李潢,字云门,是湖北钟祥人。乾隆三十六年考中进士,后来当官做到工部左侍郎这么大的官儿。他读书可广了,什么书都看,尤其精通数学,算天文历法那叫一个准!他还写了一本书叫《九章算术细草图说》,一共十卷,里面还加了《海岛算经》一卷。
他自己在书里写序的时候,特别提到了书里的图解,他说:“书里九幅图,望远、海岛这两幅图以前就有图解了,另外八幅图是我新加的。你看这些图,两两对比,算出来的比例,用二三两数相乘的结果,和用一二两数相乘的结果是一样的。要是想用图表示出来,就取一三两数连起来作为一边,再取二四两数连起来作为另一边,画个长方形,它自然就分成四个小方块了。再用斜边把它们分成两个相似的直角三角形,这样就能验证图形的正确性了。以前的图解,在图形外面另画两个面积相等的正方形,如果两个图形相距很远,还得绕来绕去地连接起来,其实完全没必要。我的图是用四边形、五边形来说明的,好像跟直角三角形不一样,但你要是把直角三角形补到图形外面,它其实也是直角三角形。这‘四率比例法’,在《九章算术》的‘粟米’章里叫‘今有’,其中一代表所有率,二代表所求率,三代表所有数,四代表所求数,在直角三角形里,统称为‘率’。刘徽的注里说:‘句率股率,指的是能看到直角边和斜边的比例’。我现在只是说‘同式相比’,是为了简便易懂,其实异乘同除的结果都是一样的。”
李潢写完书后就病了。等吴门沈钦裴帮忙校对完算学部分,才能付印。过了八年,他的外甥程矞采帮他家把书校对出版了,算是完成了他的心愿。
九章算术这书,最开始是东原戴氏从《永乐大典》里找出来的。后来又刻印在了曲阜孔家,再后来又刻印在了常熟屈家,所有版本都严格按照戴氏的校订本来的。那时候古籍才刚刚出现,校对工作非常难,难免有些地方对不上,有矛盾。所以,全国各地研究九章算术的人,家里都珍藏一本,把它当作最权威的标准。 刘徽注的《九章算术》也因此有了好版本。
后来啊,我发现除了《九章算术》,在十部古算经里,最值得重视的就是王孝通的《缉古算经》了。唐朝科举考试,专门考《缉古算经》,而且限定三年内必须完成,可见这书有多么深奥难懂。市面上流传的长塘鲍氏、曲阜孔氏、罗江李氏这几个版本的《缉古算经》,都是根据汲古阁毛氏影宋本刻印的,只保留了原文,却没有详细解释计算方法,而且抄写过程中还出现了不少错误。虽然阳城张氏用天元术推演并详细注释了,但天元术是宋元时期才出现的,比王孝通要晚得多,似乎不是这本书的本来面目。
所以,我根据《九章算术》里的古义,对《缉古算经》进行了校对,把错误的地方改正过来,缺失的地方补充完整,还写了两卷考注。目的就是把斜边、面积、体积、分割、合并、虚实这些概念的本来含义解释清楚,力求还原书中原本的算法。我的稿子还没写完,我就去世了。后来,我的稿子被南丰的刘衡先生传给了他的家乡人,他们又用西域的开方方法增加了计算过程,还加上了图解,在江西刻印出版了。结果喧宾夺主,把原来的东西都搞乱了。 最后,我孙子矞把江西那个版本里的图解和新增的计算过程都删掉了,重新按照我原来的考注出版了。
李兆洛给这本书写了序言,他说:“这本《辑古》是干嘛用的呢?它主要是把少广、商功这些古代数学的精髓给更深入地解释清楚了。商功的方法,就是长乘宽,再乘以高或者深,算出体积。这本书反过来,是用体积和差值来求长、宽、高、深,求出来的是最小的数。为什么求的是最小数呢?因为求大数的话,实、方、廉、隅这些数值,正负数会混杂在一起,太复杂了。而求最小数,实数通常是负的,方、廉、隅通常是正的,这样就简单多了。”
“你看那些观测台、道路、堤坝、河道、仓库、粮囤,还有堆放柴草的屋顶、运输粮食等等,形状各种各样,为什么都用开立方的方法来计算呢?因为这背后有一个贯穿始终的道理。万物先有其存在,然后才有形状,有了形状才会有数量。斜着切开一个立方体,得到两个不规则的立体,一个叫阳马,一个叫鳖臑。阳马的体积是鳖臑的两倍,这个比例是不会变的。现在,对于平地上那些形状不规则的物体,不管它是像不规则的立体、阳马还是鳖臑,我们都先算出它的体积。然后,在计算体积的过程中,不乘以所求数的部分是减积,乘以一次所求数的部分是方法,乘以两次所求数的部分是廉法,所求数自乘两次的部分是立方,也就是隅法。用开立方的方法除,就能得到我们要求的数。如果在纸上画图,先算出长乘宽,再用我们求出来的数来横向截取。把平面的面积分成几段,再用截取的高度乘以我们求出来的数。把体积分成几段,哪些是减积,哪些是方、廉、隅,都分门别类,清清楚楚,一目了然。”
“作者的意思,不用多说就明白了。书里说的‘廉母自乘为方母,廉母乘方母为实母’,这就是开方运算的关键技巧。先生在这本书里把开方运算的根本方法解释得清清楚楚,就像用锯子锯木头,像用锥子在地上划线一样,还纠正了书中的一些错误,条理非常清晰,真是王孝通(《缉古算经》作者)的功臣啊!我在这里简单地概括一下这本书的主要内容,告诉那些学习这本书的人,不要再觉得它难读了。”
汪莱,字孝婴,号衡斋,是歙县人。十五岁的时候,就当上了博士弟子。二十岁以后,他在吴县葑门外读书,很仰慕家乡的江文学永、戴庶常震、金殿撰榜、程徵君易畴这些学者,努力学习经史百家以及推算历法的知识。嘉庆十二年,他通过优贡生的身份进京,考取了八旗官学的教习。正好御史徐国楠上奏建议重新修订《天文志》和《时宪志》,大学士们首先推荐汪莱、徐准宜、许沄三人进馆参与修订。十四年,书就完成了。朝廷论功行赏,让他继续担任教习的职务,后来又选派他到石埭县当训导。十八年,他参加省试,结果生病回家了,最后死在任上,享年四十六岁。
早些年,也就是嘉庆十一年夏天,黄河在王营减坝开闸泄洪,河水直冲张家河,又汇合了六塘河入海。两江总督奉命调查云梯关外旧海口和六塘河新海口的地势高低,请汪莱进行测量计算。他精湛的计算能力,早就为朝廷官员所熟知。他曾经制造过浑天仪、简平仪、一方仪等天文观测仪器。
他和老乡巴树谷关系最好,经常在江淮一带游历,还和焦孝廉循、江上舍藩、李秀才锐等人一起,讨论宋代秦九韶、元代李冶关于天元术以及正负开方等数学方法。他天资聪颖,特别擅长攻克难题,从不敷衍了事。他说的每一句话,都是别人没说过,甚至连他夫人也想不到的。
他曾经用古书中提到的八线法,最终用三分取一的方法,运用益实归除法进行计算,得到的结果,其真数只占十分之二。后来他领悟到,五分之一通弦和五分之三通弦交叉构成三角形,于是建立比例法则,从而求得五分之一的通弦,并且弦切的数值更加精密。梅文鼎的《梅氏环中黍尺》书中,有以量代算的方法,但是只求得了倚平仪外周的两角,而内半周的角没有详细说明。他的方法比较容易,于是他创立了一种新方法,直接测量不倚靠外周的角度,这样三角形的量法就完整了。关于堆垛问题,求解等边三角形、直角三角形、尖堆的体积,古法只计算到三乘方,他又进一步推广,将三乘方、四乘方以上的尖堆体积计算方法都推导出来,可以由底边求得体积。他还研究了各种递兼法,补充了《九章算术》的不足之处。
梅文穆公研究过勾股面积计算方法,还研究了天元一、正负开方的问题,哪些能算,哪些算不了,他都搞清楚了。他改进勾股面积计算方法的事儿,文穆公在《赤水遗珍》里写道:“以前求勾股,只知道勾股面积和勾弦和,却不知道怎么算,我苦思冥想,终于总结出四条规律。”他的学生丁维烈又发明了一种用减纵翻积开三次方的方法,文穆公也认可了。
我说啊,勾股面积相等、勾弦和相等的情况,就像长方体底面积相等、高和宽的总和相等一样,都有两种不同的形状可以对应。比如,勾是20,股是21,弦是29,勾弦和是49,勾股面积是210。再比如,勾是12,股是35,弦是37,勾弦和也是49,勾股面积也是210。提问的人故意只告诉你一种形状,让你算出另外一种形状的勾股,梅、丁二位先生的方法虽然有了,但不好用。
这是因为,两个勾弦差和一个勾弦和,总是成比例的,是个三率问题。两个勾弦差就是三率里的首末两率;两个勾弦差减去一个勾弦和剩下的数,就是三率里的中率;而勾弦和一定是三率之和。所以我创造了一种方法,可以根据两个面积相等、两个勾弦和相等的情况,求出两种勾股形状。用勾股面积的四倍自乘,再除以勾弦和,就得到了长方体的体积。用勾弦和作为长方体的高,开方后得到的就是两个勾弦差的中率,这个中率自乘就是长方体的底面积。再用中率减去勾弦和,得到长宽的和,就能求出长和宽,也就是两种勾股形状的勾和股。
同面积的边可以互相替换,三次方乘法前后顺序可以互换,所以勾股面积的四倍自乘,就相当于两种形状的勾相乘作为底,两种形状的股相乘作为高,这就像用中率乘以首率一样。中率就是中率,再乘就是三次方的三率之和,就是长方体。由此可以推断,长方体两个高的数值总是首末两率,高宽和总是三率之和,三率之和与面积相等、勾弦和相等的两个勾弦差和勾弦和完全一样。比如,高是9,宽是10,高宽和是19,体积是900。如果高是4,宽是15,高宽和也是19,体积也是900,这些数字都是由两种形状互相推导出来的。所以,我的方法就是把面积当成长方体的体积,把高宽和当成长方体的高。用长方体体积开方,得到的就是两种形状的高的中率。用中率减去高宽和,剩下的就是长方体的底面积的长宽和。中率自乘就是长方体的底面积。用长方体的底面积的长宽和开方,得到的就是长和宽,也就是两种形状的两个高。用高和宽的和减去高,就得到宽。
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首先,他讲的是正负开方。元朝的李冶,他的《测圆海镜》和《益古演段》两本书,详细解释了天元术里,那些未知数互相消去最终一定得用到正负开方的方法,这比宋朝秦九韶的《数学九章》还要深入。梅文鼎先生虽然说过天元一就是西方人说的根号的由来,但正负开方这块儿,他还没完全解释清楚。
