各方面内容,形成了一个较完备的体系,可用作教材,它确实是一部较好的启蒙数学书.
在全书之首,朱世杰首先给出了18条常用的数学歌诀和各种常用的数学常数.其中包括:乘法九九歌诀、除法
九归歌诀(与后来的珠算归除口诀完全相同)、斤两化零歌诀(“一退六二五”之类)、筹算记数法则、大小数名称、度量衡换算、面积单位、正负数的四则运算法则、开方法等等.值得指出的是,朱世杰在这里,也是在中国数学史上首次记述了正负数的乘除运算法则.朱世杰把上述这些歌诀和数学常数等,作为“总括”而列在全书之首,这种写作的方式,在中国古算书中并不多见.
《算学启蒙》正文分上、中、下三卷.
卷上:共分为8门,收有数学问题113个,其内容为:乘数为一位数的乘法、乘数首位数为一的乘法、多位数乘
法、首位除数为一的除法、多位除数的除法、各种比例问题(包括计算利息、税收等等).
其中“库司解税门”第7问题记有“今有税务法则三十贯纳税一贯”,同门第10、11两问中均载有“两务税”
等,都是当时实际施行的税制.朱世杰在书中的自注中也常写有“而今有之”、“而今市舶司有之”等等,可见书中的各种数据大都来自当时的社会实际.因此,书中提到的物价(包括地价)、水稻单位面积产量等,对了解元代社会的经济情况也是有用的.
卷中:共7门,71问.内容有各种田亩面积、仓窖容积、工程土方、复杂的比例计算等等.
卷下:共5门,75问.内容包括各种分数计算、垛和问题、盈不足算法、一次方程解法、天元术等等.
这样,《算学启蒙》全书从简单的四则运算入手,一直讲述到当时数学的重要成就——天元术(高次方程的数值解法),为阅读《四元玉鉴》作了必要的准备,给出了各种预备知识.清代罗士琳说《算学启蒙》“似浅实深”,又说《算学启蒙》、《四元玉鉴》二书“相为表里”,这些话都是不错的.
《算学启蒙》出版后不久即流传至朝鲜和日本.在朝鲜的李朝时期,《算学启蒙》和《详明算法》、《杨辉算法》一道被作为李朝选仕(算官)的基本书籍.在日本收藏有一部首尾残缺、未注明年代的《算学启蒙》,与此书一起,同时也藏有一部宣德八年(即李朝世宗十五年,1433)朝鲜庆州府刻版的《杨辉算法》.从版刻形式等方面来辨识,两部书是相同的,从而有人推断这部《算学启蒙》也是1433年朝鲜庆州府刻本.这可能要算是当今世界上最早的传世刻本.在《李朝实录》中也记有世宗本人曾向当时的副提学郑麟趾学习《算学启蒙》的史料.《算学启蒙》传入日本的时间也已不可考,是久田玄哲在京都的一个寺院中发现了这部书,之后他的学生土师
道云进行了翻刻(日本万治元年,1658,京都).宽文12年(1672)又在江户(今东京)出版了星野实宣注解的《新编算学启蒙注解》3卷,元禄三年(1690)还出版了著名的和算家建部贤弘注释的《算学启蒙谚解大成》7卷.《算学启蒙》对日本和算的发展有较大的影响.
《算学启蒙》一书在朝鲜和日本虽屡有翻刻,但明末以来,在中国国内却失传了.清末道光年间罗士琳重新翻刻《四元玉鉴》时,《算学启蒙》尚无着落.后来罗士琳“闻朝鲜以是书为算科取士”,请人在北京找到顺治十七
年(1660)朝鲜全州府尹金始振所刻的翻刻本,1839年在扬州重新刊印出版.这个本子,后来成为中国现存各种版本的母本.清代对《算学启蒙》进行注释的有王鉴所著《算学启蒙述义》(1884)和徐凤诰所著《算学启蒙通释》(1887).
2.《四元玉鉴》
与《算学启蒙》相比,《四元玉鉴》则可以说是朱世杰阐述自己多年研究成果的一部力著.全书共分3卷,24
门,288问.书中所有问题都与求解方程或求解方程组有关,其中四元的问题(需设立四个未知数者)有7问(“四象朝元”6问,“假令四草”1问);三元者13问(“三才变通”11问,“或问歌彖”和“假令四草”各1问);二元者36问(“两仪合辙”12问,“左右逢元”21问,“或问歌彖”2问,“假令四草”1问);一元者232问(其余各问皆为一元).可见,四元术——多元高次方程组的解法是《四元玉鉴》的主要内容,也是全书的主要成就.
