话说这天文学里的推算历法,一开始比较粗糙,后来慢慢精确起来了。西方的那些新方法,到了明朝末年才传到中国,到了清朝,中西方的知识就汇集到一起了,最终达到了一个高峰。康熙皇帝聪明绝顶,又特别喜欢研究天文历法,对这方面的东西理解得非常透彻。当时好多人都跟着他学习,学习天文历法的人越来越多,一个接一个,络绎不绝。
两百年来,推算历法的技术越来越精湛,不仅克服了古代天文学的不足,还弥补了西方天文学的一些缺陷。嘉庆年间,阮元写了《畴人传》,后来还有人继续补充完善,这在唐宋以来,可算是天文历法研究最兴盛的时期了。现在我呢,就挑一些特别有名的天文学家写出来,那些在政府里做官的,或者在文学方面有成就的,我会把他们的政绩和文学作品也记录在传记里,还有那些在钦天监做官的西方人,官职都挺高的,他们的事迹我也会分别记载,只是不会都一一列举出来。 这些人包括:薛凤祚(杜知耕)、龚士燕、王锡阐(潘柽樟)、方中通(揭暄)、梅文鼎(子以燕、孙瑴成、曾孙钫、弟文鼐、文鼏)、明安图(子新陈际新、张肱)、刘湘煃、王元启、朱鸿、博启、许如兰。
薛凤祚,字仪甫,是淄川人。他从小就学习算术,后来跟着魏文魁学习,一直坚持用传统的计算方法。
在顺治年间,他跟法国人穆尼阁讨论算术,这才开始学习西方的数学,并且把穆尼阁的全部学问都学到手了。之后,他写出了《算学会通正集》十二卷、《考验》二十八卷、《致用》十六卷。他说的“对数比例”,就是西方数学里用近似数来求精确数的一种简便方法;他说的“中法四线”,是把西方的六十分度法改成了古代的百分度法,因为西方六十分度法用十进制不方便。他只列出了正弦、余弦、正切、余切,所以叫做“四线”。
他编写的推算天象的书有:《太阳太阴诸行法原》、《木火土三星经行法原》、《交食法原》、《历年甲子》、《求岁实》、《五星高行》、《交食表》、《经星中星》、《西域回回术》、《西域表》、《今西法选要》、《今西法表》。这些书都结合了中国和西方的计算方法。他以顺治十二年乙未天正冬至为起始点进行计算,一年定为三百六十五日二十三刻三分五十七秒五微,黄赤道交角的度数有增减,恒星每年运行五十二秒,这和《天步真原》的方法一样。
梅文鼎认为他的书对计算方法讲解得很详细,但是缺乏一些精彩的论述来激发读者的兴趣。这主要是因为当时西方的数学方法刚刚传入中国,中西文字的翻译也比较曲折,所以他的书表达得不够流畅。但是,薛凤祚能够融会贯通中西方的数学知识,毫无疑问是当时一代天文数学家的领军人物。
薛凤祚算出一年秒数是五十七秒,这和奈端的结果一致,但是和穆尼阁算出的四十五秒不同,这足以说明他的学问并非死板地照搬穆尼阁的。也有人批评他过于拘泥于穆尼阁的既成方法,只是按照数字进行推演,缺乏深入的理论探讨。
杜知耕,字端甫,号伯瞿,是柘城的一个举人。他特别擅长几何学,对利玛窦和徐光启翻译的《几何原本》进行了深入研究,还自己删减修改,写了一本叫《几何论》的书,大概有七卷,后面还附上了十条他自己总结的结论。书里说的方法好像在《几何原本》里没见过,但其实道理都包含在书里的各个题目里,他并没有另辟蹊径提出什么全新的理论。之所以说是“后附”,是为了跟丁氏和利氏增补的题目区分开来。他还广泛收集各家算学的知识,结合西方的理论,按照古代的《九章算术》的章节顺序,写了一本叫《数学钥》的书,一共六卷。书里说,数字如果没有图示就难以理解,图示如果没有文字说明也难以理解,图中用甲乙等字做标记,是代替具体的数值,所以他的书对图解特别详细。数学家梅文鼎评价说他的书对《九章算术》的图注讲解很到位。
龚士燕,字武任,是武进人。他从小就聪明过人,能写会作,研究理学,同时还精通算术。他改进完善了蔡氏律吕的新书,推演了黄钟的圆周直径、开方密率等计算方法,对元朝太史郭守敬的授时术尤其精通。比如计算冬至的时刻,他可以往前推算一百年,加一个特定的数值,因为一年是三百六十五日二十四刻二十五分,一百年里这个数值会有细微的增减。他根据春秋时期记载的三十七次日食事件进行验证,发现很多都符合他的计算结果。他又研究了推算农历每月晦日、朔日、上弦月和下弦月的时刻,他把太阳运行的盈亏和月亮运行的快慢结合起来计算:太阳运行盈余的部分和月亮运行迟缓的部分相加,称为“同名相从”;太阳运行盈余的部分和月亮运行快速的部分相减,称为“异名相消”。这样就能把太阳和月亮运行的盈亏快慢转化成加减时间的差值。然后,把这个差值加减到朔、弦、望的余分上,就能确定朔日、弦日、望日的准确时刻。郭守敬创立了平、立、定三差来计算太阳和月亮运行的盈亏快慢,道理深奥,数字复杂,龚士燕能够理解其中的原理,并用图解的方法把它解释清楚。
好家伙,这说的都是些天文计算的事儿。比如说,怎么把赤道坐标换算成黄道坐标,这方法是:在冬至或夏至的时候,用10865这个数字除以赤道坐标,就能得到黄道坐标;在春分或秋分的时候,就用这个数字乘以赤道坐标。总之,这些计算授时的方法,越解释越清楚。其他的像月亮、五星之类的计算方法,跟回回(穆斯林)和西方的算法比起来,遇到什么难题,他都能搞明白。就连太阳、月亮的大小,日食月食的程度,他都研究得透彻。他还领悟了唐顺之关于弧长和弦长的计算方法,用来推算月亮进出黄道的轨迹,出入黄道的位置,不会超过六度。总之,所有关于七政(日月五星及木星、土星)、节气、朔望、日食月食这些问题,他都能按照方法推算,准确率百分百。
康熙六年,朝廷下令招募全国懂天文计算的人才,他就进京了。当时钦天监用的大统历计算七政的运行,跟实际观测结果对不上,皇上就下令在观象台每天进行观测,结果发现金星的计算误差竟然达到十度!于是他就修改了古代的算法,根据七年来的观测数据推算太阳的盈亏变化,又根据每天观测到的五星运行速度,研究它们的快慢。他反复推算,修正各种计算方法,把气、闰、转、交(节气、闰月、行星运行周期、日月食)这些计算结果都跟实际观测结果对上了。他的方法其实也是继承了郭守敬的思想:用太阳的运行来推算节气,用月亮绕地球一周的时间来推算朔望,日月地球运行到同一直线上来推算日食月食,把气、闰月这些零零碎碎的计算结果综合起来推算闰月,此外还有金木水火土五星聚在一起的现象来推算五星的运行。
修改了这些计算方法之后,他以顺治元年甲申年为起始年,以此来纪念世祖章皇帝统治中原的盛世,钦天监把这个新的计算方法叫做“改应法”。他不光修改了节气、闰月、行星运行周期、日月食的计算方法,还修改了行星运行速度的快慢以及误差的计算方法,还修改了冬至时太阳在黄道上的位置的计算方法。修改之后,太阳盈亏的计算没有误差,日食的发生时间也没有误差,所有计算结果都跟实际观测结果相符。钦天监的官员们都上书推荐他。康熙八年,他的历法书完成了,他在武英殿向皇帝汇报,之后被授予历科博士的职位。当时朝廷也引进了西方的传教士南怀仁等人,他们的观测方法又快又准,所以最终采用了西方的历法,古代的历法最终没能被采用。
话说这位学者,十年后因为生病回到了家乡,写了两本书:《象纬考》和《历言大略》。可惜的是,他关于天体论的著作,以及关于日食、月食、朔日、行星等等的论著,都失传了。
接下来要讲的是王锡阐先生,字晓庵,是苏州吴江人。他精通中西天文历法,自创一套新方法,用来推算日食和月食,精确到毫秒不差。每当天气晴朗,他就爬上屋顶,躺在屋脊兽(鸱吻)上观察星象,整夜不眠。他写了一本书叫《晓庵新法》,共六卷。书里写道:“炎帝的八节历法,是历法的开端,但他的著作已经失传了。黄帝、虞、夏、殷、周、鲁这七种历法,前人认为是伪造的。现在这七种历法都还存在,大体上和汉朝的历法相似,但是关于章蔀、气朔这些内容,我们还没看到真正的资料,很可能是汉朝人伪造的。太初历和三统历,方法虽然粗糙,但开创的功绩不可磨灭。刘洪、姜岌等人陆续对历法进行阐明,何承天、祖冲之则致力于改进圭表,使历法更加精确。从那时起,南北朝的历法学家们都勤奋好学,深入思考,做了很多推论,这些都不是浅显易懂的。唐朝的《大衍历》稍微精确一些,但是开元甲子年应该发生日食却没有发生,一行和尚却为此写了讨好的文章来解释,这怎么能行呢?难道不应该根据误差来改进吗?”
王锡阐先生还在书中写道:“明朝初期,元统年间制定的《大统历》,沿用了郭守敬的方法,只做了一些细微的增减,不到百分之一。难道郭守敬的方法真的就能超过前人吗?郭守敬研究历法,首先重视测日影,我曾经取用他的圭表数据,反复计算,前后结果却互相矛盾。我所创立和修改的方法,很多都不是很精确。当时就已经出现过推算日食月食失败的情况,更何况现在古籍散失,方法的意图也无从考证。再加上时间久远,数字积累的误差越来越大,与天象越来越不符,怎么能继续沿用不变呢?元朝的水平不如郭守敬,朝廷的官员们,又不如元朝,最终导致明朝的大典沿袭了陈旧错误的方法。虽然李德芳极力反对,但他不能进行推理论证,只是坚持陈旧的说法,无法取胜,真是令人惋叹!”