后来元朝有个叫李秀才的人,认真校对这些书,说《九章算术》里“少广”这一章,有了正负开方这个方法才算真正贯通了。很多喜欢研究古代数学的人,都纷纷赞同他的说法。只有莱(指作者自己)认为,这里面有些东西是可以知道的,有些东西是不知道的。
举个例子,《测圆海镜》里边股第五问,题目是“圆形田地,直径240步和576步加起来是多少步”,李仁卿直接就回答是240步。再比如,《数学九章》田域第二题,“三角形田地,底边240步和高840步加起来是多少步”,秦九韶直接就回答是840步。 莱就从二乘方开始,一步一步地分析,推导出了95条结论。
如果已知的是长宽高这些具体数值,那结果是可以算出来的;但如果已知的是长宽高这些数值的总和,那就算不出来了。他还发现,有时候真数少,根数多;有时候平方数和立方数混在一起,加减乘除的关系也不确定。所以他制定了一个方法来验证:用平方数除以立方数,再乘以根数,然后和真数比较。如果结果小于真数,就说明长宽高是已知的;如果结果大于真数,那就要用通分法了,用三母总数(真数)、三母维乘之共数(根数)和通分之共子(根数)这三个数来算,比如用2、6、12这些数。
假设真数是144,少280,根数多20,平方积和立方积相等,那么这三个数都一样,这就属于算不出来的了。
李秀才写书,总结了三种情况来解释“一答”和“不止一答”。他说:如果长方形的两个角的数值相同,那就是“不止一答”,算不出来;如果两个角的数值不同,并且长和宽的数值没有互相影响,那就是“一答”,能算出来;如果两个角的数值不同,但是长和宽的数值互相影响,并且最终算出来的结果和其中一个角的数值相同,那就是“一答”,能算出来,否则算不出来。他用“长和宽的数值相同”和“长和宽的数值不同”来解释“一答”和“不止一答”;用“长和宽的数值关系”来解释“能算出来”和“算不出来”,意思是一样的。他写了《衡斋算学》七册和《考定通艺录磬氏倨句解》一册。
陈杰,字静弇,是乌程县的秀才。他考取了天文生,当上了钦天监博士,在时宪科兼天文科工作,负责测量工作。后来官至国子监算学助教。道光十九年,他因为生病辞官回家,最终在家中去世。他一生精通算学,尤其擅长运用比例。他最初编写了《辑古算经细草》一卷,十多年后,他又为它配上了图解,完成了三卷;他还广泛查阅文献,考证书中传抄错误,比较不同版本,另写了一卷音义解释。
他自己关于比例的解释是这样的:“比例的方法,最早出现在《九章算术》,后来传到了西域。古代的方法叫做‘异乘同除’,西方的说法叫做‘比例’。比如,甲有400块钱,可以换2斗米,问乙有600块钱,可以换多少米?答案是3斗。计算方法是:用乙的钱数作为基数,乘以甲的米数,然后除以甲的钱数,就能得到结果。钱和米是不同的单位,相乘,再用钱的单位相除,所以叫做‘异乘同除’,这是古代的方法。用甲的钱数比甲的米数,就像乙的钱数比乙的米数一样。凡是用‘以’字的,是一个比例;用‘比’字的,是两个比例;用‘若’字的,是三个比例;用‘与’字的,是四个比例。二三相乘,再除以一,就能得到四,这是西方的算法。元朝和明朝的时候,这种古代的方法在中国几乎失传了,不知道是什么时候传到西域的。明神宗的时候,西方人利玛窦来到中国,带来了他写的算书,中国人把它当成新发现,其实里面用的都是古代的方法,只是名称和说法不一样而已。现在用西方的说法来解释王氏的算法,是为了方便理解,也是为了说明中西方算法的共通之处。”
有人说啊,二十一史的律历志,没有一个不用比例的。其他的像《九章算术》、《缉古算经》、《十种算书》,也都大量用到比例,只不过古人总是不明说比例这个词。比如《缉古算经》第二问,求均给积尺,想要用已知条件求另一个图形的体积,它突然就用了两个面的面积的平方,一个用来乘,一个用来除,结果就出来了。第九问求圆囤,第十问求圆窖,也突然就用周长和直径乘除,跟求正方形面积的方法一样,算出来的结果都对。我后来仔细研究,画图分析了很久,才明白原来这就是比例啊!然后我就把比例这个概念明确地提出来了。从那以后,看古代算书的人,就没有不知道比例的了。
后来从道光年间开始,我多次在观象台亲自督促值班的天文生们,连续多年实测黄赤大距为二十三度二十七分,但一直没上报,所以当时不敢用这个数据。直到甲辰年修订《仪象考成续编》的时候,监修官才把这个数据上报了,然后就正式颁行了。
我晚年写了一本书叫《算法大成》,上编十卷,首先讲加减乘除,然后是开方、勾股,接着是比例、八线,再然后是对数,最后是平面三角和球面三角。内容分类清晰,每种方法都先列出旧法,再把新法附在后面,配图说明,不怕重复,解释得非常详细,专门是为了引导初学者学习而写的。下编十卷,内容就比较杂乱了,没有按照章节来写。我自己说:“算法的用途非常广泛,最重要的就是用于天文历法,所以下编就讲在官场上的应用,首先是天文历法,其次是军事,然后是工程、钱粮,再然后是户籍、盐务,最后是堆积丈量;读书人可以用它考证经史子集,商人百姓可以用它计算本钱、经营、买卖、日常生活,总之,大事小情,我都编了题目,做了问答,来解释算法的广泛用途,大概就是这样。”下编好像没写完。我的学生丁兆庆、张福僖都因为擅长算术而闻名。
兆庆,字宝书,是归安人。他为人沉稳,好学不倦,他提出了一个新的方法,并配图讲解了如何用项学正的两边夹角直接求对角,讲解非常清楚,独树一帜。
福僖,字南坪,是乌程的秀才。他精通小轮的原理,著有《慧星考略》。
话说有个叫时淳的人,字清甫,是嘉定人,数学特别厉害。他特别擅长钻研古人的数学方法,没有不懂的。咸丰年间快结束的时候,他和长沙人丁取忠一起在胡林翼手下做事,经常一起讨论数学问题。他看到丁取忠写的《数学拾遗》里有个“百鸡问题”,觉得这个和二元一次方程的解法暗合。
于是,他就把这个百鸡问题给扩展开来了,自己又编了二十八道题,还用“旧学商量加邃密,新知培养转深沉”这十四个字,作为题目的总标题,分成十四组。这些题都用方程法来解,还用大衍求一术来增加趣味性,最后写成了《百鸡术衍》两卷。
他在书的自序里大概这么写道:“张丘建的《算经》里有个鸡翁、鸡母、鸡雏的问题,甄鸾、李淳风他们的注解,还有刘孝孙的草稿,都没解释清楚这个题目的解法,根本不通。最近焦循的解释更是错的离谱。我读了我朋友丁取忠的《数学拾遗》,发现他提出的解法和二元一次方程暗合,这才算真正明白了。骆氏的《艺游录》用大衍求一术,用大小数来求中间数,方法挺巧妙的,但是如果遇到除不尽的情况,就没办法求解了。而方程法呢,就算除不尽,也能用分数来表示,总能求出答案。骆氏大概不知道方程才是根本的解法吧。
你看啊,这个题目就出自《算经》里的一道题,数学的奥妙之处,比不上孙子算经里那个‘不知数’的问题,但是解法都藏得很深。那些古人只写结果,只写加减三率,至于怎么得出结果的过程,一句话都没说。难道是古人故意不传授秘诀,非得让后人自己苦思冥想才能悟出来吗?孙子算经里的求一术,直到宋朝秦九韶才把它彻底搞明白,但题目本身却因为不断传抄而出现了错误,没有人用方程法来解释它。
我时淳对这个问题疑惑很久了,今年春天我和丁取忠在鄂城同住一屋,又一起讨论这个问题,过了几个月我才彻底弄明白。心里豁然开朗,再也没有什么疑惑了,这真是愁闷中的一件快事啊!所以我把方程法写进了《数学拾遗》的补篇里,还补充了求负数的方法和用加减率求答案的方法,另外把大衍求一术的解法写进了《艺游录》的补篇里。我用小数和中间数求大数的方法,还有大数、中间数、小数互相求解的方法,把这些方法都串联起来,温故知新,希望能把这个题目的精髓彻底解释清楚!把鸡翁、鸡母、鸡雏分别看作大数、中间数、小数,设的数不用一定是100,但用‘百鸡’来命名这个题目,是为了纪念这个解法的起源。”
李锐,字尚之,元和年间的秀才。从小就聪明伶俐,很有天赋。有一天,他在书塾里翻到一本《算法统宗》,一下子就明白了其中的道理,于是就钻研起九章算术和八线算盘来了。后来,他跟着钱大昕先生学习经学,明白了中国和西方的经学异同,对古代历法更是研究得很深。从三统历到授时历,他都能彻底弄明白其中的原理。
他曾经说过:“三统历,世人认为是殷商时代的历法,以元帝初元二年为起始年份,这一年是甲戌年。往前推算一千五百二十年,是甲寅年,这是三统历的元首;再往前推算四千五百六十年,又回到甲寅年,这是三统历的上元。用这种方法累积年份,用四分法往前推算,就能推算出太初历元年和朔日相同,但太初历比三统历少三分之一日,也就是少了九百四十分之七百五十。所以说太初历比三统历少三分之一日,忽略了小数部分七百五十分。 《汉书》记载了三统历,却没有详细解释太初历,其实一个月的天数,是二十九天八十一分之四十三,这个日法、月法和三统历是一样的。贾逵说太初历的斗宿是二十六度三百八十五分,这个周天数也和三统历相同。所以说,四分法和太初历没什么区别,太初历也可以说是三统历的一种。郑玄注《召诰》说,周公摄政五年二月三月,实际上应该是正月二月,之所以没说是正月,是因为当时还没制定礼仪制度,所以才没正式称正月。江声和王鸣盛他们根据《洛诰》十二月戊辰逆推,他们的说法不太准确。现在我仔细研究,郑玄精通计算,他把二月三月改成正月二月,用天文历法推算蔀数,推算的结果和实际情况完全相符,这可不是只验证一两年间的事情啊!”
首先,根据《大明历疏》的说法,郑玄注《尚书》里写,文王受命和武王伐纣的日子,都用的是殷历甲寅元。所以,他就从文王得到赤雀受命的那一年开始,用《乾凿度》里记载的年数来推算,这一年是戊午蔀,二十九年是戊午年。这和刘歆说的殷历周公六年才进入戊午蔀不一样。刘歆说文王受命九年后去世,死后四年武王灭商,七年后武王也去世了,然后周公摄政的第一年,比郑玄说的少一年。 书里还记载了《召诰》、《洛诰》里都有周公摄政七年的事,那年的二月是乙亥朔,三月是甲辰朔,十二月是戊辰朔,这些都和郑玄的说法对不上。所以他就根据推算的年份和月份,把干支排列出来,一层层地分析,写出了《召诰日名考》。这可是融汇古代历法来解释经书啊!
