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

正如已故中國科學(xué)院院士、著名數(shù)學(xué)家吳文俊先生（1919-2017）所言：“《九章算術(shù)》及其劉徽注，對數(shù)學(xué)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?！?/span>

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

算籌與準(zhǔn)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(shù)》總結(jié)了先秦以來的數(shù)學(xué)成就，其記載的最重要一項數(shù)學(xué)成就是算籌的準(zhǔn)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(xué)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(xué)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?dāng)?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(xué)者藍麗蓉（Lam Lay Yong）甚至提出印度-阿拉伯?dāng)?shù)字乃起源于中國算籌的說法。2016 年，中國科學(xué)院自然科學(xué)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(xué)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(xué)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(shù)”（即運用算籌的算法），例如《九章筭術(shù)》。

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(zhǔn)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：

表示 203

而不可能是 23（）?！毒耪滤阈g(shù)》卷八方程涉及到正負術(shù)，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(shù)》中的術(shù)

《九章算術(shù)》分成九卷，包含 246 個數(shù)學(xué)問題。一直以來，學(xué)界有一種誤解認為該書是一本應(yīng)用問題集。其實，246 個問題對應(yīng)的算法（即術(shù)）僅有約 100 個，經(jīng)常出現(xiàn)多個問題對應(yīng)一個算法的情況。因此，數(shù)學(xué)史家郭書春指出該書是采取“術(shù)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(xué)原理。對此，數(shù)學(xué)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?dāng)?shù)學(xué)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(gòu)造性和機械化的特點。所謂構(gòu)造性，與現(xiàn)代存在性數(shù)學(xué)相對應(yīng)，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(xué)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(xué)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(shù)》為代表的中國古代數(shù)學(xué)是以算法為中心的數(shù)學(xué)。

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

《九章算術(shù)》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(zhǔn)確的。

卷二粟米給出了各種谷物的換算，其中提出“今有術(shù)”，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(xué)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(chǔ)。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(guān)于稅收的比例分配問題。

卷七盈不足是通過兩次假設(shè)求解問題的算法，該算法在西方被稱作“雙假設(shè)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(shù)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(shù)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(xué)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(shù)》

《九章算術(shù)》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(dāng)作中國數(shù)學(xué)不如以《幾何原本》為代表的古希臘數(shù)學(xué)的證據(jù)?，F(xiàn)代數(shù)學(xué)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(xué)以外的數(shù)學(xué)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(xué)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(xué)實踐中也沒有證明。

其三，林力娜等學(xué)者認為不應(yīng)以古希臘的數(shù)學(xué)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(shù)》，對大部分術(shù)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(jié)為“出入相補原理”。

《九章算術(shù)》的影響與歷史地位

《九章算術(shù)》在唐宋均作為國子監(jiān)算學(xué)館的教科書。劉徽之后，唐李淳風(fēng)、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(shù)》的路線發(fā)展中國古代數(shù)學(xué)，并使其在宋元時代達到一個高峰。明清時期，中國數(shù)學(xué)發(fā)展的主流改變，但《九章算術(shù)》的整體框架并未改變。日本數(shù)學(xué)則在中國宋元數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)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(xué)史研究以來，《九章算術(shù)》及其后世的注解就作為中國數(shù)學(xué)成就的標(biāo)志性著作，但他們主要關(guān)注其中與現(xiàn)代數(shù)學(xué)可以相通之處。其實，《九章算術(shù)》中那些獨特算法同樣是中國數(shù)學(xué)的偉大成就。兩者共同說明了中國數(shù)學(xué)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(xué)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(xué)機械化的構(gòu)想，這是中國古代數(shù)學(xué)“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(xué)技術(shù)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(xué)技術(shù)史博士，中山大學(xué)哲學(xué)系教授、博士生導(dǎo)師，邏輯與認知研究所專職研究員

策劃丨林林

責(zé)編丨林林 鐘艷平

審校丨徐來

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