话说,明朝万历年间,有个西方人叫利玛窦来到中国,他很擅长天文历法。到了崇祯年头,皇帝让礼部官员徐光启翻译他的书,书名是《历指》和《历表》,一共一百多卷,费了好几年才翻译完,然后就流行开了,研究历法的都把它奉为圭臬。
我觉得西方的历法不错,用来预测天气很精准,但这并不意味着他们完全理解其中的道理。顺着他们的方法去研究,可以;但盲目接受他们的错误而不去辨别,就不对了。举个例子:二分(春分、秋分)是春秋两季气候平均的时候;二至(冬至、夏至)是太阳运行到最南、最北的时候。中国历法用平均气候来确定节气,用盈亏来确定太阳的运行位置。西方人用的是固定气候,所以他们把节气和正气混为一谈,因此批评中国历法节气相差达两天。其实,中国历法岁差计算比较粗略,盈亏计算也比较多,难免会有误差。但这两天的差异,是因为节气和正气是不同的概念,并不是因为他们不知道太阳运行速度不均匀造成的。这《历指》直接就批评中国历法,不明白两者道理其实是一样的。
各个朝代的历法,都会有积累多年的日法,多寡随意,牵强附会。祖冲之摒弃了积累多年的方法,从辛巳年重新开始计算,抛弃了日法,用万分之一来计算,这眼光真是独到!西历计算一天用1440分(24小时×60分),这其实也是用了日法。至于刻(更小的计时单位),西历里没有。后来,人们每时四分,一天就成了96刻。他们先算出度数再算天数,还没觉得麻烦,要是用在中国历法上,就太复杂了。他们坚持西方的算法,反而说中国历法的百刻不实用,这是为什么呢?再说,日食时间差的96法,和一天96刻有什么关系?他们却拿来当证据,不明白这其中的道理,这是其二。
天体运行,最初并没有度数可言,古人把一天太阳运行的距离定为一度,太阳运行速度有快有慢,用平均速度来计算,这个数是符合天道的,不能随意更改。西方人把周天365.25度减去5度多,变成360度,只是为了方便计算圆周,难道天道本来就是360度吗?他们盲目跟风,非要说中国的日度不对,难道他们知道360度才是天道本来的度数吗?这是其三。
上古时期安排闰年,总是在年末,因为当时的历法比较粗糙,是根据年数来安排闰年的。中古时期,历法越来越精密,开始根据月份来安排闰年,闰年安排在一年结束的时候,所以用中气(每月太阳到达黄经15°的时刻)来确定月份,没有中气的月份就是闰月。大统历只用平均气候,安排闰年一定在某个月份;新法用固定气候,就可能出现一个月有两个中气,一年有两个闰月的情况,比如辛丑年的西历,不是很乱吗!一个月没有平均中气,说明是积累的余数的结束;没有固定中气,就不是那个月。他们不能虚心深入研究,却用粗糙的习惯,夸耀支离破碎的学问,所以,到了年尾,节气还滞留在上个月;冬至的中气,已经进入仲冬;立春的中气,快到腊月底了。他们不得不把朔日(每月初一)推后一天来应付,也可见其技穷了,这是其四。
天正(太阳运行的起始点)日躔(太阳的运行轨迹),本来是从子半(子时的一半)开始的,后来因为岁差,从丑时到寅时。至于合神(占星术语)的说法,是算命先生的胡说八道,明白道理的人不会这么说。西方人自称是历法的权威,怎么反而被这种说法迷惑,认为天正日躔是从丑初(丑时的开始)开始的呢?况且十二次(古代天文学中的十二个区域)的命名,都是根据星象,随着节气变化而变化,虽然子午(子午线)在不同地方不一样,难道玄枵(二十八宿之一)和鸟咮(二十八宿之一)就没有固定的位置吗?这是其五。
岁差的增长和减少,始于《统天历》,郭守敬用过它,但不知道为什么该用它;元代人抛弃了它,也不知道为什么该抛弃它。西方人知道用太阳运行最高点来计算,却不知道用两个轨道远近来计算,只得到一个方面,而忽略了另一个方面。这是需要辨别的第一点。
岁差是不均匀的,一定是由于天体运行速度快慢不同造成的,现在却想把它归结为偶然的误差,难道以前那些历法学家都胡乱编造的吗?黄道(太阳运行的轨道)和白道(月亮运行的轨道)的距离不同,导致交点(黄道和白道相交的点)进退;黄道和赤道(地球赤道在天球上的投影)的距离不同,导致岁差的屈伸,道理是一样的。《历指》已经解释了月亮,为什么对太阳就含糊不清呢?这是需要辨别第二点。
太阳运行的盈亏和最高点,古今不同,凭空臆测,一定会有固定的数值。不仅日月星辰的运行应该相同,即使运行速度稍有差异,也不是毕生所能测量的。西方人总夸耀他们几千年来人才辈出,为什么也没有定论呢?这是需要辨别第三点。
日月距离地球的远近和视直径(从地球上看到的日月大小),应该成反比,也就是距离远,视直径小;距离近,视直径大。西方的算法,太阳距离远近差异大,视直径差异小;月亮距离远近差异小,视直径差异大。从数字推导道理,很难理解其通顺之处。这是需要辨别第四点。
日食的偏差,关键在于交点(黄道和白道相交的点),太阳运行轨道的交点和月亮运行轨道的交点不一样;月亮在白道上的交点和在黄道上的交点也不一样。《历指》没有详细解释这个道理,《历表》也没有列出具体的数字,难道仅仅用黄道理论就能解释日食的各种变化吗?这是需要辨别第五点。
在中限(日食发生时,太阳和月亮的黄经相差180度)附近,日月视差(从地球上看到的日月位置的差异)有时向东,有时向西;在交广以南(交趾和广南),日月视差有时向南,有时向北。这是视差方向相同和视差方向相反的加减完全不同,《历指》难道是因为这种情况不常见,所以没有讲解吗?万一遇到这种情况,学者们又该如何计算呢?这是需要辨别第六点。
日光照射物体,一定会产生虚影,虚影是光线直径和物体实际直径共同作用的结果。日食时暗影的收缩,道理就在这里。西方人不知道太阳有光线直径,只用实际直径来计算暗影。等到推算结果不符,又减少直径来勉强凑合。
请提供需要翻译的内容。我没有看到任何需要翻译的内容。请您提供文本,我将尽力将其逐句翻译成现代汉语口语,并按照您的要求分段。
话说,有人说过,“语云:‘步历甚难,辨历甚易。’”意思是说,天文历法复杂得很,稍有差错都逃不过检验。不过,就算那些人这么说,其实他们自己也未必能保证完全准确。你看啊,他们算出来的五星经度,有时候会差二十多度;推算星体运行轨迹,有时候也会差几度;要是算日食月食,差的可能就是几刻钟;要是算星体凌犯,差的可能就是好几天!所以说,他们制定的历法没多久就出现很多错误,我对这些历法问题也分析过一些。就拿癸卯年七月十五的日食来说吧,那次日食既没完全食,也没完全不食,这跟没算准日食,或者推算错误有什么区别呢?