当时,戴震是当代最厉害的学者,他一生很少认可别人,唯独对阮元赞赏有加,认为阮元比他还厉害。戴震曾经用《太乙统宗宝鉴》来求积年术的日法,算出来是一万五千岁,也就是三百八十三万五千四十八分二十五秒,对此他还有疑问。阮元则根据宋朝同州王湜的易学理论,说每年除了三百六十五日二千四百四十分之外,还有余数,有的年份余数是五分,有的年份是六分,有的年份在五分和六分之间。余数是五分的,比如五代王朴的《钦天历》就是,日法是七千二百;余数是六分的,比如近年的《万分历》就是,日法是一万;余数在五分和六分之间的,比如景祐历法,记载在《太乙遁甲》里,日法是一万五千,这其实是暗中用了授时历的法子。他尝试着把日法作为第一比率,岁实作为第二比率,授时历的日法一万作为第三比率,再推算出第四比率,结果得到三百六十五万二千四百二十五分,这正是授时历的岁实。他从根本上追溯,一句话就点明了问题的关键。
现在研究历法的人,首先要提到的是吴江王氏的王锡阐和宣城梅氏的梅文鼎,后来休宁戴氏的戴震也成了有名的历法专家。王锡阐认为土盘历的起始年份是在唐武德年间,而不是隋开皇己未年;梅文鼎则认为回回历实际使用洪武甲子年为起始,但把它归结到隋开皇己未年。他们计算历法时,虽然都以开皇己未年为起始点,但他们推算历法成立的依据,都在开皇己未年后的第二十四年,两家的说法在这个点上是一致的。
戴震认为回回历一百二十八年里要闰三十一天,也就是说,除了每年三百六十五天之外,还要加上一百二十八分之一年的三十一天。用一亿乘以三十一,除以一百二十八,结果是两千四百二十一万八千七百五十;而根据地谷所测定的每年实际天数是三百六十五天、二十三刻、三分、四十五秒,用一亿乘以这个天数的通分结果,除以一天的秒数,结果也同样是两千四百二十一万八千七百五十,这和梅文鼎的疑问的答案一致。这三家的说法,都有可靠的证据和独到的见解,但都没有完全弄清楚。我仔细研究了《明史·历志》和回回历的原本,又参考了近几年观测的资料,认真考证后认为,回回历里既有太阳年,他们叫它“宫分”;也有太阴年,他们叫它“月分”。宫分有宫分的起始年份,那就是隋开皇己未年;月分有月分的起始年份,那就是唐武德壬午年。从开皇己未年到洪武甲子年,宫分年数是七百八十六年;从武德壬午年到洪武甲子年,月分年数也是七百八十六年。迷惑人的地方就在于这两个年数相等,所以我写了一篇《回回历元考》。这篇文章里探讨了如何求得宫分白羊宫一日进入月分起始点后所积累的年月日数的方法,因为不明白这个,即使有了历法成立的依据,也无法进行计算。可惜的是,这篇稿子丢失了,没有发表。
梅文鼎没看到过古代的《九章算术》,他写的《方程论》,很多地方都是自己琢磨出来的,但是又受限于西方的数学方法,导致跟直接消元的方法不一样。他认真研究古代数学的意义,探索其根本原理,想办法简化计算步骤,把旧方法放在前面,自己创造的新方法放在后面,写了《方程新术草》,希望古今方法都能被世人了解。
古代没有天元术,最早出现在元朝李冶的《测圆海镜》和《益古演段》这两本书里,元朝的郭守敬用它来编制《授时历》,但是明朝的学者顾应祥不明白天元术的原理,胡乱删减了详细的计算步骤,导致这种方法失传了。直到梅文鼎明白了天元术其实就是西方数学中的借根方,李冶的书才重新受到重视。李冶的原方法有些地方不通,梅文鼎另设了一些新的计算方法,而且比梅文鼎自己说的更进一步,弄明白了天元术中消元的方法,是减法而不是加法,跟借根方的加减法略有不同。
他还觉得顾应祥写的《句股》、《弧矢》两本书的算法不行,说:“弧矢术起源于《九章算术》的方田章,北宋沈括用两矢的平方来求弧长,元朝李冶用三次方来求矢的长度,引申触类,他的方法非常详细。顾应祥对这些积的计算不明白,开方运算又繁琐,不是很笨吗?”于是,梅文鼎选取了十三种弧矢术,用天元术重新计算,写了《弧矢算术细草》。他还仿照《益古演段》的例子,把六十多种句股术整理归纳,写了《句股算术细草》,为学习天元术的人铺平道路。
他还从同乡顾千里那里得到了秦九韶的《数学九章》,发现里面也提到了“天元一”的概念,但是秦九韶的方法是把奇数放在右上方,偶数放在右下方,把“天元一”放在左上方。先用右上方的数除以右下方的数,所得的商数与左上方的数相乘,结果放在左下方。依次上下相乘,直到右上方只剩下最后一个奇数为止,然后检验左上方所得的结果作为乘率。这跟李冶把“天元一”放在太极图的上面,像求积那样计算,得到寄左数与同数相消的方法不一样。所以他知道秦九韶的书其实是另一种大衍求一术中的天元术,秦九韶和李冶虽然是同时代的人,但是宋元时期南北隔绝,两家的方法没有机会交流,大概是因为他们师承不同吧。
锐曾经说过:“一年四季构成一年,最早的记载在《尚书·虞书》里,五种纪年法在《洪范》里都有说明。历法研究可是治国安邦的大事,是为政的根本啊!可是《通典》、《通考》里都没怎么记载,虽然邢云路写了《古今律历考》,但只是简单地引用经史,篇幅冗长,没什么实际内容。梅文鼎先生虽然想写一本《历法通考》,但最终也没完成。所以,我更广泛地搜集史料,从黄帝、颛顼、夏、殷、周、鲁六种历法,一直到元、明朝的几十种历法,我都一一解释清楚它们的含义,保存下来的就加以注释和整理,失传的就考证和补充,写成《司天通志》,让读史的人能打开眼界,研究历法的人能增长智慧。”可惜只完成了《四分历》、《三统历》、《乾象历》、《奉天历》、《占天历》五种历法的注释而已,我和开方剩下的稿子都没写完。
开方写了三卷书,锐读了秦九韶的书,发现秦九韶在超步、退商、正负、加减、借一为隅等计算方法上,继承了古代《九章算术》少广章的精髓,比梅文鼎在《少广拾遗》里那些不完善的方法不知道高到哪里去了。因为梅文鼎的书主要参考的是《同文算指》、《西镜录》这两本书,其实都是西方的算法,根本不懂立方以上的算法。锐把秦九韶的方法做了详细的解释和推广,写成了自己的书。可惜只写到上、中两卷就去世了,年仅四十五岁。下卷是他学生黎应南续写的。
黎应南,字见山,号斗一,广东顺德人。嘉庆戊寅年考中顺天府乡试第一名,因为在书院的贡献被朝廷表彰,被选拔为浙江丽水县知县,后来又调到平阳县知县。在沿海地区任职期满后,被加封六品官衔,最终在任上去世。
骆腾凤,字鸣冈,江苏山阳人。嘉庆六年考中举人,道光六年大挑考试中获得一等,被任命为知县。因为母亲年迈,他不愿意离家赴任,改任舒城县训导。不到一年,他就告假回家侍奉母亲,在乡里教书,学生很多。道光二十二年八月,在家中去世,享年七十二岁。他天资聪颖,喜欢读书,尤其精通数学。在北京的时候,他跟随钟祥李潢学习,潜心研究,寒暑不辍。
骆先生写了《开方释例》四卷,自己在序言里大概说:“天元术,在宋朝秦九韶的《大衍数》里出现过,但没说发明者是谁。元朝李冶的《测圆海镜》和《益古演段》两本书也用了这个方法。李冶说他的方法出自《洞渊九容》,现在已经无法详细考证它的来源了。这本书从平方到多乘,都用一种方法,即使是刍童、羡余等各种形状,也能用这种方法轻松解决,这真是算术的秘钥啊!西方的借根方方法其实也是来源于此,只不过他们用多少来代替正负,企图掩盖他们抄袭的事实。他们不知道正负用来区分相同和不同,多少用来区分盈余和不足,即使是毫厘之差,千里之远,也一定有人能辨别出来。”
接下来,他又写了《游艺录》两卷,自己写的引言是:“我已经写了《开方释例》来解释正负开方的方法了。至于衰分方程、勾股等方法,以及《九章算术》里没有记载的,还有古今算术中未能完善的地方,我都追溯其根源,纠正其错误。我不敢剽窃前人的成果来标榜自己,也不会用含糊不清的词语来欺骗世人。我只是根据自己的理解记录下来,汇集成一本书。”他留下的稿子总共有十多万字,也就是现在流传的版本。
南汇的张文虎曾经和青浦的熊户部尚书其光写信讨论过这件事,信里说:“我收到了您寄来的骆司训的算书两种,读完后特来回复。李四香的开方说法,在超步、商除、翻积、益积等方面都比别人详细,但是他不说立法的根本,让初学者一头雾水,不明白他在说什么。骆先生对于各种乘方、方廉、和较、加减的道理,都说得非常清楚明白,而且推求各元进退、定商等方法,尤其能补充李书的不足之处,可以说是学习开方者的金钥匙。汪孝婴创造了两个勾股同积同句股和的问题,用两句弦较中率来求两句弦较,所立方法很迂回。骆先生用正负开方直接求得两句,方法非常简易,衡斋先生也一定会赞同的。”可见骆先生的学问得到了大家的认可。
项名达,字梅侣,是杭州人。嘉庆二十一年考中了举人,被授予国子监学正的职位。道光六年,考中了进士,本来应该改任知县,但他没去上任,回家专心研究数学。道光三十年,他去世了,享年六十二岁。他写了很多书,现在流传下来的只有《下学庵句股六术及图解》,里面还附带了《句股形边角相求法三十二题》,合为一卷。因为句股和差相求的题目比较复杂难解,所以他根据旧法稍作改进,把方法分成六种,把类似的题目归纳到同一种方法里,这样就能应对各种题目了。前三种方法和第四种方法的前两题,都是沿用以前的解法,其他的都是他改进的新方法,都另附有简便方法和图解来说明。第四、五、六种方法的原理都来源于第三种方法,可以用比例来解释。第三种方法是用句弦的和比股,或者用股弦的和比句,这其实就是三率连比例。凡是涉及比例加减的,它们的和差也可以互相比较比例。所以第四、五、六种方法的题目,都可以从第三种方法的题目加减得到,也可以根据第三种方法的比例推导出新的比例。通过比例得到相同的面积,这样开方的原因也就明白了。项名达还创立了弧三角总较术和求椭圆弧线术,方法已经确定了,但是还没来得及写解释,因为这其中的道理很深奥,一时难以完成,所以只先完成了《句股六术》。
项名达和乌程的陈杰、钱塘的戴煦关系最好,晚年他的数学研究更加精进,认为古代的方法没用,所以不太研究那些,而专心研究平面三角形,这和陈杰的想法不谋而合。他和陈杰讨论平面三角形的时候,项名达说:“平面三角形已知两边夹一角,直接求斜边和对边,以前没有这种方法,我琢磨出一个方法,你听说过吗?”陈杰说:“没有。”于是项名达把他的方法记录下来给他。他的方法是这样的:先把两条已知边的平方和记在左边;然后用半径作为第一率,已知角的余弦作为第二率,已知两边相乘的两倍作为第三率,求出第四率,再用第四率与左边记下的数相减(钝角则相加),再开平方,结果就是第三条边的长度。
我曾经说过,西方人杜德美(Clavius)的割圆九术,道理精妙,方法高超,它原本就来自三角堆(Pascal's triangle)。董方用四种方法来解释它,这真是独到的见解。只是求倍分弧的时候,只有奇数没有偶数,徐有壬补充了这个不足,这才算比较完善了。
名达(作者自称或友人)曾经研究过三角堆,感叹它数字只是依次递增,但是其中的道理、方法、形象和数字,却蕴含着无限的奥妙。圆和方的比例无法直接沟通,要沟通圆和方,就必须依靠勾股定理,“尖”是勾股定理的形象体现;三角堆,就是“尖”的数字体现。古法求圆周长,是用半径反复求勾股定理的结果,非常繁琐。杜德美的方法是用三角堆来运用连比例的各种比例关系,这样弧和弦就可以互相推导,割圆术再也没有什么可以补充的了。
但是,用这种方法来制作八线全表,每次求一个数,都必须进行两次乘除运算,所用的弧线位数很多,乘法运算也不方便。董方、徐有壬二位的大、小弧相求法也是如此。我一直在想,能不能另立一种简便的方法,从三角堆的整数中推导出零数,只要用半径,就可以随意求出任意度分秒的正弦和余弦值,不用再从弧线和其他弧、弦、矢中取值。而且,每一次乘除运算,就能得到一个数,这似乎可以作为制作表格的一种辅助方法。
话说,戴煦先生又写了一本书,叫《象数原始》,可惜没写完就病重了。临终前,他把书稿托付给了戴煦。后来,戴煦从名达(戴煦的学生)那里要来了书稿,又花了六个月的时间校对、增补,最终完成了全书七卷。原书里只有四卷,而且只有六页纸,第七卷都是戴煦后来补上的。
第一卷叫《整分起度弦矢率论》,第二卷叫《半分起度弦矢率论》,第三、四卷叫《零分起度弦矢率论》。这三卷都用等腰三角形来说明原理,用递加法来计算,最后再详细解释计算方法。第五卷叫《诸术通诠》,收集了新立弧弦矢求他弧弦矢的两种方法、半径求弦矢的两种方法,以及杜氏、董氏等人的方法,并对这些方法进行了详细的解释。第六卷叫《诸术明变》,收集了各种计算弦矢的方法,包括求八线术、快速开方乘方术、算律管新术、椭圆求周术,说明这些方法都是从递加数变化而来的。第七卷叫《椭圆求周图解》,原书是用长轴作为直径来求大圆周长,再用大圆周长减去周长差得到椭圆周长;补上的部分是用短轴作为直径来求小圆周长,再用周长差加上小圆周长得到椭圆周长,最后还配了图解。后来,徐有壬巡抚江苏时,写信给戴煦,要他把书稿整理出来出版。书刚刻印好,徐有壬就殉难了,书和印版都毁了,真是可惜啊!