《四元玉鉴》中的另一项突出的成就是关于高阶等差级数的求和问题.在此基础上,朱世杰还进一步解决了高
次差的招差法问题.
四元玉鉴》一书的流传和《算学启蒙》一样,也曾几经波折.这部1303年初版的著作,在15和16两个世纪都
还可以找到它流传的线索.吴敬所著《九章算法比类大全》(1450)中的一些算题,和《四元玉鉴》中的算题完全相同或部分相同.顾应祥在其所著《孤矢算术》序言(1552)中写道:“孤矢一术,古今算法载者绝少,……《四元玉鉴》所载数条。”周述学所著《神道大编历宗算会》卷三之首曾引用了《四元玉鉴》书首的各种图式,书中有些算题也与《四元玉鉴》相同,卷十四作为“算会圣贤”列有“松庭《四元玉鉴》”.可见顾周二人都曾读到过《四元玉鉴》.清初黄虞稷(1618—1683)《千顷堂书目》记有“《四元玉鉴》二卷”,卷数不符.梅瑴成《赤水遗珍》(1761)中曾引用过《四元玉鉴》中的两个题目,可见清初时此书尚未失传.
乾隆三十七年(1772)开《四库全书》馆时,虽然挖掘出不少古代数学典籍,但朱世杰的著作并未被收入.阮元
、李锐等人编纂《畴人传》时(1799)也尚未发现《四元玉鉴》.但不久之后阮元即在浙江访得此书,呈入《四库全书》,并把抄本交李锐校算(未校完),后由何元锡按此抄本刻印.这是1303年《四元玉鉴》初版以来的第一个重刻本.《四元玉鉴》被重新“发现”之后,引起了当时许多学者的注意,如李锐(1768-1817)、沈钦裴(1829年写有《四元玉鉴》序)、徐有壬(1800—1860)、罗士琳(1789—1853)、戴煦(1805-1860)等人,都进行过研究.其中,以沈钦裴和罗士琳二人的工作最为突出.
1839年罗士琳经多年研究之后,出版了他所著的《四元玉鉴细草》一书,影响广泛.罗氏对《四元玉鉴》进行
了校改并对书中每一问题都作了细草.但是他对此书关键问题(四元消法和级数求和)的理解,尚有需进一步研究者.与罗士琳同时,沈钦裴也对《四元玉鉴》作了精心的研究,每题也作了细草,经对比,沈氏《细草》比罗氏《细草》要更符合朱世杰原意.沈氏《细草》仅有两种抄本传世(其中一种是全本),现均收藏于北京图书馆.
清代数学家李善兰曾著有《四元解》(1845),但此书是作者以己意解四元方程组,对了解朱世杰原意帮助不大
.其后陈棠著《四元消法简易草》(1899),卷末附有“假令四草”的“补正草”,对理解朱世杰四元术是有帮助的.日本数学史家三上义夫在其所著《中国及日本数学之发展》(ThedevelopmentofmathematicsinChinaandJapan,1913)一书中将《四元玉鉴》介绍至国外.其后康南兹(E.L.Konantz)和赫师慎(L.VanHeé分别把《四元玉鉴》中的“假令四草”译为英法两种文字.1977年华裔新西兰人谢元祚(J.Hoe)将《四元玉鉴》全文译成法文,并写了关于《四元玉鉴》的论文.
朱世杰的数学成就可简述如下:
1.四元术
四元术是在天元术基础上逐渐发展而成的.天元术是一元高次方程列方程的方法.天元术开头处总要有“立天
元一为××”之类的话,这相当于现代初等代数学中的“设未知数x为××”.四元术是多元高次方程列方程和解
方程的方法,未知数最多时可至四个.四元术开头处总要有“立天元一为××,地元一为○○,入元一为△△,物元一为**”,即相当于现代的“设x,y,z,为××,○○,△△,**”.天元术是用一个竖列的筹式依次表示未知数(x)的各次幂的系数的,而四元术则是天元术的推广.按莫若为《四元玉鉴》所写的序言所记述,四元式则是“其法以元气居中,立天元一于下,地元一于左,人元一于右,物元一于上,阴阳升降,进退左右,互通变化,错综无穷”,此即在中间摆入常数项(元气居中),常数项下依次列入x各次幂的系数。左边列y,y2,y3,…各项系数,右边为z,z2,z3,…各项系数,上边为u,u2,u3,…各项系数,而把xy,yz,zu,…,x2y,y2z,z2u,…各项系数依次置入相应位置中(如图1).例如:x+y+z+u=0,即可以下列筹式表示(如图2).而(x y z u)2=A,即可以图3所示之筹式表示之,即将(x+y Z+u)2=x2 y2+z2+u2+2xy+2xz 2xu 2yz 2yu 2zu中的2xy,2yz…等记入相应的格子中,而将不相邻的两个未知数的乘积如2xu,2yz的系数记入夹缝处,以示区
别.图3即是《四元玉鉴》书首给出的“四元自乘演段之图”(为了方便,我们用现代通用的阿拉伯数码代替了原图中的算筹).如此记写的四元式,既可表示一个多项式,也可以表示一个方程.