一开始翻译西方的历法时,我的想法是取其精华,融入我们自己的历法体系,可不是想把原来的历法全扔掉,完全照搬西方的做法啊,现在搞成这样,真是出乎我的意料。所以,我结合了中西方历法的优点,去其糟粕,加入了自己的想法,写了六篇关于历法的文章。里面既有对一些事情的解释说明,也有对一些事情的改正,还有一些新的发现和补充,以及一些新的立法。至于旧历法,虽然有错误,但也不能一下子全推翻,所以我就保留了一些;有些道理虽然能理解,但几千年来都没能算准的,我就直接略过了;有些虽然算准了,但都是根据古代的观测数据推算出来的,没有亲眼验证过,我就另写了一篇补遗,正文还是沿用原来的说法。
总共写了一百多天,写了上万字,不敢说自己完全掌握了历法的精髓,但希望能为初学者提供一些帮助。
咱们先说说这套方法是怎么算的。它用百分法来算度数,一天算一百刻。整个天球呢,是三百六十五度二十五分六十五秒五十九微三十二纤。 内外准分是三十九分九十一秒四十九微,次准是九十一分六十八秒八十六微,黄道岁差是一分四十三秒七十三微二十六纤。
接下来是列宿的经纬度坐标。角宿,经度是十度七十三分七十九秒,纬度是南二度一分二十三秒;亢宿,经度是十度八十二分二十四秒,纬度是北三度一分一秒;氐宿,经度是十八度一十六分一十四秒,纬度是北四十三分九十六秒;房宿,经度是四度八十三分六十三秒,纬度是南五度四十六分一十九秒;心宿,经度是七度六十六分二秒,纬度是南三度九十七分三十八秒;尾宿,经度是十五度八十二分七十八秒,纬度是南十五度二十一分九十秒;箕宿,经度是九度四十六分九十六秒,纬度是南六度五十九分四十九秒;南斗,经度是二十四度一十九分八十二秒,纬度是南三度八十八分九十三秒;牵牛星,经度是七度七十九分五十五秒,纬度是北四度七十五分一十七秒;婺女星,经度是十一度八十二分二秒,纬度是北八度二十分五十九秒;虚宿,经度是十度一十二分九十一秒,纬度是北八度八十二分七十秒;危宿,经度是二十度四十一分四秒,纬度是北十度八十五分六十二秒;营室,经度是十五度九十二分二十秒,纬度是北十度七十一分七十一秒。 这些都是精确到秒、微、纤的数值。
一开始,王锡阐的新的历法还没完成,他就先写了六篇关于历法的文章,还有一篇历法策略的文章,他的理论非常精妙,和新的历法互相补充说明。他还把中国和西方的计算方法融合起来,写了一本叫《大统西历启蒙》的书。丁未年,他根据大统历法写了《丁未历稿》。辛酉年八月初一发生日食,他用中国方法、西方方法和自己创立的方法分别预先计算了日食发生的时间,精确到秒。到了那一天,他和徐发等人一起用五种不同的方法观测日食,只有他的方法计算结果完全准确,于是他就写了《推步交朔测小记》这篇文章。他还认为研究历法最重要的是圆周的分割,所以写了《圜解》。观测天象需要借助仪器,他就自己制作了三种日晷,用来观测太阳、月亮和星星,并写了《三辰晷志》记录观测结果。他能够深入研究天文历法的奥秘,弥补了西方学者的一些不足。他和同时代的青州人薛凤祚齐名,人们称他们为“南王北薛”。他的《历策》里写道:“每逢日月交会,我都要用自己推算和观测的结果进行比较,看看是否疏密得当,无论刮风下雨、酷暑严寒,我都坚持对周天、交食、增损、经纬、迟疾等各种参数进行调整,这么多年来,我已经坚持了三十年了。”从这段话,我们就能看出他进行实测的努力和投入。
他研究天文历法非常深入,达到了很高的水平,填补了西方学者的一些不足之处。他和同时代的青州人薛凤祚名气相当,被人们并称为“南王北薛”。 他的《历策》里有一句话:“每遇交会,必以所步、所测课较疏密,疾病寒暑无间,变周、改应、增损、经纬、迟疾诸率,于兹三十年所。” 这句话足以说明他为了天文历法研究付出了多少心血和努力。
潘柽樟,字力田,和王锡阐是老乡,关系很好。王锡阐曾经住在潘柽樟家里,两个人一起研究算法,经常讨论到深夜。潘柽樟写了一篇关于辛丑年历法的文章,叫做《辛丑历辨》,里面写道:“古代尧帝命令羲和制定历法,用闰月来调整四季,使一年完整,这说明历法一开始就重视闰月。而《春秋》里说:‘先王制定历法,在开始的时候要遵循规律,在中间要保持准确,在结束的时候要处理好剩余。’所谓的‘开始’,是指根据气朔分齐来确定历法的起始点;所谓的‘中间’,是指用中气来确定月份,如果没有中气就闰月;所谓的‘结束’,是指积累气数的盈虚来决定是否闰月。从汉朝以来,历法虽然多次变化,但都没有改变这个基本原则。只有西域的历法不一样,它有闰年、闰日,却没有闰月。这是因为中国历法主要根据太阳运行来确定,而西历主要根据地球绕太阳运行的度数来确定,两者不能强求一致。现在采用西历的人,是用太阳运行来确定节气和闰月,这不仅完全废弃了中国的传统方法,而且也违背了西域历法的本意。所以十几年来,宫度混乱,节气也错乱。比如戊子年的闰三月,却放在了四月;庚寅年的闰十一月,却放在了第二年的二月;癸巳年的闰七月,却放在了六月;己亥年的闰正月,却放在了三月。这些错误,真是说不完!如果不是精通历法的人,很难指出这些错误。至于辛丑年的闰月,它的错误就更加明显,无法解释了。为什么呢?闰法应该根据平气来决定,而不是根据定气。如果根据平气,那么小雪在十月最后一天,冬至在十一月第一天,闰月应该在这两个月之间。所谓闰月之前的月中气在月末,闰月之后的月中气在月初。如果根据定气,秋分在九月初一,所以提前在七月初一闰月,这样秋分还在八月,霜降、小雪也都在各自的月份。但是大寒的定气在十一月初一,而十二月又没有中气,不能再闰月了,这就出现了一个月既没有中气,又可能闰月也可能不闰月的情况。他们说太阳运行不到交宫就闰月,为什么偏偏在这里违背了自己的原则呢?因为孟秋不是‘归余于终’,所以天正不能‘履端于始’,地正不能‘举正于中’。这样一来,四季不定,一年不成,闰法还有什么用呢?再说壬寅年正月,旧历法在丙子丑初,西历法也在丙子子正,那么辛丑年的季冬应该大尽,而明年正月中气又移到今年的最后一天。他们自己也觉得不对劲,所以把岁首提前到乙亥年,把季冬定为小尽之月,这都是欲盖弥彰罢了。按照西历法推算,辛丑年的岁首应该在亥正,但现在却在戌正,相差六刻,其他的矛盾之处就更多了,难以一一列举。唉!制定历法如此草率,还自以为尽善尽美,怎么可能呢?他们的理论是用太阳运行的盈缩来决定节气的长短,每当太阳运行到最盈的时候,一个月就可以有一个节气,这和古人说的气盈、朔虚不一样,现在又有了气虚、朔盈。有时候晦朔两个节气之间夹着一个中气。比如丙戌年仲冬,离闰月比较远,还可以不考虑;但是辛丑年仲冬,冬至、大寒都在晦朔,离闰月最近,进退都没有依据。这样凑合着来,弊端太多了。闰法本来是根据平气来制定的,已经沿用了几千年了,现在改变了方法,没多久就遇到了问题,到了无法解决的地步,为什么还要频繁地更改呢?”潘柽樟后来因为研究历法而死。他的弟弟潘耒,也精通历法和算术,见于《文苑传》。
方中通,字位伯,是桐城人。他把大家的学说都汇集起来,写了一本书叫《数度衍》,二十四卷,还附录了一卷。书里说:“九章算术里的内容都源于勾股定理,用圆规画圆,用矩画方,用方的面积作为标准。用方的面积推导出圆的面积,这就是勾股定理的用途;少广章,就是关于方和圆面积计算的;方田、商功这两章,都是从少广章推导出来的。方和圆,它们的面积计算方法不一样,所以一开始就会出现误差,而均输章就是用来处理这些误差的,通过借贷来平均误差。均输章也是从差分法推导出来的,而方程术则可以解决更复杂的计算问题。度量衡的标准最初来源于黄钟律,粮食布匹的计量也由此而来,而黄钟律本身也跟方圆的计算有关。”他还说:“古代计算方法是用直径一寸、长六分二百七十一的竹棍做成六角形,作为计算单位,后来有了珠算,古代的这种方法就失传了。西方的笔算、筹算,都源于九九乘法表。尺规作图实际上就是比例规,它可以解决三角形的问题。乘法用筹算最好,除法用笔算最好,加减法用珠算最好,比例问题用尺规最好。”他总结的珠算方法,比如三乘一等于三,四乘一等于四等等,“十”字都用“余”字代替。他的尺规作图方法,是用三尺长的尺子交叉叠加,取数只用一条平分线。
当时广昌的揭暄也精通数学,他和方中通经常一起讨论日、月大小的问题,解释了光线强弱和影子长短的原因,以及古今岁差的不同,需要通过计算来调整。他认为,人一天一夜呼吸一万三千五百次,每一次呼吸,天体都运行十万多里。他们还把讨论的内容另写了一本书,叫做《揭方问答》。
揭暄,字子宣,是广昌人。他写了一本书叫《璇玑遗述》,七卷,又叫《写天新语》。书里说日月东行就像槽里滚动的球一样,而月亮本身的大小是不变的。他还说七曜(日月五星)运行的小圆轨道都是自然形成的,就像盘子里的水旋转形成漩涡一样,因为运行速度快而形成旋转,从而导致了留和逆两种运行现象。他对五星西行、日月盈亏等现象都做了多种解释,说得很有道理。康熙己巳年(公元1689年),他把草稿寄给了梅文鼎,梅文鼎从中摘录了精华部分,编成一卷,称赞他“深明西术,而又别有悟入,其言多古今所未发”。揭暄去世的时候,年纪超过八十岁了。
梅文鼎,字定九,号勿庵,是安徽宣城人。他小时候跟着他爸爸梅士昌和老师罗王宾一起看星星,就能很快明白星星运行的大概规律。
二十七岁那年,他拜竹冠道士倪观湖为师,学习了倪观湖从麻孟旋那里得到的关于天文历法计算的方法,还和他的弟弟梅文鼐、梅文鼏一起学习。没多久,他就弄明白了这套方法的原理,还把其中缺失的部分补上了,写了一本书叫《历学骈枝》,一开始是两卷,后来又增加了,变成了四卷本,他的老师倪观湖对此非常赞赏。
他要是遇到很难读懂的书,就一定要弄明白它的意思,经常废寝忘食。那些残缺不全的书稿,他都亲手抄录整理,哪怕是一个字的差异,他也不敢马虎。很多天文历法方面的专家和学生,还有西域来的学生,都特意来拜访他,向他请教问题,他都详细地解答,毫无保留,希望能够把这些知识分享给所有人。他一生写了八十多种关于天文历法的书。