王大有,字吉甫,是杭州人,在翰林院当待诏。他精通天文计算,曾向隐士戴煦学习。戴煦先生的所有著作,王大有都抄录了一份副本。名达先生看到后,就和戴煦先生成了朋友。王大有还曾校对过《割圜捷术合编》,后来也在杭州殉职了。
丁取忠,字果臣,是长沙人。他潜心研究象数之学,不追求名利,一生刻印了二十多种算书,这些书都收录在《白芙堂丛书》里。光绪初年,他去世了,享年七十多岁。他自己的著作只有一卷,叫《数学拾遗》,里面记录了他演算的草稿,比较详细,适合初学者学习。因为他主要想拾遗补缺,所以没来得及详细说明这些方法的来源。
我后来又写了两卷关于粟布演算的草稿,自己写了个序言,里面说:“道光壬辰年(1842年),我刚开始学习算术,朋友罗寅交、学博洪宾问我一些难题,我很久都答不上来。到了同治初年(1862年),我终于认识了南丰的吴君子登太史,他教我开高次方的方法,我这才算弄懂了,但是还没完全明白它是怎么推导出来的。后来吴君去岭南旅游,我自己尝试用这个方法解其他的题,结果总是遇到很多障碍。我又写信问李君壬叔,他给了我廉法表和求总率两种方法,这才让我明白了其中的道理。后来吴君又给了我指数表和开方式表,李君还帮我画图解释其中的含义。通过这三件事,我反复琢磨,终于把道理贯通了。所以我选取了一些题目,详细地写了演算过程和简便方法的图解,做成了一卷。我把这些拿给南海的邹君特夫看,他又帮我修改完善了开高次方的方法,还另外增加了题目和演算过程,补充了我之前没写到的内容。就连算术里最精妙的道理,比如圆内接正多边形,都可以用发商生息的方法来解释,真是太棒了!”
后来我又补写了一篇演算草稿,序言里写道:“我前年和左君壬叟一起编辑了《粟布演草》,本来是为做生意的商人学习算术而写的,有些题目用一种方法演算,有些题目用多种方法演算。有的用实数,有的用代数。算式有的横着排,有的竖着排,杂七杂八地摆在一起,主要目的是让学习的人可以多看看,多比较,更容易理解。但是初学者读起来,还是觉得无从下手,因为商人用的算术书,大多文字叙述很详细,但公式却很少。况且代数是古代算术里没有的,所以初学者一下子看不明白也是正常的。这次我另外加了一道题在后面,特意模仿《数理精蕴》借根方体例,详细地解释了文字部分,希望初学者读了之后,可以从文字中理解含义。算理明白了,整本书的各种公式也就豁然开朗了,或许还能作为学习代数的入门引导呢?”我的同乡李锡蕃,也是一位著名的演算家。
李锡蕃,字晋夫。道光三十年(1850年)就去世了,他著有《借根方句股细草》一卷,里面包含二十五种方法,后来被忠厚先生选入丛书出版。
谢家禾,字和甫,是钱塘的举人。他和同学戴熙、戴煦兄弟关系很好。他从小就喜欢西方科学,几何里的点、线、面、体,样样都精通。后来,他又研究元朝以前的各种数学书籍,深入钻研,把其中的奥秘都搞明白了。于是,他把平时学习的成果整理出来,总结了分数的加减法,确定了方程正负数的表示方法,写了一本书叫《演元要义》,一共一卷。他自己在书里写序说:“元学(指高次方程)非常精深,但要掌握它的精髓,关键在于理解分数的加减法。各种四元方程的正负数,以及消元法、通分法,其根本都来源于方程。方程,就是通分的含义。方程之所以难以理解,是因为正负数没有固定的规则,加减法也没有固定的步骤,以讹传讹,像梅文鼎那样精研数理的人,都没能深入研究,其他书就更不用说了。《九章算经》中关于正负数的算法讲得很清楚,但解释的人却凭空臆断,古代数学的含义不清楚,真是太多了!只有用衍元法来解释方程的含义,这样方程就清楚了,元学也就清楚了。我写《演元要义》这本书,就是把分数和方程结合起来讲解,还附上了连枝同体分数的算法。明白了这些,就能大致了解四元方程了。”
他又用刘徽、祖冲之的圆周率来计算弓形田地的面积,想找到比古代圆周率更精确的方法,写了一本书叫《弧田问率》,也是一卷。同乡戴煦为他写序说:“古代的圆周率是直径为一,周长为三;刘徽的圆周率是直径为五十,周长为一百五十七;祖冲之的圆周率是直径为七,周长为二十二。以前的书计算弓形田地面积都用古代的圆周率,郭守敬用二至点相距四十八度来计算矢(弓形的高),也用的是古法。但是,刘徽和祖冲之的圆周率都比古代的更精确,那么计算出来的面积也比古代的更精确。假设用相同的直径画圆,割取四个弓形,中间两条弦所围成的正方形,用这三种圆周率计算出来的面积都一样,这说明三种圆周率计算圆面积的误差,正好对应着三种圆周率计算弓形面积的误差。用刘徽和祖冲之的圆周率计算弓形田地面积的方法,古代是没有的,只有《四元玉鉴》里提到了名字,但问题描述含糊不清,让人摸不着头脑。谢家禾明白了其中的道理,根据李淳风的孤矢算法,详细地推导出了计算方法,这也可以说是前人没有做到的。”
我老戴啊,又琢磨出了个新方法,把直角三角形的边长和面积的关系,用一种更巧妙的方式算出来,写了一本书叫《直积回求》。我自己在书里写了个序言,大概意思是这样的:以前戴谔士写过一本关于直角三角形边长关系的书,我也写过一本,但我们俩写的都比较浅显,而且用立方、乘方什么的来算,结果又不容易算出来,也没什么实际用处,所以那些书都没流传下来。后来我看到一本叫《四元玉鉴》的书,里面有关于这个更高级的算法,我和戴谔士一起研究琢磨,发现其实不用那么复杂的二元法也能算。
你看啊,句弦和(两条直角边之和)乘以句弦较(两条直角边之差),就是股(一条直角边)的平方;句弦和乘以股弦较(斜边与一条直角边之差),就是句(另一条直角边)的平方;而直积(面积)自乘,就是句的平方乘以股的平方。再比如,用句弦较乘以股弦较的平方,再除以直积的平方,就能得到句弦和乘以股弦和的平方。句弦和乘以股弦和的平方,其实就是弦(斜边)的平方和的平方,只不过少了一半黄方(直角三角形面积的平方)。为什么少了一半黄方呢?因为相乘的结果里面,包含了句股相乘、句弦相乘、股弦相乘这三项,这三项的平方加起来就等于弦的平方和的平方,但少了一半黄方。而这少掉的一半黄方,正好等于句弦较乘以股弦较的平方。所以,加上这半黄方,就等于弦的平方和的平方了。再加两倍的直积,就等于两倍的和的平方;减去六倍的直积,就等于两倍的差的平方。还有,句弦和乘以股弦较的平方,等于句的平方减去句股较乘以股弦较的平方;股弦和乘以句弦较的平方,等于股的平方加上句股较乘以句弦较的平方。减去句股较乘以股弦较的平方,还剩下句股较的平方。书里精妙的地方,都体现在这里。其他的那些常规方法,不用我解释,你们自己也能明白。因为时间仓促,来不及详细解释,怕学习的人不明白其中的道理,所以就在这里简单地说明一下主要原理,让大家知道这个推导过程的重要性。
我老戴去世后,戴熙帮我整理遗稿,让他弟弟戴煦校对,然后出版了。戴煦这孩子,数学也很好,人也很仗义。他后来也写了不少书,比如《补重差图说》、《句股和较集成消法简易图解》、《对数简法》、《外切密率》、《假数测圆》还有《船机图说》等等。
吴嘉善,字子登,是江西南丰人。他在咸丰十一年考中了进士,后来被选入翰林院当庶吉士,毕业后当上了编修。他和徐有壬一起研究数学。同治年间改元的时候,因为广东闹匪乱,他就跑到长沙去避难,在那里认识了丁取忠。过了一年,他又去了广州,因为邹伯奇的关系认识了浙江钱塘的夏鸾翔。这三个人志趣相投,互相帮助,共同进步。光绪五年,他被派去法国当外交官,驻扎在巴黎。后来被调回国,没多久就去世了。
