书城科普数学:追踪数学发展
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第9章 发明使用筹算和珠算

远古时期,随着生产的迅速发展和科学技术的进步,人们在生产和生活中遇到了大量比较复杂的数字计算问题。为了适应这种需要,劳动人民创造了一种重要的计算方法——筹算。

珠算是由筹算演变而来的,这是十分清楚的。为了方便起见,劳动人民便创造出更加先进的计算工具——珠算盘。

由于算盘不但是一种极简便的计算工具,而且具有独特的教育职能,所以到现在仍盛行不衰。

传说,算盘和算数是黄帝手下一名叫隶首的人发明创造的。黄帝统一部落后,先民们整天打鱼狩猎,制衣冠,造舟车,生产蒸蒸日上。由于物质越来越多,算账、管账成为人们经常碰到的事。开始,只好用结绳记事,刻木为号的办法,处理日常算账问题。但由于出出进进的实物数目巨大,虚报冒领的事也经常发生。

有一天,黄帝宫里的隶首上山采食野果,发现山桃核的颜色非常好看。他心想,把这10个颜色的桃核比作10张虎皮,把另外10个颜色的比作10张山羊皮。

今后,谁交回多少猎物,谁领走多少猎物,就给谁记几个山桃核。这样谁也别想赖账。

隶首回到黄帝宫里,把他的想法告诉给了黄帝。黄帝觉得很有道理。于是,就命隶首管理宫里的一切财物账目。

隶首担任了黄帝宫里的“会计”后,命人采集了各种野果,分开类别。比如,山楂果代表山羊;栗子果代表野猪;山桃果代表飞禽等。不论哪个狩猎队捕回什么猎物,隶首都按不同野果记下账。

但好景不长,各种野果存放时间一长,全都变色腐烂了,一时分不清各种野果颜色。隶首便到河滩拣回很多不同颜色的石头片,分别放进陶瓷盘子里。这下记账再也不怕变色腐烂了。

后来,隶首又给每块不同颜色的石片都打上眼,用细绳逐个穿起来。每穿够10个数或100个数,中间穿一个不同颜色的石片。这样清算起来就省事多了。从此,宫里宫外,上上下下,再没有发生虚报冒领的事了。

随着生产的不断发展,人们获得的各种猎物、皮张数字越来越大,品种越来越多,不能老用穿石片来记账目。隶首苦苦思考着更好的办法。有一次,隶首遇到了黄帝手下的老臣风后,就把算账的想法告诉了他。

风后听了隶首的想法,很感兴趣,就让隶首摘来野果,又折回10根细竹棒,每根棒上穿上10枚野果,一连穿了10串,并排插在地上。

风后建议说:“猎队今天交回5只鹿就从竹棒上往上推5枚红欧粟子。明天再交回6只鹿,你就再往上推6枚。”接着,风后又向隶首提出了如何进位计算的建议。

在风后的启发下,隶首明白了进位计算的道理,立即做了一个大泥盘子,把人们从蚌肚子里挖出来的白色珍珠拣回来,给每颗上边打成眼。每10颗一穿,穿成100个数的“算盘”。然后在上边写清位数,如十位、百位、千位、万位。从此,记数、算账再也用不着那么多的石片了。算盘就这样诞生了。

其实,传说总归是传说,从历史上看,算盘是在算筹的基础上发明的,而筹算完成于春秋战国时期。从一定意义上说,我国古代数学史就是一部筹算史。

古时候,人们用小木棍进行计算,这些小木棍叫“算筹”,用算筹作为工具进行的计算叫“筹算”。

春秋战国时期,农业、商业和天文历法方面有了飞跃的发展,在这些领域中,出现了大量比以前复杂得多的计算问题。为了解决这些复杂的计算问题,才创造出计算工具算筹和计算方法筹算。

此外,现有的文献和文物也证明筹算出现在春秋战国时期。例如:“算”和“筹”两字,最早出现在春秋战国时期的著作如《仪礼》、《孙子》、《老子》、《法经》、《管子》、《荀子》等中;甲骨文和钟鼎文中到现在仍没有见到这两个字;1、2、3以外的筹算数字最早出现在战国时期的货币上。

当然,所谓筹算完成于春秋战国时期,并不否认在此之前就有简单的算筹记数和简单的四则运算。

关于算筹形状和大小,最早见于《汉书·律历志》。根据记载,算筹是圆形竹棍,以271根为一“握”。算筹直径1分,合现在的0.12厘米,长6寸,合现在的13.86厘米。

根据文献的记载,算筹除竹筹外,还有木筹、铁筹、玉筹和牙筹,还有盛装算筹的算袋和算子筒。唐代曾经规定,文武官员必须携带算袋。

考古工作者曾经在陕西省宝鸡市千阳县发现了西汉宣帝时期的骨制算筹30多根,大小长短和《汉书·律历志》的记载基本相同。其他考古发现也与相关史籍的记载基本吻合。

这些算筹的出土,是我国古代数学史就是筹算史的实物证明。

筹算是以算筹做工具进行的计算,它严格遵循十进位值制记数法。9以上的数就进一位,同一个数字放在百位就是几百,放在万位就是几万。

这种记数法,除所用的数字和现今通用的阿拉伯数字形式不同外,和现在的记数法实质是一样的。它是把算筹一面摆成数字,一面进行计算,这个运算程序和现今珠算的运算程序基本相似。

记述筹算记数法和运算法则的著作有《孙子算经》、《夏侯阳算经》和《数术记遗》等。

负数出现后,算筹分成红黑两种,红筹表示正数,黑筹表示负数。算筹还可以表示各种代数式,进行各种代数运算,方法和现今的分离系数法相似。

我国古代在数字计算和代数学方面取得的辉煌成就,和筹算有密切的关系。

例如祖冲之的圆周率准确到小数第七位,需要计算正12288边形的边长,把一个9位数进行22次开平方,而且加、减、乘、除步骤除外,如果没有十进位值制的计算方法,那就会困难得多了。

筹算在我国古代用了大约2000年,在生产和科学技术以至人民生活中,发挥了重大的作用。随着社会的发展,计算技术要求越来越高,筹算需要改革,这是势在必行的。

筹算改革从中唐以后的商业实用算术开始,经宋元时期出现大量的计算歌诀,至元末明初珠算的普遍应用,大概历时700多年。

《新唐书》和《宋史·艺文志》记载了这个时期出现的大量著作。从遗留下来的著作中可以看出,筹算的改革是从筹算的简化开始而不是从工具改革开始的,这个改革最后导致珠算的出现。

最早提到珠算盘的是明初的《对相四言》。明代中期《鲁班木经》中有制造珠算盘的规格。

算盘是长方形的,四周是木框,里面固定着一根根小木棍,小木棍上穿着木珠,中间一根横梁把算盘分成两部分,每根木棍的上半部有1个珠子,这个珠子当5,下半部有4个珠子,每个珠子代表1。

在现存文献中,比较详细地说明珠算用法的著作,有明代数学家徐心鲁的《盘珠算法》,明代律学家、历学家、数学家和艺术家朱载堉的《算学新说》,明代“珠算之父”程大位的《直指算法统宗》等。以程大位的著作流传最广。

值得指出的是,在元代中叶和元代末期的文学、戏剧作品中都曾提到过珠算。事实上,珠算出现在元代中期,元末明初已经被普遍应用了。

随着时代不断前进,算盘不断得到改进,成为今天的“珠算”。它是中华民族当代“计算机”的前身。我国的珠算还传到朝鲜、日本等国,对这些国家的计算技术的发展曾经起过一定的作用。