我读了《元史授时历经》,觉得它方法很好,就写了《元史历经补注》两卷。我又用《授时集古法大成》这本书,参考了七十多家的古代历法,写成了《古今历法通考》七十多卷。
《授时历》用六种方法考证古代冬至,我参考了鲁献公冬至的考证资料,并根据《授时历》的算法进行推算,结果和《授时历》算出来的一模一样,于是我写了《春秋以来冬至考》一卷。元朝西征是在庚午年开始的,这里的“西征”指的是元太祖在庚辰年开始的西征;“庚午元”指的是上元纪年的起始年份。历书上把太祖庚辰年错记为太宗年,其实太宗根本没有庚辰年。还把上元纪年的起始年份错记为庚子年,这样算出来的年份就对不上了。我考证后纠正了这些错误,写了《庚午元算考》一卷。
《授时历》的算法不是其他古代历法能比的,郭守敬写的历法草稿是《授时历》的立法基础,我把它里边精妙的地方挑出来,写了《郭太史历草补注》两卷。《大统立成》这本书里有些地方我理解不了,不敢乱用,所以写了《大统立成注》两卷。《授时历》在计算太阳运行的盈亏和月亮运行的快慢时,都用到了垛积招差法,而《九章算术》等书里却没有这种方法,以前也没人能解释清楚它的道理,所以我写了《平立定三差详说》一卷,算是对古代方法的一个解释。
唐代的九执法是西方历法的先驱,后来又出现了婆罗门历法的十一曜经和都聿利斯经,这些都属于九执法的范畴。元代有札马鲁丁的西域万年历,明代有马沙亦黑、马哈麻的回回历和西域天文书,天顺年间具琳刻印的天文实用书,都是基于这些书,所以我写了《回回历补注》三卷、《西域天文书补注》两卷、《三十杂星考》一卷。
日影的长度变化取决于太阳在日轨上的高度,而日轨又因为地球半径的不同而发生变化,所以我写了《四省表景立成》一卷。《周髀算经》里讲到的地球半径的算法,其实就是西方人的说法,所以我写了《周髀算经补注》一卷。浑盖仪这种天文仪器,最方便进行天文观测,所以我写了《浑盖通测宪图说订补》一卷。西方把太阳在黄道上运行30度作为一个月,所以我写了《西国日月考》一卷。西方历法中有《七政细草》这本书,它相当于《授时历》的《授时历草》,我把它重要的内容概括出来并作了注释,写成了《七政细草补注》三卷。
新法历书中有《交食蒙求》和《七政蒙引》两本书,现在已经失传了,所以我写了《交食蒙求订补》两卷,并附带了一些说明。监正杨光先画的日食图,把金环日食和日食食甚分成了两幅图,而且各有时刻,这误差可不小,所以我写了《交食作图法订误》一卷。新法用黄道来计算赤道上的交食,而《七政细草》用的是《仪象志》里的表格,不如用球面三角法更方便,所以我写了《求赤道宿度法》一卷。
中西方计算交食发生和结束方位的方法,都是用东西南北来表示。但是,只有当日月运行到子午圈附近并且接近天顶时,东西南北的方位才准确。如果不是这种情况,黄道的倾斜程度就会不一样,从日食开始到结束所经历的时间,以及弧度的变化方向,都会时刻变化。而且北极星的高度也不一样,不同地点看到的景象肯定也不一样,所以很难用于实际观测。所以我另立了一种新方法,不用东西南北的方位,而是根据人们看到的日月圆面的位置,把方位分成八个方向,以正对着天顶的方向为上,对着地平线的方向为下,上下连起来是一条直线,再画一条与之垂直的横线,分别命名为左、右,这就是四个主要方向;再分别命名为上左、上右、下左、下右,这就是四个次要方向。这样就能确定日食发生的位置,一目了然,所以我写了《交食管见》一卷。
太阳有日差,就像月亮的交食有加减时一样,因为以前的解释含糊不清,甚至有错误,所以我写了《日差原理》一卷。火星是最难计算的,只有到了近日点时才比较精确,我解释了它的计算方法的原理,写了《火纬图法》一卷。订正火纬表的时候,顺便也涉及到了七政的计算,所以我写了《七政前均简法》一卷。《天问》书里引用的纬度不准确,而表格却采用了错误的纬度,所以我写了《黄赤距纬图辨》一卷。新法中帝星和句陈星的经纬度在不同的版本中不一样,所以我写了《帝星句陈经纬考异》一卷。测量帝星和句陈星是确定夜晚时间的简便方法,所以我写了《星轨真度》一卷。以上这些书,都是为了解释新法历书,或者纠正错误,或者补充不足。
康熙己未年,《明史》开始编撰,历志这一部分由杭州的吴任臣负责修订。后来经过嘉禾的徐善、北平的刘献廷、毗陵的杨文言等人增补修改,最后交给了黄宗羲,又交给了文鼎。文鼎仔细校对,发现了五十多处错误,并用算草、通轨等方法进行了补充完善,最终完成了《明史历志拟稿》一卷。虽然说是为大统而作,但实际上是为了阐明授时之法的奥妙,并补充《元史》的不足之处。这部书的总目分为三部分:法原、立成、推步。其中“法原”又细分为七个部分:句股测望、弧天割圜、黄赤道差、黄赤道内外度、白道交周、日月五星平立定三差、里差刻漏。“立成”部分有四个部分:太阳盈缩、太阴迟疾、昼夜刻、五星盈缩。“推步”部分有六个部分:气朔、日躔、月离、中星、交食、五星。
此外,他还撰写了《历志赘言》一卷,大意是说:明朝采用大统历法,实际上就是授时历法,应该详细补充《元史》中没有记载的内容,以完善其不足之处。回回历沿用了三百多年,其方法也应该详细记载。郑世子所学的历法已经呈献朝廷,也应该详细描述。其他像袁黄的历法新书,唐顺之、周学述的回历会通,以及类似庚午元历的例子,都应该附录进去。西洋历法现在正在使用,但崇祯朝徐光启、李之藻等人测验改宪的功绩不能被遗忘,也应该详细记载其缘起。
己巳年,我到了京城,去拜访李光地在住所,对他说:“历法到了我们朝代已经很完善了,但是那些读书人却像面对大海一样茫然无措,没有通俗易懂的讲解来激发他们的兴趣。最好仿照元朝赵友钦《革象新书》的体例,编写一本简明扼要的书,让每个人都能入门,这样学习历法的人就会多起来,这门学问也就能大放异彩了。”于是,他写成了《历学疑问》三卷。
皇上南巡的时候,路过德州,下令把刻好的书拿回去给他看。当时情况紧急,我还没来得及带,就赶紧把刚刻好的《历学疑问》呈了上去。皇上说:“朕多年来一直很关注历法,这事儿朕能判断对错,先留着看看再给你。”两天后,皇上召见了我,说:“你呈上来的书,写得很仔细,而且观点也很公正,可见你下了很大的功夫,朕带回宫里仔细看看。” 我请求皇上能亲自批注修改,皇上答应了。
第二年春天,皇上再次南巡,在行宫把书还给了我,并当面告诉我:“朕已经仔细看过了。”书上圈圈点点,涂涂抹抹,还有批注,都是皇上亲笔写的。我又请皇上指点书中错误的地方,皇上说:“没有错误,只是算法还不够完善。”因为我的书还没写完,所以皇上这样说。
没过多久,皇上西巡,询问隐居的学者,我推荐了关中的李颙、河南的张沐和文鼎三位先生。皇上早就听说过李颙和文鼎,乙酉年二月,皇上南巡,我作为随行的官员,皇上问我:“宣城隐士梅文鼎在哪里?”我说:“还在我的住所。”皇上说:“朕回宫的时候,你带他一起来,朕要亲自见见他。”四月十九日,我和文鼎在河边迎接皇上,第二天早晨,我们都被召到了御舟上,皇上与我们促膝长谈,足足谈了好几个小时,这样持续了三天。皇上对我说:“历法和算法,朕最关注,现在懂这方面的人很少了,像文鼎这样的人才,真是少见啊!他也是位雅士,可惜年纪大了!” 皇上连续几天都赏赐御书扇和美食。临别时,皇上还特地赐给我“绩学参微”四个大字。第二年,皇上又让我孙子瑴成进宫学习。
五十三年的時候,皇上给我孙子瑴成下旨说:“你祖父多年来潜心研究律历,把《律吕正义》寄一本给他,让他看看,如果有错误的地方,指出来更好。古代帝王有‘都俞吁咈’四个字,后来就只剩下‘都俞’了,即使是朋友之间,也不喜欢别人劝谏,这都是私心作祟。你们一定要努力克服这种毛病,这样学问才能进步。把这些话也告诉你祖父。”皇上的恩宠,是古时候从未有过的。
文鼎写了一本书,叫《分天度里》,里面画图说明了全国各地,包括蒙古,东西南北的距离差异。地球是圆的,书里说一度是250里,纬度是这样,但经度离赤道越远,里数就越少。所以,只有东西方向的距离计算方法是固定的;如果路线是斜的,这个方法就不管用了。如果知道两个地方的北极高度和经度差,但不知道它们之间的直线距离,那就相当于知道三角形的两条边和一个角,就能算出第三条边,也就是斜线距离。反过来,如果知道斜线距离,要算经度差,那就是知道三条边求一个角,也能算出经度差。这些计算方法都用的是斜弧三角形,跟古代计算月食经度的方法类似,而且更简单实用。
文鼎对天文测量仪器一看就会,古代的六合仪、三辰仪、四游仪,他都能根据自己的理解做成小模型,而且都准确无误。他还自己设计了月道仪、测日高度的仪器等等,都是独创的。他曾经上过观象台,看过新制的六件天文仪器,还有元朝郭守敬的简仪和明初的浑天仪,他都能指出这些仪器的优缺点,就像自己很熟悉一样。他还写过好几本书,比如《测器考》两卷、《自鸣钟说》一卷、《壶漏考》一卷、《日晷备考》一卷、《赤道提晷》一卷、《勿菴揆日器》一卷、《加时日轨高度表》一卷、《揆日测说》一卷、《璇玑尺解》一卷、《测量定时简法》一卷、《勿庵测望仪式》一卷、《勿庵仰观仪式》一卷、《月道仪式》一卷。
他书里说:“月亮的运行轨道(月道)进出黄道,就像黄道进出赤道一样。古往今来,还没有人专门为月道设计仪器。我现在根据浑天仪‘北密南疏’的原理,以黄极(天球北极)为中心,月道一半在黄极以内,一半在黄极以外,这样就能清楚地说明月球纬度变化的规律,以及交点、中交点、交点前、交点后等概念。这个仪器用铜制作,形状有点像浑天仪,上面那个盘是月道,就像浑天仪天盘上的黄道圈;下面那个盘是黄道经纬网,标有宫度,黄极是中心,边缘以黄纬95度半为界。月道最南可以到达黄道以南5度半。”