他写过一些数学方面的书,首先介绍的是笔算。然后是九章算术的补充,包括今有术、分法、开方、平方、立方、圆面积计算等方法。在计算田地面积时,用到了立方、球体体积计算的方法;在计算土方工程时,用到了勾股定理、衰分术、盈不足术和方程术。在勾股定理后面,他还补充了平面三角形和球面三角形的测量方法,用来计算高和远。此外,他还专门写了一本书讲解天元术和四元术,内容包括天元术的释例、名词解释、例题、问答,以及方程与天元术的结合,还有四元术的名词解释、例题和简释。他在书的自序里写道:“如今的数学,可以说是非常兴盛了。古代的理论已经阐明,新的方法不断出现,以前可是从来没有过的。我和丁君(丁取忠)都特别喜欢数学,不仅自己沉迷其中,还想把这份爱好分享给别人。我常常觉得,现在初学者学习数学的书籍没有好的版本,梅文鼎先生编写的《算法统宗》现在也不流传了。所以我编写了这本书,力求浅显易懂,希望能帮助大家学习进步。”
罗士琳,字茗香,是陕西甘泉人。他通过监生考试,被选送到太学学习,还考取了天文生。咸丰元年,朝廷下诏征召孝廉方正的人才,各郡县都推荐了他,但他因为年老体弱而辞去了。三年春天,太平军攻陷扬州,他死在那里,差不多七十岁了。他年轻时学习经学,跟他的舅舅——江都人秦太史恩复学习儒家经典,后来却放弃了经学,专心研究数学,广泛阅读数学家的著作,日夜钻研了好几年。
一开始,我学习西方的数学方法,自己写了一本关于历法的书,只涉及宪法的一小部分。我又想到勾股定理和少广问题是相互关联的,而方田和商功问题其实没什么区别,差分法和均输法也差不多。我按照类别把它们放在一起,从《九章算术》里选取一些日常生活中常用的内容,都用比例法来处理,汇编成十二种方法,写成了四卷本的《比例汇通》。每种方法开头都写明了比率,然后是开方的方法,最后是各种乘方开方的方法。虽然现在觉得这本小书写得有点粗糙,但对初学者来说还是挺方便的。
后来我看到了《四元玉鉴》这本书,真是佩服得五体投地,于是就一心一意钻研四元术。士琳先生学识渊博,通晓各种学说,对古代和现代的数学都特别精通,认为朱世杰的这本书是算学集大成之作,想让它广为流传。于是他花了十年的时间,把书全部抄写成草稿,并且把原书中一些比例计算不通的地方和抄写过程中出现的错误都标注出来,补充漏洞,纠正错误,反复举例说明,解释疑难问题,推演验证。原书有三卷二十四门,他把它扩充到二十四卷,每一门都增加了详细的草稿。
我曾经对这本书做过一个总结性的概述,大意是说:这本书的内容完全不出九章算术的范围,不只是包含了商功(土木工程)、句股(勾股定理)、方程(方程组正负数)这些内容。像“端匹互隐”(比例问题)、“廪粟回求寓粟布”(粮食储备问题)、“如意混和寓借衰”(比例分配问题)、“茭草形段、果垛叠藏”(几何体积问题),这些都暗含着商功中差分的思想。而“直段求源”、“混积问元”、“明积演段”、“拨换截田”、“锁套吞容”(各种田地测量问题)这些则都包含着方田(田地测量)和少广(面积计算)等方法的影子。
其他的,比如“分索隐”(约分和分数问题),“方员交错、三率究员、箭积交参”(圆周率和比例关系问题),这些都体现了比例和交互计算的思想。至于那些“或问歌彖、杂范类会”(一些零散的题目和综合应用),因为它们各自有自己的方法,不好归类,所以一类放在歌词里,一类编成杂法,看起来像是补充的内容。总的来说,这本书都以加、减、乘、除、开方、带分这六种运算为基础来出题,每一类问题都包含这六种运算,从简单到复杂,很多都是以前算书里没有的,书中都会设计两道题来讲解。
比如,“混积问元”里既有关于种金田(一种特殊的田地形状)的题,也有关于勾三股四弦五(勾股定理)的题。“拨换截田”里又设计了半种金田的题。“锁套吞容”里又设计了边长为五、斜边为七、另一边为八的三角形田地的题。还有“果垛叠藏”里设计了两道关于圆锥形垛的题。“杂范类会”里既有关于徽率(一种圆周率的近似值)割圆的题,也有关于密率(另一种圆周率的近似值)割圆的题。更有一些章节专门讲解某个特定问题的,比如“和分索隐”里专门讲解开方,“三率究员两仪合辙”里专门讲解反复求解。这本书里经常提到“如积求之”,意思是说,有些问题可以用类似的方法求解,有些问题可以用定率消元法求解,还有些问题需要通过加减乘除运算来消元。书的序言里说:“平水刘汝谐撰如积释锁,惜今不传。”我想,他说的“如积释锁”大概就是指这本书里讲解的这些方法吧?
道光年间,我在北京的书店里得到了朱氏的《算学启蒙》。后来,士琳先生又对它进行了校勘注释,并把它出版了。这本书一共二十门,二百五十九道题,里面的名词术语和解题方法,跟《算法统宗》(玉鉴)有很多相似之处。士琳先生对它进行了互校,从天元术一直讲到四元术,讲解非常精细透彻,我从中受益匪浅。根据莫若先生在大德四年写的序言来看,这本书比那篇序言早写了四年。
这本书一开始就列出了乘除布算的各种方法,从超径等接术讲到天元如积开方,循序渐进,由浅入深,道理很容易理解。书名叫《启蒙》,实际上是《算法统宗》解题方法的基础,这就是第一个证明。 《算法统宗》原本每行十个字,一行十九字,“今有”低一行,“术曰”又低两行,这跟这本书一样,这是第二个证明。 《算法统宗》里“斗斛”的“斗”,写成“貐”,这是个假借字,在《汉书·平帝纪》和《管子·乘马篇》里都有,唐朝以前的《孙子算经》、《五曹算经》、《张丘建算经》等书里也出现过;“钧石”的“石”,原文作“柘”,《算法统宗》作“硕”,“硕”和“石”古时候是可以通用的,但是用“硕”代替“石”,只在《毛诗·甫田疏》引用《汉书·食货志》里见过,在算书里很少见;还有《算法统宗》里“田”的“”,虽然在李籍的《九章算术音义》里出现过,但是字书里没有,这本书也一样,这是第三个证明。
《算法统宗》虽然也是三卷,但是门数是二十四门,题目是二百八十八道,比这本书多四门二十九道题,但是按照四字分类,它们的体裁是一样的。而且像商功、修筑、方程、正负这些内容,两本书里都有,这是第四个证明。《算法统宗》如意混和第一题,根据题目里的数字可以知道一秤是十五斤,这跟这本书里斤秤的换算比例是一致的,这是第五个证明。《算法统宗》锁套吞容第九题,方五斜七八角田左右逢元第六、第十三、第二十题,都有小平小长,以前都没有相应的解题方法。这本书的卷首乘除部分,就记载了平除长等于小长,长除平等于小平的解题方法。它的田亩形段第十五题,又记载了求方五斜七八角田面积的通法,这是第六个证明。
此外,《算法统宗》或问歌彖第四题,跟这本书盈不足术第七题,《算法统宗》果垛叠藏第十四题,跟这本书堆积还原第十四题,《算法统宗》方程正负第四题,跟这本书方程正负第五题,题目都大致相同,这是第七个证明。由此可见,这本书是朱氏原书失传后重新出现的,书中还附带了一些算法,其中有一些错误,我都保留了原来的样子,只是在错字旁边做了标记,并在卷末做了勘误。
我曾经用乾隆年间明氏的快速算法校对八线对数表,发现了好几个错误:十三度一分二十秒的正切,第五位数字“○”错印成了“一”;六度四十一分十秒的正切,第五位数字“○”错印成了“六”;十二度五十分正弦,第六位数字“七”错印成了“五”;十六度三十二分十秒的正切,第七位数字“九”错印成了“○”;四十二度三十二分四秒的正切,第九位数字“五”错印成了“四”。 这些错误都说明了,西方人能做到的,我们中国人也能做到!