四元式的四则运算如下进行.
(1)加、减:使两个四元式的常数项对准常数项,之后再将相应位置上的两个系数相加、减即可.
(2)乘:
1)以未知数的整次幂乘另一四元式,如以刀,x,x2,x3,…乘四元式,则等于以该项系数乘整个四元式各项
再将整个四元式下降,以x乘则下降一格,x2乘则下降二格.以y的各次幂乘则向左移,以z乘则右移,以u乘则上升.
2)二个四元式相乘:以甲式中每项乘乙式各项,再将乘得之各式相加.
(3)除(仅限于用未知数的整次幂来除):等于以该项系数除四元式各项系数之后,整个四元式再上、下、左、
右移动.
上述四则运算也就是莫若《四元玉鉴》序言中所说的“阴阳升降,进退左右,互通变化,错综无穷”.在当时
中国数学尚缺少数学符号的情况下,朱世杰利用中国古代的算筹能够进行如此复杂的运算,实属难能可贵.
朱世杰四元术精彩之处还在于消去法,即将多元高次方程组依次消元,最后只余下一个未知数,从而解决了整
个方程组的求解问题.其步骤可简述如下:
1)二元二行式的消法例如“假令四草”中“三才运元”一问,最后得出如下图的两个二元二行式,这相当于求解或将其写成更一般的形式其中A0,B1和A1,B0分别等于算筹图式中的“内二行”和“外二行”,都是只含z而不含x的多项式.朱世杰解决这些二元二行式的消去法即是“内二行相乘、外二行相乘,相消”.也就是F(z)=A0B1-A1B0=0.
此时F(z)只含z,不含其他未知数.解之,即可得出z之值,代入上式任何一式中,再解一次只含x的方程即可
求出x.
2)二元多行式的消法不论行数多少,例如3行,则可归结为以A2乘(2)式中B2x2以外各项,再以B2乘(1)式中A2x2以外各项,相消得C1x C0=0.(3)以x乘(3)式各项再与(1)或(2)联立,消去x2项,可得D1x D0=0.
(4)(3),(4)两式已是二元二行式,依前所述即可求解.
3)三元式和四元式消法
如在三元方程组中(如下列二式)欲消去y:
式中诸Ai,Bi均只含x,z不含y.(5),(6)式稍作变化即有以A0,B0与二式括号中多项式交互相乘,相消得
C1y+C0=0.(9)(9)式再与(7),(8)式中任何一式联立,相消之后可得D1y+D0=0.(10)
(9),(10)联立再消去y,最后得E=0,(11)
E中即只含x,z.再另取一组三元式,依法相消得F=0.(12)(11),(12)只含两个未知数,可依前法联立,再消去一个未知数,即可得出一个只含一个未知数的方程,消去
法步骤即告完成.
以上乃是利用现代数学符号化简之后进行介绍的,实际上整个运算步骤都是用中国古代所特有的计算工具算筹
列成筹式进行的,虽然繁复,但条理明晰,步骤井然.它不但是中国古代筹算代数学的最高成就,而且在全世界,在13—14世纪之际,也是最高的成就.显而易见,在一个平面上摆列筹式,未知数不能超过四元,这也是朱世杰四元术的局限所在.在欧洲,直到18世纪,继法国的E.贝祖(Béout,17779)之后又有英国的J.J.西尔维斯特(Sylvester,184
0)和A.凯莱(Cay-ley,1852)等人应用近代方法对消去法进行了较全面的研究.
2.高阶等差级数求和
在中国古代,自宋代起便有了关于高阶等差级数求和问题的研究.在沈括(1031—1095)和杨辉的著作.(1261
—1275)中,都有各种垛积问题,这些垛积问题有一些就是高阶等差级数问题.另外,在历法计算过程
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