李焕斗,礼部郎中,曾经向文鼎先生请教历法,然后写了一篇论文,题目是《答李祠部问历》。后来,沧州一位老学究刘介锡,在天津碰到文鼎先生,也向他请教历法,文鼎先生就写了篇《答刘文学问天象》给他。他还说,自己平时读到一些很难懂的书,都会认真抄写下来,放在箱子里,留着以后有人来请教的时候用。尤其是在历法方面,他积累了很多资料,还专门写了一本书,叫做《思问编》。
他根据纬度测量日影高度,从而得知北极的运用非常广泛。古代只用二至二分来推算,现在则可以每天都进行测量。因为朋友的提问,他又写了一本《七十二候太阳纬度》。潘天成向文鼎先生学习历法,可是对计算方法很苦恼,文鼎先生就写了《写历步历法》教给他。他还给了潘天成一本《时步交食式》,这是文鼎先生的弟弟文鼏写的;以及《步五星式》六卷,这是文鼎先生和他的二弟文鼐一起完成的。
文鼎先生每得到一本书,都会校正其中的错误和缺漏,并指出书中的优缺点。他还写了一本《古历列星距度考》,这本书是从残缺的古籍中整理出来的,记录了普天星宿的入宿去极度数。书中缺失了两颗星,他后来从福建林侗的抄本中补全了这两颗星,并断定这是古代授时的方法。万历年间,利玛窦来到中国,开始传播几何学,用点、线、面、体来进行测量,制作仪器和图表,非常精密。一些学者对此过于推崇,来不及深入研究,就轻视古代的历法,认为不足为观;而坚持旧方法的人,又斥责西方人的方法是奇技淫巧。两种说法互相抵触,造成了隔阂。
文鼎先生把这些资料整理成书,并加以说明,他用筹算、尺规和笔算,逐渐融合中西方法。像三角、比例之类的,本来就不是中国传统方法能完全涵盖的,他就直接把它列出来。而古代的方程算法,也不是西方独有的,他就专门写文章论述,说明古代人的精妙之处不能被埋没。他还专门写了《九数存古》,概括总结了中国古代的数学。最后,他把这些内容都汇集成一本《中西算学通例》。
我一共写了九本书:第一本是《勿庵筹算》七卷,第二本是《笔算》五卷。这两本书都把横式改成了竖式,方便中国人使用。第三本是《度算》一卷,原本没有算例,我弟弟文鼏帮我补充了,并且参考了嘉禾陈荩谟尺算的用法。还有一种矩算,是用一尺见方的木板进行计算,这是文鼎发明的。第四本是《比例数解》四卷,解释了穆尼阁翻译的对数。第五本是《三角法举要》五卷,这本书分为五个部分:测量名义、算例、内容外切、或问、测量。第六本是《方程论》六卷,安溪的李鼎徵在泉州帮我刻印了这本书。第七本是《几何摘要》三卷,我根据原本删繁补遗整理而成。第八本是《句股测量》二卷,我从《周髀算经》和《海岛算经》等书中摘录要点,保留了古代的计算方法。第九本是《九九数存古》十卷,九数就是《九章算术》开篇的方法,这本书里只保留了《九章算术》的目录。后来的作者,都没有超越我的范围。
除了这九本书,我还写了十七本书作为续编:第十一部是《用句股解几何原本之根》一卷。几何原本里没讲句股定理,但它的道理离不开句股定理。所以几何原本最难理解的部分,用句股定理来解释就明白了。只是中线、末线的比例似乎和句股定理的来源不一样,现在我仔细研究了它的立法原理,发现它仍然离不开句股定理,更加相信古代的句股定理包罗万象,无所不包。徐光启翻译的大测表,叫做《割圜句股八线表》,他也是这么认为的。
第十二本是《几何增解数则》,这本书分为四个部分:用直角边和斜边求斜边上的高,切线角与圆内角的相互关系,快速计算不规则四边形的面积,快速作平行线。这些内容都是针对几何原本里的题目补充的,没有编成单独的书,和上一本书合在一起了。第十三本是《仰观覆矩》二卷,一本是根据地平经度计算日出日落方位,一本是根据赤道经度计算日出日落时间,并且根据里差,用弧三角法计算,和历法计算方法略有不同。第十四本是《方员幂积》二卷,历书里把圆周率精确到二十位,但是实际计算的时候,仍然用古率(圆周率约等于22/7)的比例,是不是因为乘除法计算多位数太麻烦呢?我现在用表格列出来,取数就容易多了,我为此制定了一个简便方法,圆的直径和周长之比,就等于正方形和圆形的面积之比,也等于正方体和圆柱体的体积之比,非常简单直接。
梅文鼎先生留下了《丽泽珠玑》一卷,这本书里记录了他和朋友们在数学上的交流,选取了与计算相关的部分。他还著有《算器考》一卷和《数学星槎》一卷。
他的《历学疑问》和《历学疑问补》两卷书,曾经呈献给皇帝过目,内容通俗易懂,是学习计算的标准参考书。梅先生学习非常勤奋,他的同舍刘辉祖曾告诉桐城方苞说:“我每次睡醒,才敲过四五下漏鼓,梅先生就已经点着灯在读书了,这才让我明白自己平时有多浪费时间啊!”在北京的时候,裕亲王非常尊重他,每次都称呼他为“梅先生”,而不直呼其名。李文贞公还让自己的儿子李钟伦拜他为师,就连李文贞公的弟弟和族人都尊称他为老师。徐用锡、陈万策、魏廷珍、王之锐、王兰生等许多人都以能和他一起研究学问为荣。梅先生家里藏书很多,多年来四处游历,手抄的各种书籍不下几万卷。辛丑年,他去世了,享年八十九岁。朝廷听说后,特地派人料理他的后事,当时士人都非常敬佩他。
他的儿子梅以燕,字正谋,康熙癸酉年的举人,在数学方面很有天赋,他创造了一种方法,和加减法原理相同,但方法独特,能够从恒星历表中找出问题,这正如他父亲说的那样,“能帮助我的思考”。可惜他英年早逝。
他的孙子梅瑴成,字玉汝,继承了他父亲的衣钵。梅文鼎曾经怀疑日差有两根,应该列出两张表,梅瑴成就说:“既然已经有了计算朔日的盈亏高低的方法,再用这个方法,岂不是重复了吗?”梅文鼎听了他的话,才明白交食并非是缺损,这就像九岁的童子就能理解《太玄经》一样。梅瑴成是康熙乙未年的进士,后来做了编修,参与修撰国史。他在蒙养斋学习,所以数学越来越精进。皇帝所著的《数理精蕴》、《历象考成》等书,他都参与了编纂。他自己也著有《增删算法统宗》十一卷、《赤水遗珍》一卷、《操缦卮言》一卷。
明朝有个算学家,不懂立天元术,有个叫瑴成的人说,立天元一就是西方方法里的借根方。他解释说:“我以前读《授时历草》找求弦矢的方法,它一开始就用天元一代表矢,李冶写的《测圆海镜》也用天元一立算。但是书稿传抄过程中出现了错误,算式都乱了,很难读懂。明朝的唐荆川和顾箬溪两位先生互相欣赏,都自认为掌握了其中的奥妙。荆川说:‘那些搞数学的写书,常常故意把方法藏起来,显得高深莫测,什么“天元一”啊,“积求之”啊,其实根本不知道是什么意思。’而顾箬溪则说:‘仔细研究《测圆海镜》,比如求城墙直径,就直接用240作为天元,半径就用120作为天元,答案直接就出来了,还用算吗?好像根本不需要立天元。’两位先生的看法就是这样,我觉得顾先生的说法不太对,但是我也解释不清。
后来我进宫当了供奉,皇上康熙帝教给了我借根法,还告诉我:“西方的书叫阿尔热八达,翻译过来就是‘东来法’。”我恭敬地接受并学习了,这个方法太神奇了,真是算法的指南,我暗自觉得天元一的方法跟它很像。我又重新翻看《授时历草》,一下子就明白了,原来名字不一样,但实际上是一样的,不只是相似而已。元朝的数学家写书,朝廷官员编历法,用的都是这个方法。可是后来失传了,幸好外国人很崇拜我们,把这个东西又传了回来。外国人还记得这方法的来源,叫它“东来法”,而明朝人却把它当成多余的东西想扔掉。唉!像唐荆川、顾箬溪两位先生那样好学又爱思考的人,尚且不能理解它的意思,那些见识浅薄、学识不广的人,又有什么好说的呢?
《明史》要编了,瑴成负责天文和历法部分的编写工作,然后给总编写了一封信,信里头说:
“这历法志啊,有一半都是祖宗留下来的老底子,可这东西被改来改去好多遍了,根本就不是原来的样子了,错漏百出。凡是新增、删减或者修改的地方,我都一条条地标注出来了。第一,天文志不应该放在历法志里,我觉得还是单独成册比较好。历法这东西,主要负责授时、安排闰月,计算方法复杂得很,道理也深奥得很,解释起来篇幅很长。而且明朝二百七十多年,历法变动过很多次,编历法的人也不是同一个,这些都得写进志书里。虽然我已经尽力删减了,但篇幅还是很多。如果再把天文志的内容加进去,那可就太冗杂了,不符合史书的编纂规范。从司马迁开始就分开了天文志和历法志,后世一直沿用这个做法,我觉得没必要改。第二,天文志通常记载天体、星座、星宿、天文仪器、分野这些东西,《辽史》里说天象几千年不变,历代的天文志都差不多,这种说法似是而非。虽然天象确实亘古不变,但历代研究天文的学者,他们的理解和认识是有深浅之别的。更何况恒星距离北极星的距离,以及它们在黄道上的位置,还有晨昏时分是否可见,这些都会年年有细微的变化,怎么能说几千年不变呢?我现在打算选取天文家们精妙的论述写进书里;那些不可靠的说法,我打算删掉。”
一位客人问梅子:“史书是用来记载事情的,从来不自己创造新的东西。听说你打算在《时宪志》里用图来说明,这可是二十四史里都没有的,是你自己创造出来的。上面的人应该认为这不合规矩,要把你革职的。你却坚持己见,还一再向上级申诉,难道你忘了韩愈为自己辩解的事吗?我真替你担心啊!”
梅子回答说:“我听说史书最重要的是真实和直接,我本来也不是史官。是总裁说《时宪志》和《天文志》非专家不能完成,没有觉得这很困难就委任了我。既然我无法推辞,就不得不尽职尽责。现在这位客人说以前的史书没有图,就怀疑我创造了新的东西。我认为史书记事,关键在于是否真实,是不是创新并不重要。后来的史书比以前的多了很多内容,汉书的十志,已经不同于以前的八书了。而《后汉书》里的皇后本纪,《魏书》里的释老志,《唐书》里的公主传,《宋史》里的道学传,这些都是以前史书里没有的,为什么就怀疑国史用图是创新呢?再说,你读过《明史》吗?《明史》里关于割圆弧矢、月道距差等图,都详细记载在历志里,为什么《明史》不用图就没人怀疑是创新,却怀疑我呢?”