接着,我研究了《四元玉鉴》中关于招差法的内容,结合明氏的快速算法,用天元术进行推导,发现密率也可以用招差法计算。 我发现这种弧、弦、矢互求的方法,和《授时历》中的垛积招差法完全一致。而且,祖冲之的《缀术》失传了,但其方法在《秦九韶算书》中有所体现,也就是大衍术中连环求等差递减递加的方法,也和明氏的快速算法很相似。 所以我把这些不同学派的算法融会贯通,编写了《缀术辑补》两卷。
我还整理了古今数学家的传记,沿用了阮元先生的体例,补充了一些前人传记中没有收录的人物。 我新补充了十二位人物的列传,附录了五位;又续补了二十位人物的列传,附录了七位。 总共补充了四十四位数学家的传记,放在阮元先生的《畴人传》四十六卷之后。
最后,我还整理出版了一套名为《都为观我生室汇稾》的十二种书籍,包括《四元玉鉴细草》二十四卷、《释例》二卷、《校正算学启蒙》三卷、《校正割圜密率捷法》四卷、《续畴人传》六卷,这些书都有单独出版的版本。
外面已经刻印出版的,还有七种书:第一种是《句股容三事拾遗》三卷,《附例》一卷,这是本绘亭监副博启法补充了他以前没写完的部分,内容是关于求解方形、圆形、边长、直径、垂线交点等等,用天元术来解决。第二种是《三角和较算例》一卷,它把斜边和平行三角形中两边夹一角的计算方法融入天元法,用和差来推导公式。第三种是《演元九式》一卷,它概括了《四元玉鉴》里进退消长之类的例子,运用无穷大的数,用正负开方的方法来解题。第四种是《台锥积演》一卷,它补充了《四元玉鉴》里茭草、果垛两部分关于少广(指缺损部分的面积)计算的不足,由此引申出台锥形的计算。第五种是《周无专鼎铭考》一卷,它运用四分周术和三统汉术,推算出宣王十有六年九月既望甲戌,这和铭文完全一致。第六种是《弧矢算术补》一卷,因为元和李四香原来的方法不完善,所以增加了二十七种方法,一共变成了四十种方法。第七种是《推算日食增广新术》一卷,它推广了正升、斜升、横升的算法,用来求解月亮随着地点和时间的变化而产生的明暗方向和具体秒数,并进一步推导,求解日食发生时月亮的运行方向以及经过的各边分。
其他的书,比如《春秋朔闰异同考》、《缀术辑补交食图说举隅》、《句股截积和较算例》、《淮南天文训存疑》、《博能丛话》等等,有好几卷,但是还没刻印出版呢。我同县有个朋友叫易之瀚,也是算学方面有名的人物。
易之瀚,字浩川。他知道士琳的《四元玉鉴补草》,所以就向他请教,易之瀚还为此写了一卷《四元释例》。里面总共有开方例二十九则,天元例十一则,四元例十三则。
顾观光,字尚之,是金山人。他本来是太学生,考了三次都没考上,后来就放弃科举考试了,继承家业当了医生。
当地有个姓钱的人家藏书很多,顾观光经常借来阅读。他广泛学习经史子集和各种学说,尤其精通天文历算,能够深入了解其原理,也能指出其中不足之处。他还经常查漏补缺,完善那些不完整的地方。比如,根据《周髀算经》里“笠以写天,青黄丹黑”以及后面的“凡为此图”等文字,他就明白了书中周径里数都是为了绘图而设定的。实际上天是浑圆的,用视方法把它变成平面,就不得不以北极为中心,内外层依次环绕,这都是借用形象来比喻,并不是真的用平面来测量天体。
《开元占经》里鲁历多年积累的计算结果不符合实际,他就用演积术推算从上元庚子年到开元二年之间的岁积,发现《开元占经》少算了三千六十年。他又用《开元占经》中颛顼历的岁积与《史记·秦始皇本纪》进行对比,发现虽然这个方法是从立春开始计算的,但却是以小雪节气距朔日的日期为界限。这是因为秦朝以十月为岁首,闰月放在年末,所以小雪节气一定在十月,以前的人都没注意到这一点。李尚之(顾观光字)还用何承天调日法考证古代历法中朔余强弱不符的十六种说法,认为这些方法都不能精确推算。于是,他另立一套方法,用日法朔余反复相减,得到强弱的数值。只要日法超过百万,都可以用这种方法计算,只有朔余过于强烈的才无法计算。
授时术用平定立三差来求太阳盈缩,梅文鼎的详细解释并没有说明其原理。顾观光读了《明史》之后才明白,这其实就是三色方程的方法。他认为,凡是两个数字有升降差,彼此递减,一定能得到一个相同的数字。以此类推,就是各种乘差,那么八线法、对数、小轮法、椭圆法等等,都可以贯通起来理解。他读了《开元占经》里记载的瞿昙悉达九执术,明白了回回历和西洋历法都起源于此。所谓的“高月”就是月孛,“月藏”就是月引数,“日藏”就是日引数,只是名称不同而已,就像回回历把岁实叫做宫日数,朔策叫做月分日数一样。
咱们来说说婺源江氏家族关于冬至时刻推算的方法。他们推算刘宋大明五年十一月乙酉日(冬至)之前壬戌日和丁未日这两天的太阳实际经度,然后算出黄赤交角(两心差)。他们只用了壬戌日的数据。 我现在用丁未日的数据算出的黄赤交角,跟江氏家族“古时大,今时小”的说法正好相反。这是因为他们只取其中一种情况,根本原因在于他们认为太阳运行速度太快了。
西方的方法是用实际朔日的距离和纬度来计算日食时太阳和月亮的实际距离,方法很复杂,结果也不够精确。我改进了一下,用前后两次观测的时间来计算日食时太阳和月亮的实际距离,这样就能得到黄赤交角,不需要再用实际朔日的数据了。 我的方法比原来的方法简便而且精确。
老外算圆周,只知道用圆内正多边形边长的一半来算正弦,却不知道用圆外正多边形边长的一半来算正切。 我就根据六宗、三要、二简这些方法,另立了一种求圆外正多边形边长正切的方法,来弥补他们的不足。
杜德美算圆周的方法,是从圆内接正六边形开始算的,方法巧妙,但算起来稍微慢一点。他说圆内接正十边形的一条边,就是理分中末线的大分,离圆周比较近。而且十边形边数和圆周的等分个数只差一位,大分和全分相减就得到小分,这样连比例各率,都可以用比较简单的数字来算。计算起来特别简单,可以用弧度来算,不用弧长真数。但是,我还是觉得不好记,还是离不开查表,所以又把两种方法结合起来用,这样方法就更简便了,圆弧和直线相互求解的道理也就彻底明白了。
钱塘项氏的快速算圆周的方法,只有弦矢求余弦的方法,认为可以用在割线和切线上,我就补充了他的方法。老外求对数,是用正数反复开方,对数反复折半,方法很繁琐。李氏探究其原理,用尖锥的方法一下子就解决了问题,很巧妙,但是具体的计算方法还是比较复杂。而且他们得到的结果都是前后两个数的比较,可以用来制作表格,但不能直接求得。戴氏的简化方法和老外的数学启蒙书里,还有新的方法,但是没有彻底弄明白其中的道理。我就变通了一下,求出了2到9这八个数的对数,然后任意设定一个数,建立六种方法来计算,得到的结果都正确。我又建立了四种还原的方法,并且推演出了和差相求的八种方法,这是以前研究对数的人都没有做到的。我还发现,对数最方便用在八线(指某种计算工具或方法),而老外没有说明他们制作对数表的基础,我就冥思苦想,终于利用各种乘方差,迎刃而解,这可是我晚年研究的成果啊!
其他的,凡是近来新翻译的老外数学方法,比如代数、微积分、高等数学等等,我都进行了一些修正,都跟上面这些情况差不多。
他写过几本书,分别是《算賸初》和它的续编,一共两卷。还有一本叫《九数存古》,按照《九章算术》的内容,分成了九卷,并且加上了堆垛、大衍、四元、旁要、重差、夕桀、割圜、弧矢这些方法,都是从古书里收集来的,并且按照类别整理好。还有一本叫《九数外录》,这本书把四种算法(应该指的是算筹方面的算法)归纳整理成对数、割圜、八线、平三角、弧三角各等面体、员锥三曲线、静重学、动重学、流质重学、天重学,一共十篇内容。此外,他还著有《六历通考》,这本书是根据历法书上记载的黄帝、颛顼、夏、殷、周、鲁各朝代的年数进行考证的。还有《九执历解》和《回回历解》,这两本书都是对原有历法进行详细解释和论证的。另外,他还写了《推步简法》、《新历推步简法》和《五星简法》,这些书都是把原来的算法改用百分比来计算,简化了计算过程,更方便实用。总的来说,他在学习和研究上都实事求是,不拘泥于门户之见,所以他的分析非常精细,尤其是在数学方面成就最高。
他的朋友韩应陛,也因为精通数学而名声显赫。《几何原本》十五卷,明朝万历年间只翻译了前六卷,咸丰年间英国人伟烈亚力才续译了后九卷,海宁的李壬叔把它抄写流传开来。韩应陛反复校对,并对它进行了润色,伟烈亚力都认为这比西方的旧版本还好。除了这些,他还研究了西方新翻译的力学、气象学、声学、光学等学科,并且达到了很高的造诣,很多方面都超过了西方学者。
韩应陛,字对虞,是娄县人。道光二十四年考中了举人,当上了内阁中书舍人。他年轻的时候就喜欢读周秦时期的诸子百家著作,写文章风格古朴质朴,简洁深奥,跟当时的流行风格不一样。后来,他跟同乡姚椿交往,学习了望溪、惜抱两位前辈的古文写作方法。
左潜,字壬叔,是大学士左宗棠的侄子。他一开始是县里的学生。诗词歌赋、古文辞赋,他样样都钻研得很深,尤其擅长数学。长沙的丁取忠把他当作忘年之交。他英年早逝,让当时的文人墨客都很惋惜。
他的数学造诣很高,从大衍术、天元术到借根方、比例法这些新方法,他都融会贯通。而且他还能自己想办法,改进公式,找出错误,画图讲解,常常超过前人的成就。他曾经增订过徐有壬的《割圜缀术》,完成之后,突然领悟到一种快速通分的捷径:把分母和分子分解成极小的数字,相同的根式就去掉,这样一来,很多项的通分,就能很快地算出来。于是,他把自己的演算过程写成草稿,整理成了一本书,叫做《通分捷法》。
我写了一本《缀术补草》四卷,自己写了个序言,里面说:自从西方人杜德美创立了割圆九术,用反复乘除的方法计算圆周率,咱们明朝的明氏和董氏都对此作过解释,但杜德美的书,解释得非常透彻。不过,八线互求(指求解圆内各种线段关系的问题)方面,还没有通用的方法,还不能完全穷尽圆的各种变化,这可不是明氏、董氏他们智力不够,而是因为当时的方法不够完善,没法完全展现圆的各种变化。他们之所以能深入理解杜德美的思想,是因为借助了“借根方”;他们之所以不能发展杜德美的算法,也是因为受限于“借根方”。因为“借根方”其实就是天元术的变形,终究不如元术变化灵活。这本书继承了杜氏和明氏的思想,又参考了董氏的方法,八线相求,每种情况都建立一个公式,根据公式建立方法,再用方法进行计算。以前很多算不出来的题,现在都能用这种方法解决了;即使有些题不能直接建立公式进行计算,但只要公式存在,就能解决计算上的难题,从而把圆的各种线段关系都统一起来了。
推导这些公式的依据,所谓的“比例术”,就是明氏把半径定为一率,然后用二率法或三率法进行计算;所谓的“还原术”,就是明氏根据弧长求正矢,再根据正矢求弧长的算法;所谓的“借径术”,就是明氏利用十分之全弧的弦长来求百分之全弧的弦长,再求千分之全弧的弦长等等方法;所谓的“商除法”,其实也是还原术的变形。所以说,《缀术》是基于明氏的成果发展而来的,而且能够穷尽明氏方法的各种变化。明氏之所以有些公式没法建立,是因为用“借根方”求解时,分子分母混杂在一起,非常复杂,既不能通分,其多项式、少项式又反复变化,难以约简。你试试用我的《缀术》来处理明氏书中的问题,那些递降的各种率,一会儿就能算出来。所以说,这本书真正做到了根据方法建立公式,在明氏、董氏之后开创了新的局面吗?这本书是徐君青先生写的,吴君子登把它整理完成,不过对公式的描述很详细,对推导过程的描述却比较简略。仔细研究它的公式推导过程,很难一下子就弄明白,学习起来很困难。我利用空闲时间,补充了四卷内容,并在书的开头写下这些话。
这段文字主要讲的是明清时期中国数学家对西方三角函数表的理解和改进。
首先,作者介绍了一本名为《缀术释明》的书,并引用曾纪鸿的序言。序言大意是说,古代圣贤对数学的研究非常精深,但后来失传了。近三百年来,西方在数学方面取得了很大的进步,而中国学者才开始学习和研究。中国古代有弧矢算术,但没有像西方那样有方便的三角函数表,计算起来非常费力,效率低下。明朝引进了西方的三角函数表,虽然解决了计算难题,但缺乏对表中数据的验证方法。明静菴和董方立改进了一种计算方法,使得计算效率大大提高,这正是他们研究成果的价值所在。
“易系云:‘极其数遂定天下之象。’则综天下难定之象以归有定,莫数若矣。” 这句话的意思是说,数学能够解决很多复杂的问题。
接着,作者详细解释了明静菴和董方立两位数学家对弧矢计算方法的改进。他们都参考了杜德美的计算方法,但采用了不同的思路。董方立的方法是先从极小值入手,逐步推导到极大值;明静菴的方法则是从四分弧和十分弧入手,推导到千分、万分弧。他们的方法都与杜德美的原理相符,并且都用自己的方法解释了弧矢的计算原理。作者认为,两位数学家的贡献都非常大,没有必要比较高下。
“孔子曰:‘天子失官,学在四夷。’正今日数学之谓也。” 这句话的意思是说,如今中国数学的学习对象是西方。
近百年来,一些数学家也对弧矢计算方法进行了研究,但他们的研究都建立在董、明二氏的基础之上。作者的友人左君壬叟对数学非常热爱,对数学问题的研究非常深入。他认为,数学是自然规律的体现,中西方的数学方法应该相互借鉴。作者本人也致力于研究和解释这些数学方法,并用天元术对圆率进行了研究。
“吾友左君壬叟,于数学尤孜孜不倦,遇有疑难,必穷力追索,务洞澈其奥{穴交}。” 这句话的意思是说,作者的朋友左君壬叟对数学非常执着,遇到难题一定会深入研究,直到彻底弄明白。
总而言之,这段文字主要讲述了明清时期中国数学家对西方三角函数的学习、改进和研究,以及他们对数学研究的执着精神。
谁能想到上天竟然要夺走这样一位优秀的人才呢?壬叟竟然在甲戌年的秋天英年早逝,所有认识他的人都感到非常惋惜!更何况我和他两世都是知己好友,我怎么能不感到悲痛呢!
