学家商高,在国外,可以追溯到公元前3000年的古巴比伦人。《周髀算经》作为这一原理的实践应用者,卷首就谈到了三角形的性质,展示了勾股定理中勾平方加股平方等于弦平方的公式。

《九章算术》的最后正式成书年代在东汉初期,但西汉时期著名数学家张苍、耿寿昌等人对全书进行过增删,可以说,在这个时期,已经基本定稿。张苍不仅是数学家,还在汉文帝时任丞相、天文学家。耿寿昌则是汉宣帝时期的大司农中丞,天文学家。

《九章算术》全书共九章,共收集了246个数学问题的解法,其中记载了当时世界上最先进的分数四则和比例算法,还有各种面积、体积的算法和利用勾股定理进行测量的问题以及开平方、开立方的方法,对中国古代数的发展影响甚大。

在世界数学史上,《九章算数》第一次论述了负数的概念,提出了正负数加减法则。而在古印度大约到公元七世纪才认识负数,欧洲则直到公元17世纪才认识负数的重要性。

《九章算术》不仅内容丰富,应用性强,而且许多计算方法在当时都居于世界领先地位,充分体现了中华民族的聪明才智和辉煌成就,所以先后被译成多种文字。日本、朝鲜等国还曾将其作为数学教科书。

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