客人说:“后来的史书比以前的多了内容,肯定是有原因的,像《明史》用图,也有它的道理吧?”
梅子说:“疑则传疑,信则传信,这是《春秋》的原则,写史书的人谁能改变它呢?古代研究历法的有几十家,大多只是增减日法,增加天周,减少岁余,只是为了符合当时的实际情况而已。就连太初历的起数钟律,大衍历的造端蓍策,也都是牵强附会,并没有真正探究天体运行的道理,以及它所以然的原因。本来就没有图,史臣从哪里取得并记载呢?直到元朝郭守敬修订授时历,不用积累多年的日法,完全依靠实测,用勾股定理计算圆的弦矢,于是有了割圆图等载入历草。编写《元史》的时候,不知道引用这些成果,这是宋、王诸公的疏忽。明朝的大统历,实际上就是授时历。本朝纂修《明史》的诸位大臣,认为不用图就无法说明道理,于是就把历草里的图收录进志,他们的见识非常高超。并且经过圣君贤相的鉴定,没有认为不合规矩而把它去掉,让精妙的道理流传下去,这足以开阔后世写史人的胸襟了。至于《时宪志》立法之妙,义理之奥妙,都体现在图中,更不能去掉。如果一定要去掉图才符合规矩,岂不是说《明史》不合规矩,而本朝的制度不足为法吗?再说,你也知道《时宪志》里的图是从哪里来的吧?我们圣祖仁皇帝怜悯这些绝学失传,用心研究探索了四十多年,彻底了解了其中的奥妙,才亲自指导儒臣,绘制图表,阐述千年来不为人知的秘密,这就是《御制历象考成》啊。我亲承圣训,实际上参与了汇编的工作。那些前辈纂修《明史》,尚且不忍心埋没古人的功绩,开创先例把它流传下来。而我作为承袭圣学的臣子,恭敬地记载圣祖的著作,反而担心违背了上司的意思,而迁就迎合,导致圣学不能彰显,误导后学,这还能说是真实的历史吗?不真实的史书,人们可以敷衍塞责,我又何必越俎代庖呢?我反复申诉,不是为了邀功请赏,而是不得已而为之。那么韩愈为自己辩解,也是说他的话是可以停止的了。如果韩愈真的为了讨好求饶以求免罪,那么诤臣的议论,佛骨的表文,又怎么会那样侃侃而谈呢?” 客人连连点头,然后离开了。
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观象台的仪器,从古到今经历了多次变迁。书上说,齐国重视天文历法,仪象和算术同样重要。没有算术,就无法预测节气,为百姓服务;没有仪象,就无法测量天体的运行,检验推算的准确性,从而改进方法。《尚书》中提到的“璇玑玉衡”,就是古代天文仪器的开端,可惜它的制作方法失传了。汉朝人创造了浑天仪,算是继承了“璇玑玉衡”的遗制,唐宋时期也都仿制过。到了元朝,又有了简仪、仰仪、窥几、景符等仪器,比以前更加精细了。
明朝在齐化门南边城墙上修建了观象台,仿照元朝的样式制造了浑仪、简仪、天体三仪,放在台上。台下还有晷影堂,以及圭表、漏壶等计时器,清朝初年沿用了这些仪器。康熙八年,朝廷下令制造新的仪器,十一年完工后安放在观象台上,旧仪器则被移到其他房间保存。康熙五十四年,西方人纪理安想炫耀自己的本事,想要废除旧法,奏请制造象限仪,把旧仪器当废铜处理了,只剩下明朝仿照元朝制造的浑仪、简仪、天体三仪。新造的象限仪完成后,也放在了观象台上。《明史》记载:嘉靖年间修缮了测风的装置以及简仪、浑仪,设立了四个圭表来测量日影,还设立了运仪、正方案、悬晷、偏晷等仪器,都放在观象台上,主要还是沿用元朝的方法。
我康熙五十二三年间在蒙养斋当编纂官,多次去观象台进行测量。我看到台下遗留的旧仪器很多,其中元朝制造的简仪、仰仪等仪器上,都刻有王珣、郭守敬监造的名字。虽然有些残缺,但看到这些遗物,就能想象到古人创造时的艰辛,不禁肃然起敬。乾隆年间,一些官员受西方人的愚弄,多次想把台下剩下的仪器当废铜送去制造局,幸亏朝廷大臣奏请保存,礼部奉旨查验后,才发现只剩下三件仪器,几乎都是纪理安破坏后剩下的残余。西方人想利用技术来传播他们的教义,所以想方设法消灭古代的方法,让后世无法考证,这样他们就能显得自己独树一帜,居心叵测。而那些官员缺乏见识,不想着保存千分之一,反而帮助他们为非作歹,真是令人痛心!乾隆九年冬天,朝廷下旨把这三件仪器移到紫微殿前,这些古代的器物,总算可以永久保存了。
咱们再来聊聊勾股定理,勾股定理的计算方法,学数学的都特别重视,方法可以说是很详细也很完善了。但是,以前没有人问过勾股面积和勾股弦和的关系是怎么算的。元朝的李冶学士写了《测圆海镜》,用余勾、余股来计算,变化多端,好像机关重重,但也没涉及到这个问题。难道大家都没想过这个问题吗?还是说有方法但是失传了呢?《算法统宗》里虽然有两道题涉及勾股面积和勾股弦和,但那只是碰巧符合勾三股四的特殊情况,不是通用的方法。我以前在蒙养斋闭门思过的时候,编撰了《数理精蕴》,就想制定一个方法来弥补这个不足。一开始我用平方反复推导,都解决不了,想了好多天,最后才用带纵立方的方法求出了勾股的两种计算方法。
他去世的时候,享年八十三岁,谥号文穆。
他的儿子戴钫,字导和,是戴瑴成的第四个儿子。戴瑴成编纂的《丛书辑要》有六十多卷,里面的图都是他画的。他修改整理《算法统宗》里的图,十之七八都是他做的。他二十六岁就去世了。
戴文鼐,字和仲,是戴文鼎的堂弟。他刚开始学习的时候,还没有五星运行的轨迹图,没办法学习天文计算。他和哥哥戴文鼎一起参考《元史·历志》,用三差法推算出五星盈亏的规律,然后进行计算,最终完成了《步五星式》六卷。他英年早逝。
文鼏,字尔素,是文鼎的弟弟。他写了一本书叫《中西经星同异考》,只有一卷。这本书呢,是用三垣二十八宿的星名,按照《步天歌》的顺序,把星星的名字都列出来,然后说明中西方星图里哪些星有,哪些星没有,数量上有什么不同。书里还收录了古歌和西歌。古歌就是咱们中国的《步天歌》,西歌是利玛窦写的《经天该》。至于南极的那些星星,他是根据汤若望的计算书和南怀仁的《仪象志》来考证,补充了一些歌,放在书的最后。
他在这本书的开头写道:“要研究七政(日、月、五星),不先搞清楚恒星的位置,就根本没法下手。所以说‘七政如乘传,恒星其地志也;七政如行棋,恒星其楸局也。’‘恒’的意思是说这些星星自古以来就位置不变;‘经’的意思是指它们不像纬星那样南北移动,‘经’字本身也包含‘恒’的意思。这本书专门研究中西方流传下来的星歌和星名,考证它们数量上的相同和不同之处,所以叫《经星同异考》。
关于星官的记载,从黄帝开始,到重黎、羲和,这些记载天文的资料,说法都乱七八糟的。汉朝的张衡说过:‘内外星官中经常能看到的有一百二十四个,可以命名的有三百二十个,总共有两千五百颗星,那些微小的星星大概有一万一千五百二十颗。’到了三国时期,太史令陈卓才把甘德、石申、巫咸三家关于星星的记载整理出来,一共是二百八十三官,一千四百八十四颗星。从唐朝开始,人们用仪器观测,到了宋朝,天文志里才开始比较详细地说明某颗星距离北极多少度,距离某颗星多少度,这方面的描述才比较详细。这就是中国古代研究星星的情况。
西方的天文学也有很长的历史,根据他们的书里记载,周赧王的时候(丙寅年),做过一次天文观测;汉朝永和年间(戊寅年),也做过一次;明朝嘉靖年间(乙酉年),尼古拉·哥白尼做过一次;万历年间(乙酉年),第谷做过一次;崇祯年间(戊辰年),汤若望做过一次。到了清朝康熙年间(壬子年),南怀仁写了《仪象志》,又根据岁差修正了黄经和赤经。现在呢,我根据南怀仁的《仪象志》里的星表,按照星的大小,把星星分成了六等。一等星有十六颗,二等星有六十八颗,三等星有二百零八颗,四等星有五百十二颗,五等星有三百四十二颗,六等星有七百三十二颗,总共是一千八百七十八颗。至于那些微弱的小星星,就数不清了。这就是西方的天文学。”
文鼏(wén jì)留下了好多年的计算草稿,文鼎(wén dǐng)把它们整理成册,取名为《授时步交食式》一卷。
他还有一些新的几何计算方法,在算书里用比例规来解释,原本没有具体的计算例子,文鼎就自己做了些计算,用上了文鼏补充的部分,并且参考了陈荩谟(chén jìn mó)的尺算方法。
明安图,字静庵,是蒙古正白旗人,当过钦天监监正。他师从康熙皇帝学习数学,参与了《御定历象考成后编》和《御定仪象考成》的修订工作。
后来,明安图接触到西方传教士杜德美的连比例计算圆周率以及求正弦、正矢的方法,觉得这方法非常高深,一时难以理解。于是,他潜心研究了三十多年,最终写成了《割圜密率捷法》四卷。
第一卷叫“步法”,它在杜德美三种方法的基础上,补充创造了用弧背求通弦、求矢的方法。其实原理还是杜德美的,只是多加了一步除法而已。这样一来,加上杜德美的三种方法,总共有九种方法来计算圆周率。其中,他用弦求弧背的方法是这样的:把弦作为连比例的两个率,半径作为另一个率,求得二、四、六、八、十等率。然后,用一、三、五、七、九这五个数字分别平方,得到累次乘数;再用二、三、四、五、六、七、八、九这些数字两两相乘,得到累次除数。先用两个率计算出第一个结果,然后用四个率,把第一个结果的乘数乘上,再用第一个结果的除数除掉,得到第二个结果。以此类推,一直算到结果只有一位小数为止,把这些结果加起来,就是所求的弧背。