唉,真是让人难以接受啊!没想到他这么年轻就离开了人世,这消息让我太震惊了!我和他可是多年的老朋友了,两世都交情深厚,现在他走了,我心里真的非常难受,不知道该怎么办才好。
曾纪鸿,字栗诚,是大学士曾国藩的儿子。他通过恩荫考试成了举人,可惜英年早逝。
纪鸿从小就特别爱学习,他和哥哥曾纪泽一样,都精通算术,尤其对西方的代数特别厉害。他思维敏捷,勇于创新,想出了很多新方法,很多同龄人都对他佩服得五体投地。他认为,中国古代的“大衍求一术”也可以用代数的方法来推导,他根据题目演算,发现两者原理是相通的。他还写了一本《对数详解》五卷,这是第一本系统讲解代数原理的书,为那些不懂代数的人指明了方向。书里先解释了对数的原理,最后又讲了对数的应用,很清楚地说明了写这本书的目的。
关于常对数和自然对数,他分析得非常清楚。他先算出每个真数的自然对数,然后再乘以对数的底数,就得到了常对数。书中对数的级数排列得井然有序,即使是初学者,也能循序渐进地理解。
夏鸾翔,字紫笙,是杭州人。因为在运输军粮方面有功,被任命为詹事府的主簿。他是项梅侣的入室弟子,精通各种曲线计算方法,深刻理解“圆出于方”的道理。他把各种方法融会贯通,反复推演,最终穷尽了各种变化,写成了《洞方术图解》两卷,自己写的序言大概意思是这样的:
自从杜氏的计算方法出现以后,人们就能找到计算弦矢的捷径了。但是,仍然需要用到乘除法,计算起来仍然不容易。我一直想找到一种可以省去乘除法的计算方法,但一直没有找到。丁巳年夏天,我在京城,仔细思考连比例术,发现它其实就是尖堆(杨辉三角)的原理。尖堆的比例和各种乘方的比例是一样的。用它来求连比例术,必须把各种乘方积加起来再一起计算。如果不知道各种乘方积的递差规律,又怎么能把方积加起来呢?而且,想要用加减法代替乘除法来计算方积,必须先得到一系列自然数才行,这实在太难了!
后来我突然明白,方积的递加,就是加差。差的递生,来源于三角堆。差加差构成积,也是差加差构成差。而且,各种乘方积的数字和各种乘尖堆的数字,虽然数字不同,但道理是一样的。三角堆起源于三角形,所以多次相乘,都是增加三角形。方积起源于正方形,所以多次相乘,都是增加正方形。三角形的差数,增加一根就增加一个差;方积的差数,增加一乘就增加一个差,道理完全一样。多次相较,差一定会有尽头,只有它有尽头,才能进行计算。各种弦矢之所以越相较差就越平均,正是这个道理。各种差的道理,都起源于天元一,而产生于根差。递加根一,各种乘方根差都是一。一乘的数不变,所以可以省去乘法。如果增加根差,就不是单一的,那么乘法就不能省去了。弦矢弧背的差,可能是1秒,也可能是10秒,那就用1秒、10秒的弧线作为根差,按照根递求,就可以得到所有乘方的差。用差加差,就可以得到所有需要的弦矢数值了,不是很便捷吗?
因此,我演算出了求弦矢的简便方法,让需要计算弦矢的人可以用加减法代替乘除法。我还详细解释了建立这个方法的原理,希望精通数学的人能够采纳。
我写了一本书,叫《致曲术》,里面讲了七种曲线:圆、椭圆、抛物线、双曲线、摆线、对数曲线、螺线。这些都是我自己研究出来的,方法很巧妙,道理也很精深。我还写了一本《致曲图解》,书里说,天是最大的圆,天地万物都跟圆有关。虽然圆就一个名字,但它的形状却变化万千。沿着圆周转一圈,各种曲线就产生了。西方人根据曲线生成的次数来分类,一次方程是直线;二次方程有圆、椭圆、抛物线、双曲线四种;三次方程有八十多种;四次方程有五千多种;五次方程以上,那就数不清了。我现在只讲二次方程的四种曲线,追溯它们的根本,并附上各种乘方的解法。抛物线虽然形状千差万别,但道理都是一样的。各种曲线方程都可以在圆锥体上找到,圆锥体是二次曲线的“妈妈”。椭圆利用的是聚合,抛物线利用的是远离,双曲线利用的是分散,它们的道理都来源于圆。只要理解了它们的共通之处,就能制造各种器物,上可观天,下可察地,用途无穷。书里我详细解释了这些内容,包括:曲线起点和终点、曲线中心、准线、母线、横纵直径、共轭直径、两焦点间的距离、法线和切线、曲率半径、坐标系、各种曲线之间的比例关系、以及八线法。
我还发明了一种快速开方的方法,不管是什么乘方,都用同一种方法,非常简单,可以迅速算出平方根的小数点后几十位。我写了一本书叫《少广縋凿》记录了这个方法。
我在同治三年去世了。我通过研究面积的计算,领悟了求弦矢的方法,眼看就要超过西方人了。但是,微积分中舍弃的常数,就像面积计算中的方块和角一样;我求解的变量,就像两条直角边不断增加的比较一样。我的方法可以用在各种曲线上,没有不通的。但我还需要对各种曲线分别研究,所以还不能说完全超过西方人。不过,西方人开方,三次方程以上,都得一步一步地算,没我这种方法一贯性强。我在中国传统方法的基础上,又独创了一种快捷的方法,西方人根本比不上。
邹伯奇,字特夫,是南海的一个秀才。他聪明绝顶,对声音、文字、数字的来源都研究得很深。尤其精通天文历算,能够把中西方学说融会贯通,他很安静,也很有悟性,很多事情都能一下子就明白。他曾经写过一篇《春秋经传日月考》,里面说:“以前很多人考证《春秋》的年代,大多是根据经文和传记里提到的日月来推算,不够精确。我现在用现代的历法上推二百四十二年,推算出当时的朔日、闰月和日食发生的时间,然后对照经文和传记记载,看看是否吻合,这样就能找出经文、传记和历法上的错误。”他又说:“《尚书》里记载武王克殷的年月,郑玄根据《乾凿度》推算,认为是戊午蔀四十二年克殷,到春秋时期一共是三百四十八年。刘歆用三统历推算,认为是四百年,近代钱塘的李锐也赞同这个说法。我现在用现代历法上推,并且用岁星来验证,才知道郑玄是对的,刘歆是错的。”
他解释孟子“由周而来,七百有余岁”这句话的时候,参考了阎百诗《孟子生卒年月考据大事记》和《通鉴纲目》,认为孟子辞官回乡是在周赧王元年丁未年,从这年往前推到武王建立周朝,是己卯年,一共是八百零九年。但是周朝共和以前的历史,司马迁都没能记载完整,能考证的只有鲁国世家,这是刘歆的历谱所依据的。但是把刘歆的历谱和《史记》对比一下,发现刘歆在炀公、献公等人的在位年数上加了很多,总共加了五十二年。如果减去这些多加的年数,那么刘歆说的八百零九年,实际上只有七百五十七年。
他还说,以前注解经典的人,对数学都不太精通,所以对《三礼》制度的解释有很多错误,于是他就写了《深衣考》,来纠正江永的错误;写了《戈戟考》,来指出程瑶田的疏漏;用《文选》中《景福殿赋》“阳马承阿”一句来证明古代宫室阿栋的构造;用体积来论证樐氏的容量,用重心来论证悬磬的形状,他都画图说明,引用资料详实。他还说,以前注解经典时引用数学方法不够简洁明了,甄鸾的《五经算术》有很多疏漏,王伯厚的《六经天文篇》虽然广泛引用了传记和注解,但也缺乏辨证。所以他就把经典里关于天文、算术,以前儒家学者没有发现的,或者发现了但没有解释清楚的内容,随时记录下来,最终完成了《学计》一、二卷。
我爷爷留下一套天文著作,包括《甲寅恒星表》、《赤道星图》和《黄道星图》,每种一本。他在自序里大概这么写道:“甲寅年春天,我制作了一个浑天仪,用来考证经史中记载的恒星出没以及历代岁差的原因。但是,制作仪器之前必须先绘制星图,绘制星图之前必须先建立星表,这就是我制作《恒星表》的缘由。史书、汉书、晋书、隋书等史籍,对于恒星的位置只是简单地描述,到了唐宋时期才略微出现了一些关于恒星距北极点度数的记载。这些旧图新图,大多是根据《步天歌》的描述凭空想象绘制的,与实际的天象并不相符。清朝康熙年间,南怀仁制作了《灵台仪象志》,这才有了黄道经纬度和赤道经纬度的星表。乾隆九年,又对仪象考成进行了增修,补正了一些错误。道光甲辰年,再次进行考测,编撰了《仪象考成续编》,表中收录了1449颗恒星,又增加了1791颗新发现的恒星,可以说是非常完备了。现在已经过了十多年,岁差又有了变化,所以我再次根据现在的观测结果建立星表,以便绘制的星图和制作的仪器能够更准确地反映天体的运行规律。”
他还说:“绘制地图比推算天文要难得多。天文计算可以坐在屋里完成,而地理测绘必须亲身经历。近人不懂古代的测绘方法,所以绘制的地图常常出现错误。因此,我考证了地理的沿革,绘制了历代地图,用来补充史书和地志的不足。”
他还亲手临摹了《皇舆全图》,并在自序中写道:“地图应该用天度来绘制方位的,这是最准确的方法。地球的经纬线相交都是直角,但是世面上流传的地图,到了边远地区就变成了斜方形,这完全违背了绘图的原理,原因在于他们把纬度当成了直线。我以前曾经绘制过一个小型的总图,参照浑盖仪,采用半度切线的方法来显示地貌。但是,州县的标记不完整,而且内部密集外部稀疏,比例尺也不准确,所以我又重新绘制了这张图。这张图的纬度没有缩放,而经度逐渐变窄,它们之间的比例都符合半径与余弦的比例关系。地图横向九幅,纵向十一幅,组合起来就形成了地球浑圆的形状,我的目的是让绘制的地图能够真实地反映地球的形状。”
话说这老先生又琢磨起西洋人的老办法来了,做了个地球仪,还是正反两面都能看的全图。他写了个说明,大概意思是这样的:“地球是个圆球,跟天上的星宿对应,经线和纬线都是圆圈。可要把圆球画到平面上,得用点技巧,才能不走样。这画法呢,主要有三种:第一种,是从圆球外面看,用正弦法画,经线就成了椭圆,纬线就成了直线,图画出来中间宽两边窄,像个简易的天文仪器那样。第二种,是从圆球中心看,用正切法画,经线就成了直线,纬线就成了弧线,图画出来中间弯曲,两边窄,里面密外面疏,像个日晷那样。这两种方法,线条都不固定,计算起来特别麻烦,而且经纬线交叉的地方,角度也不准。边缘的地方,要不就太挤,要不就太拉长,用来画地球,既不能体现出地球的形状,又算不出准确的面积,所以不好用。