用矢求弧背的方法也类似,把正矢的两倍作为连比例的三个率,半径作为另一个率,求得五、七、九、十一等率。用一、二、三、四、五这五个数字分别平方,得到累次乘数;再用三、四、五、六、七、八、九、十这些数字两两相乘,得到累次除数。计算方法和弦求弧背一样,最后算出的结果开平方,就是所求的弧背。通弦求弧背的方法也一样,只是多加一步除法。矢求弧背的方法,则要多加一步除法。他还另外创造了四种方法,分别是用余弧求弦矢,用余弦矢求本弧,以及用借弧与正、余弦互求。
第二卷叫“用法”,主要讲用角度求八线,以及直线、弧线、三角形边角之间的计算方法,一共列举了七个例子。书中说,这种方法比古代的方法精确,是因为它用到了三角形。但是,三角形的计算离不开八线表,而用他的方法,建立八线表就很容易,而且不用表也能算出同样的结果。
第三卷和第四卷叫“法解”,详细解释了弦、矢与弧背之间计算的原理。他的方法首先是用一分弧的通弦求出二分弧的通弦和弧长,然后用一分弧和二分弧的通弦求出三分弧和四分弧的通弦,再用一分弧和三分弧的通弦求出五分弧的通弦。接着,他通过二分弧和五分弧相乘得到十分弧,十分弧自乘得到百分弧,十分弧和百分弧相乘得到千分弧,十分弧和千分弧相乘得到万分弧。然后,他用半径作为第一个率,一分弧通弦作为第二个率,以此类推,求出十、百、千、万等分弧的率数。在用比例求弧背时,需要减去四率的二十四分之一,加上六率的八十分之一,减去八率的一百六十八分之一……以此类推。
书中还解释了这些分数的规律,例如二十四分之一的四分之一是六,是二乘三;八十分之一的四分之一是二十,是四乘五;以此类推。他还解释了用通弦求正矢的方法,以及用正矢求弧背的方法,也都是类似的递推过程。
这本书还没写完,明安图就去世了,后来由他的儿子续写完成。
景臻,字新,是安图的儿子。他靠俸禄生活。安图生病快要不行了,就把自己写的快速计算方法传授给他。景臻遵照父亲的遗嘱,和门下的学生陈际新、张肱一起把书续写完成。
陈际新,字舜五,是宛平的秀才。当过灵台郎,做过监正。他继续完善安图的割圆密率捷法,顺着思路仔细研究,并根据安图生前教他的内容进行补充。直到乾隆甲午年,才最终完成这本书。
刘湘煃,字允恭,是江夏人。他听说梅文鼎在天文历算方面很有名,就卖掉家产,走了上千里的路去拜他为师。他潜心思考,不断领悟,创造了很多东西。梅文鼎非常高兴,说:“刘生好学上进,让我自愧不如!”梅文鼎在给别人的信里写道:“金星、水星的运行规律,历书上说的还不够透彻,听了刘生的解释后,我才明白这两颗星有岁差的道理,这道理是确凿无疑的。”于是,梅文鼎把自己的历法疑问交给刘湘煃讨论,刘湘煃为此写了《订补》三卷。梅文鼎还说,从汉朝、唐朝以来,历法对五星的推算最粗略,所以五星的迟、留、伏、逆都只能靠占卜来推测。直到元朝郭守敬出现,才有了推算五星经度的办法,但纬度方面还很不完善。西方的历法以前也没有纬度,直到地谷(指某种历法)才有了五星的纬度,这已经是在郭守敬之后了。历书有法原、法数,它们是历法的总纲。法原,就是七政(日月五星)和交食的历法原理;法数,就是七政和交食经纬度的表格。所以,历法原理实际上是制作表格的根本。现在历书上记载的金星、水星,如果按照历法原理来制作表格,就会和实际推算出来的表格不符;如果用表格来推算天文现象,却又非常准确。这就说明,虽然历书上有表格和数据,但人们还不知道制作表格的根本原理。”于是,梅文鼎撰写了《五星法象》五卷,梅文鼎非常赞同刘湘煃的观点,并摘录其要点写成《五星纪要》。
刘湘煃还想把浑盖通宪天盘用于安置星宿,他用戊辰历元加上岁差,运用弧三角法,编制了《恒星经纬表根》一卷,以及《月离交均表根》、《黄白距度表根》各一卷,这些都是补充新法中没有的内容。他还著有《论日、月食算稿》各一卷,《各省北极出地图说》一卷,《答全椒吴荀淑历算十问书》一卷。
王元启,字宋贤,号惺斋,是嘉兴人。乾隆辛未年考中了进士,被派去将乐县当县令。他特别钻研律历(历法和音乐)和勾股(几何)方面的学问,写了不少书,已经出版的有《惺斋杂著》。这本书里头,就包括了《史记》、《汉书》的校勘,其中《史记》的校勘,是《律书》、《历书》、《天官书》各一卷;《汉书》的校勘,是《律历志》上下两卷。还没出版的呢,还有《历法记疑》、《句股衍》、《角度衍》、《九章杂论》这些。
要说这其中,《句股衍》这本书,他可是费了大力气把复杂的知识点都解释得特别清楚明白!这本书分甲、乙、丙三集,甲集《术原》三卷,乙集《纲要》二卷,丙集《晰义》四卷。甲集第一卷是总论,讲勾股定理的原理,也就是怎么从面积求出边长的。第二卷专门讲立方,顺便也讲了平方。第三卷专门讲用和数开立方的方法,把各种立方数的变化都讲明白了。乙集这两卷,是把一百二十三条勾股计算方法的要点都总结出来了。丙集这四卷,就是详细解释这百二十三条勾股计算方法,每一条都解释得清清楚楚,重点在于说明这些方法是怎么想出来的。
这篇文章的总序里说:关于勾股弦的计算方法,我综合运用各种方法,总共得到了七十八条公式,用来求解勾股弦之间的关系。此外,我还研究了用幂积求圆面积、正方形面积、长方形面积的方法,以及已知弦长求正方形面积的方法,还有根据勾股求外接正方形、外接圆面积的方法。另外,我还研究了用面积和勾股弦的和差来求正方形面积的方法。总而言之,这些方法加起来一共二十九条。 我还建立了表格来测量,可以用来求高、求远、求深,一共三条公式,用重表法也是一样。以前的算书大多简略,详细的又常常错误百出,没有条理。我曾经努力地把它们区分开来,使它们各归其类,先整理出了113条勾股弦的计算方法。
甲申年仲秋,我又重新整理之前的成果,一条一条地推导计算,比以前的方法更快,但是我还是把旧方法也附在后面,供大家参考。 尤其重要的是,用内接圆面积与弦的和差来求勾股弦的精确数值的方法,以前很少见到,我现在也尝试着总结出一套方法,放在后面。我还另外创造了截弦分段,以及已知一部分勾股求另一部分的方法,一共六条公式,即使不是勾股形的,也能转化成勾股形来计算。还包括了非勾股形求内接圆面积两条公式,以及正方形面积、圆面积四条公式,外切圆直径一条公式,圆内累求勾股六条公式,总共又十九条。这些方法涵盖了西方三角学的计算,也兼顾了割圆术的应用,让学习者能够掌握《周髀算经》中的所有计算方法。以前的人不能触类旁通,穷尽其变化,所以西方的数学方法才能出现并胜过我们,其实西方的数学方法也是来源于《周髀算经》,只不过不能超出勾股弦的范畴而已。
这篇文章的引言里又简略地介绍说:算术中勾股这一章,方法最繁杂,不通过具体的数字来进行计算,很难理解其含义。像《周髀算经》中记载的“勾三股四”只是最基本的例子,除此之外还有很多变例。如果想把所有正例和变例都列出来,在一卷书里就会互相混杂,让读者眼花缭乱,更加混乱。所以,我特意挑选了一些例子,即使不是勾股形的也列举出来,目的是为了穷尽勾股的各种变化,并且涵盖三角形的计算方法。
朋友问我对句股书的看法,我回答说:想要学习句股,首先要学会开方,开方又分正方和纵方。纵方就是用长和宽的和与差来开方。其次,要学习求四率比例的方法,包括三率求四率、二率求三率和一率求三率等方法。掌握了这些,就能知道如何求得句、股、弦的整数解。方法是:以三率中的中率为主,中率的倍数为股,首末两率之差为句,首末两率之和为弦。根据这个原理,可以推导出十几个句股的例子。然后,用句、股、弦作为正数,两两相加得和,两两相减得差。还有句股三数相加减得到的和差数,弦与和,和弦与较和三数相加的和数;弦与差,差弦与和差三数相减的差数。这三数相加减,现在叫做兼三和较。总共有正数的和差各三个,兼三和较各两个,共十三个数。从这十三个数中,任意取两个数,就能求出句、股、弦的全数。总共有九十四种求解方法,而容方、容圆、截股分两、立表测量单表、重表的方法,这里还没包含在内。
接下来是求截弦分两的方法,也就是一句股分两句股,这样就能知道即使不成句股也可以分两句股。不成句股分两句股,就是西方三角学中所说的方法,现在我们都用句股来概括它。方法是取大小两个句股形,小股和大句数值相同者合为一体,就是不成句股的形状。把它分成两部分,那么所谓的中垂线,就是小矩形的股,大矩形的句。以此类推,又可以得到二十多个不成句股的例子。依此类推,又可以得到合形分两、削形求全两种方法。合形分两,又有正合形截偶分两、反合形截中分两、偏合形截边分两的方法;削形求全,又有削去正矩、偏矩的区别,偏矩中又有浅削、深削之分。掌握了这些,句股的学习就完成了。
元启曾经说过:“我没有别的长处,只有好学深思,用心去理解而已。”然而,他写的《句股术》一书,几乎要超过梅文鼎,成为算术中不可或缺的著作。
朱鸿,字云陆,是苏州人。嘉庆七年考中进士,后来被选入翰林院当庶吉士,散馆后被授予编修的官职。 他升迁为御史,又历任给事中,之后外放湖南,担任督理粮储道。朱鸿特别擅长数学。
他老乡钱仪吉写过《三国会要》,把乾象、景初两种算法结合起来,朱鸿还专门为此作过注释。当时,湖州的陈杰在京城做官,当博士;阳湖的董祐诚也在京城做客,他们都天天跟着朱鸿学习数学,互相讨论,互相提问。以前没有人能算出椭圆的周长,朱鸿就告诉董祐诚:圆柱体斜着切开,切面就是椭圆,可以用勾股定理来计算。董祐诚听懂了,还画图解释了一下。
朱鸿一开始得到杜德美的《割圆九术》手抄本,就拿给董祐诚看,还自己创作了图解三卷。 后来他又从李潢家得到了一种计算圆周率的快捷方法,这是蒙古监正明安图师兄弟续写的书,跟之前的手抄本内容不太一样。朱鸿曾经按照杜德美的算法计算过,当圆的直径为1时,圆周长是3.141592653589793238462643383279502884197……;当圆的直径为10时,圆周长是31.41592653589793238462643383279502884197…… 徐有玉把这些结果收录进了《务民义斋算学》里。
道光十年以后,朱鸿辞官,仍然住在北京,写了《考工记车制参解》。他还对程大位的《易畴》和《考工创物小记》进行了评注,纠正了很多错误。
博启,字绘亭,是满洲正白旗人。乾隆年间,他在钦天监当副监正。他发现,以前的人对勾股定理的研究已经很全面了,但是关于勾股形里边所包含的方边、圆径、垂线这三者之间的关系,却还没人完整地研究出来。于是他就用这三者之间的关系,创造出六十种计算方法。可惜的是,他的书没出版,这些方法也没流传下来。现在流传下来的,只有一道题,就是已知方边和垂线,求勾、股、弦。他的方法是用平行线把正方形面积分成四个小的勾股形,利用垂线作为小勾股的和,利用方边作为小弦,来求小勾和小股。然后用小股比上垂线,就等于方边比上勾;用小句比上垂线,就等于方边比上弦。
道光年间初期,方履亨当了钦天监监正,他经常用这道题来考学生。后来,甘泉的罗士琳大力宣传他的学术成就,博启的数学方法才重新被世人所知。
罗论说:“我以前听说方慎菴监正说过,绘亭监副曾经掌握一种计算方法,后来失传了。我就模仿监副留下的方法,用平行线把半圆的面积分成四个小直角三角形。用半圆的半径减去垂线剩下的部分,作为小直角三角形两条直角边的和,再把半圆的半径作为小直角三角形的斜边,就能求出小直角三角形的两条直角边。用小直角边比垂线,就如同半圆的半径比直角三角形的另一条直角边;用小直角边比直角三角形的另一条直角边,就如同半圆的半径比斜边。
然后,用半圆的半径减去正方形的边长,得到一个差值。再用平行线把这个差值的平方分成四个小直角三角形,把半圆的半径作为小直角三角形两条直角边的和,把差值作为小直角三角形的斜边,求出小直角三角形的两条直角边。用小直角边比半圆的半径,就如同正方形的边长比直角三角形的一条直角边;用小直角边比半圆的半径,就如同正方形的边长比直角三角形的另一条直角边;用小直角边比直角三角形的另一条直角边,就如同差值比斜边。这些都是补充监副遗留下来的方法。
我又用天元术演算出了三边和差六十道题,并且建立了天地两元广例二十五术,写成了《句股容三事拾遗》四卷。我又尝试改进这种方法,用八线表,利用正方形的边长和斜边长度的比例关系,求出正方形内斜线的长度。以垂线为第一比例,半径为第二比例,斜线为第三比例,求出第四比例,也就是正割。查八线表得到角度,再与45度相加减,得到垂线分割出的两条弧的大小。再以半径为第一比例,垂线为第二比例,小弧的正割为第三比例,求出第四比例为一条直角边。如果以大弧的正割为第三比例,求出的第四比例就是另一条直角边。如果以大小两弧的正切为第三比例,求出的第四比例就是大小两弧的两条分弦,把它们加起来就得到弦的余弦。
另外两道题也用同样的方法计算,得到的结果相同,但是小数位数会有差异。因为八线表列出的数字只精确到个位,个位以下的小数部分都舍弃了,所以计算结果不能像句股术和天元术那样精确。有些人妄加评论说天元术不能处理三角形的边和差问题,这真是无知!要知道,天元术是在宋明时期发明的,怎么可能预知西方会有三角学而提前立法呢?关键在于学习者要善于融会贯通啊!
试想一下,有一个等腰三角形,有一个角在两条腰之间,已知大边与对边的和,以及小边与对边的和,要求解出三条边长和垂线长度。这是西方常用的方法无法解决的。但如果用天元术,那么无论要求解任何一边、和或差,都可以通过一次平方运算得到结果。所以,天元术和西方的三角学方法,其优劣高下立判了!”
许如兰,字芳谷,是安徽全椒人。乾隆三十年考中了举人,后来通过大挑考试当上了知县,被分配到福建去。因为他父母年纪大了,他就改去了江西任职,先后在浮梁、新建等县当过县令。守孝期满后,他又要去福建上任,被任命为侯官县知县,还没来得及上任,就得了瘴气,病死了。
许如兰这个人天资聪颖,读书非常认真,钻研得很深。他一开始学习历法,就用西方的办法,通读了薛凤祚翻译的《天步真原》、《天学会通》。当时和他同县的山西宁武同知吴烺,是跟梅文鼎学习的,而梅文鼎又是刘湘煃的学生,所以许如兰也跟着学习了梅氏的历法。乾隆四十年夏天,他还去北京拜访了戴震,学习了戴震的《句股割圜记》。乾隆四十四年,他又去常州拜访了董化星。戴震是整理古代算经十书的人,而董化星则是专门研究薛凤祚著作的人。所以说,许如兰既通晓中国古代的数学,又掌握了西方的数学知识。
他曾经对他的学生胡早春说:“古人把勾股定理(句股方程)放在小学的课程里,小孩子都能学会,现在连老资格的学者都不能理解它的含义了。一方面是因为考试只注重八股文,认为勾股定理不重要;另一方面是因为士大夫们觉得学习数学很掉价,不愿意拿着算筹进行计算,认为那是算命先生干的事。唉,真是太错了!”他还说:“士大夫如果不精通数学(弧矢之术),即使懂天文,也没有什么用;而算命先生(畴人算工)如果不明白数学的原理(象数之理),即使会计算,也没有什么用。”他写过《乾象拾遗》、《春晖楼集》等书,现在很多都失传了。
这段文字讲的是古代天文历法,特别是关于岁差的讨论。作者首先引用了梅氏《月建》的观点,大意是说:古人因为无法直接观测天体运行的规律,只能依靠恒星来推算日期。但恒星的位置会随着时间推移而发生变化(岁差),所以冬至时太阳所在的位置和以前不一样了,于是就有了岁差的计算方法。古人认为恒星不动,黄道(太阳运行的路径)西移;但现在观测发现,所有的星座都在动,它们的位置变化不是围绕着赤道转,而是沿着黄道向东移动。所以也可以说黄道不动,恒星向东移动,这和七曜(日月五星)的运行规律是一样的。
接着,作者解释了古人计算历法的两种方法:一种是以“中数”(平均值)为一年,以“朔数”(月亮朔望)为一年;上古时期气朔同日,所以月建(每月起始)是从节气开始,而不是中气;而日躔(太阳运行)过宫则从中气开始,而不是节气。所以说冬至是子(子时)的一半,或者说是太阳运行到星纪(星宿名)的位置。一年有十二个“月建”,代表着天道运行的十二个辰(时辰),这是亘古不变的。虽然斗柄(北斗七星的斗柄)指向的位置用来确定节气并不完全准确,而且恒星东移导致误差越来越大,但古人说“斗为帝车,斟酌元气而布之四方”,“招摇柬指”,意思就是天道运行没有固定的轨迹,只是说斗柄的指向可以作为参考。如果死板地拘泥于斗柄的指向,就会产生误解。
关于岁差,书中提到:恒星每年向东移动五十多秒,而且黄道和赤道(地球赤道在天球上的投影)是斜交的,不是平行的,在左旋(地球自转)的高速运动中,会稍微向右偏斜。太阳在天球上的运行,就像经纬线在地球上的运行一样。太阳运行到黄道上特定的位置(节气),就会带来春夏秋冬的变化。七曜运行到不同的宫位,也会受到宫位本身的干湿冷暖风雨等因素的影响。所以冬至和夏至分别位于黄道上的子位和午位,春分和秋分分别位于黄道上的卯位和酉位。在唐虞时期,冬至时太阳位于虚宿(星宿名),而恒星的子位也正好位于黄道的子位。此后逐渐产生偏差,到东周时冬至的恒星位置在女宿,汉代在斗宿,现在在箕宿。黄道的子位和恒星的子位并不重合。古人以丑宫初度为冬至,是因为周代时冬至的恒星位置已经移动到了丑宿,周人就用恒星的位置来确定黄道的十二次(十二个区域),所以把丑宿命名为星纪。实际上,丑宿只是周代时恒星的位置,并非恒星的子位。现在冬至的恒星位置已经不在丑宿了,而是移到了寅宿十多度的位置。从现在的箕宿往前推算到古代的虚宿,大约经历了四千多年,位置已经偏移了五十八度,这充分证明了恒星东移的事实。书中其他与历法无关的内容,这里就不记录了。