第三种,是从圆球表面看,用半正切线法画,经线和纬线都是圆,虽然也是里面密外面疏,但比例都比较协调。西洋人用这种方法做浑天仪,是最精确的。我现在用这种方法做地球图,分正反两面。正面以北京为中心线,背面正中,就是北京地球的另一面,这是为了尊重首都嘛!旁边再分成二十四方位,仔细标明中国和其他国家的相对位置,方便大家了解彼此的方位。经纬线都以十度为一个格,这是为了方便计算。”
他研究测量方法,写了《测量备要》四卷,分为“备物致用”和“按度考数”两部分。“备物致用”又分四类:第一类是丈量工具,包括插标、线架、指南尺、曲尺、丈竹、竹筹、皮活尺、蕃纸簿、铅笔;第二类是测望仪器,包括指南分率尺、立望表、三脚架、矩尺、地平经仪、平水准、纪限仪、回光环、折照玻璃屋、千里镜、象限仪、秒分时辰标、行海时辰标、析分大日晷、风雨针、寒暑针;第三类是参考书,包括志书、地图、星表、星图、度算版、对数尺、八线表、八线对数表、十进对数表、现年行海通书、清蒙气差表、太阳纬度表、日晷时差表、句陈四游表、大星经纬表、对数较表、对数较差表;第四类是绘图工具,包括大小幅纸、砚、墨、朱砂、颜料、毛笔、五色铅笔、笔套、指南分率矩尺、长短界尺、平行尺、分微尺、剪刀、交连比例规、玻璃片、橡皮擦。
“按度考数”也分四类:第一类是基本数据,包括尺度考究、亩法、里法、方向法、经纬里数;第二类是步测方法,包括田地测量与面积计算、测量距离远近、记录方向变化、辨认山形、确定观测目标;第三类是计算方法,包括测量方向和距离的方法、测量地理纬度的方法、论述平原、大海的地平线角度、测量地理经度的方法、经纬度与方向距离的相互换算方法;第四类是绘图方法,包括确定纸张大小、确定比例尺、缩放比例、识别和着色。
他还改进对数表根的求解方法,发明了一种快速求解乘方的算法,可以直接求得自然对数(也就是所谓的讷对数),再用十进对数的根乘以自然对数,就能得到十进对数,并为此撰写了《乘方捷术》三卷。
邹伯奇先生发明了一种对数尺,这玩意儿是根据西方的对数表改进来的。他把数字画在两根尺子上,然后把这两根尺子并排放在一起,可以伸缩。这样一来,就能让已知的两个数对应起来,然后就能直接找到所求的数了。他把这套东西的制作方法、使用方法和优缺点都记录在一本书里,一共分成了五个部分:形制、界画、致用、诸善、图式,合为一卷。
他还写了一本书叫《格术补》,他的同郡好友陈澧先生还为此书写了序言。序言里大概这么说的:“《格术补》这本书,是补全古代算家失传的‘格术’的。这‘格术’啊,在古代算书里就有记载,但后来失传了。我的朋友邹徵君(伯奇的字)先生,就特别地把它补全了。‘格术’这个名字,最早出现在《梦溪笔谈》里,书里是这么说的:‘用阳燧照东西,离得近就看得正,离得远就看不清,离得太远还会倒过来,这是因为中间有阻碍。就像划船时,船桨的柄会挡住视线一样,算家把这种现象叫做“格术”。’《梦溪笔谈》里还说:‘阳燧的表面是凹的,对着太阳照,光线就会聚到里面,离镜子一两寸的地方,光线会聚成一点,能点燃东西。’《梦溪笔谈》里说的这些,都是格术的根本原理。宋朝以前,应该是有根据这些原理推演出来的算书的,但后来失传了,所以没人知道这个术了。徵君先生看到了《梦溪笔谈》里的记载,又观察了阳光的现象,研究了其中的数理,最终弄明白了西方的制镜方法其实都源于此。于是他就写了一本书,来补全古代算家失传的这套方法。其实啊,古代说的阳燧,是用金属铸成的镜子,西方的铁镜子、玻璃镜子,道理都是一样的。所以说,只要明白了阳燧的原理,就能贯通这些东西。有了这本书,古代算家失传的技法就重现天日了,也能看出西方的制器方法其实都是古代算家早就掌握的,这真是当今世上少见的奇书啊!唉,像这样失传的古代算学知识,恐怕还有不少吧,想到这些,我心里真是感慨万千啊!”
同治三年,郭嵩焘先生特别上奏朝廷推荐他,但他因为生病而推辞了。曾国藩在两江总督任上,想在上海机器局旁边设立书院,想请伯奇先生去教数学,他也未能成行。同治八年五月,邹伯奇先生去世,享年五十一岁。
李善兰,字壬叔,是海宁人,一个秀才。他跟着陈奂先生学习经书,但对数学特别感兴趣。十岁的时候就掌握了《九章算术》的内容,后来又得到了《测圆海镜》和《句股割圜记》这两本书,学问更是突飞猛进。他觉得割圆术的方法不够自然,就认真思考,最终理解了其中的道理。他曾经说过,道理是相通的,技艺也是一样。
《测圆海镜》里的每一道题都有解法和草稿,解法就是解决这道题的方法;草稿是用“立天元一”的方法一步步推导出解题方法的,是方法的来源,是方法的根本。从天体运行规律的推算,比如日月食的预测,到日常生活中的琐碎计算,比如米和盐的买卖,数学的应用非常广泛,方法也极其复杂,但是用“立天元一”的方法都能解决。所以,“立天元一”是数学中的一个核心方法。当时,像杭州的戴煦,南汇的张文虎,乌程的徐有壬、汪曰桢,归安的张福僖这些有名的数学家,都和他关系很好。
咸丰年间初期,李善兰去了上海,认识了英国人伟烈亚力、艾约瑟、韦廉臣三人。伟烈亚力精通天文学和数学,还会说中文。李善兰当时翻译了《几何原本》前六卷,就和伟烈亚力一起翻译了后九卷。《几何原本》在西方也很少有人精通,第十卷尤其深奥难懂,有很多错误和缺漏,李善兰在翻译过程中,经常根据自己的理解进行补充和修正。翻译完成后,伟烈亚力赞叹道:“将来西方人想要得到好的版本,就得向中国求取了!”
伟烈亚力还说,美国著名的数学家罗密士曾经把代数、微积分合写成一本书,分章节设置题目,条理清晰,又和李善兰一起翻译了这本书,取名为《代微积拾级》十八卷。代数中“天元”、“四元”等方法,微积分这两种方法,都是西方数学的精髓,中国以前是没有的。李善兰在理解这些西方数学理论的过程中,受益匪浅,主要得益于他之前对《测圆海镜》的研究。
太平天国起义时,李善兰曾跟随曾国藩的军队。同治七年,在巡抚郭嵩焘的推荐下,他被朝廷征召到同文馆,担任算学总教习和总理衙门章京,还被授予户部郎中,三品卿衔。他在同文馆教学生《测圆海镜》,并用代数的方法讲解,把中西方数学融会贯通,培养了很多人才。光绪十年,李善兰在任上去世,享年将近七十岁。
话说这个人叫善兰,聪明才智远超常人,尤其在数学方面,简直是化繁为简的大师。他能够驾驭极其复杂的数字运算,推导出的数字没有算不通的,深入探究的道理没有弄不明白的。他写了一本书叫《古昔斋算学》,在《艺文志》里也有详细记载。世人都说,梅文鼎先生悟透了“借根”求解天元的方法,而善兰则能够将四元方程转化为代数方程,可以说是梅文鼎之后,数学领域里最厉害的人物了。
接下来咱们说说华衡芳,字若汀,是金匮人。他既能写文章,又精通数学,写了一本《行素轩算学》流传于世。他还有一本书叫《笔谈》,可以说是他毕生心血的结晶,一共十二卷。第一卷讲加减乘除的原理;第二卷讲通分的原理;第三卷讲分数;第四卷讲开方的原理;第五卷讲看题、解题的方法,用来说明加减乘除、通分、开方这些运算的用途;第六卷讲天元和天元开方;第七卷讲方程的解法,里面已经包含了四元方程的思想,最后专门讨论了四元方程;第八卷讲代数的符号和等式;第九卷讲代数中辅助变量和虚数的用法;第十卷讲微分;第十一卷讲积分,分十六个部分来讲解;第十二卷则总结了五点:第一,各种数学运算最终都离不开加减乘除;第二,所有的计算过程都应该记录在书面上;第三,数学领域中有很多值得写书的内容;第四,学习数学和写数学书并不是两码事;第五,阅读数学书籍的方法。总而言之,这本书从加减乘除、通分,一直讲到微分积分,由浅入深,虽然数学方法本身很复杂难懂,但他却用简洁明了的语言把它表达出来;虽然道理很艰深,但他却用浅显易懂的文字把它写出来。
1874年,我跟英士还有傅兰雅一起,翻译了25卷的代数书。衡芳在序言里写道:“代数这玩意儿,已知的数和未知的数,都用字母代替,乘除加减都有各自的符号来区分,就像题目里那些弯弯绕绕的线索一样,互相牵引着。等到层层关系理清楚了,步骤都明朗了,再把代替的数代进去,结果就出来了。所以说,它能省去很多计算的功夫,心里也轻松不少,因为它不用费脑子就能得到答案。 可是,代数虽然简便,但你问问那些精通代数的人,他们会不会觉得它太繁琐了?那肯定也是会的。人啊,用功是没完没了的,如果不搞得自己昏头转向,肯定不会轻易罢休。所以,一开始是为了追求简便才去学代数,等它简便了,又想更进一步,结果又遇到更繁琐的东西,就算这样反复几十次,又能避免吗?由此可见,代数的意义在于数学中探索深奥问题的工具,而不是为了简单的计算而设计的。要是拿它去算米盐之类的鸡毛蒜皮的小事,不被那些小商贩笑话才怪呢!至于代数和天元术的区别和优劣,读了这本书的人自然就明白了,不用我多说了。”
衡芳的序言真是点明了学习数学的精髓啊,看似简单的代数,其实蕴含着更深层次的数学思想,并非只是为了解决简单的计算问题。他用生动的语言解释了代数的精妙之处,以及学习数学过程中不断深入、不断挑战自我的过程。 这番话,读来令人深思。
好家伙,这篇文章讲的是数学史啊!咱们一句一句地来,用大白话说说。
首先,他和傅兰雅一起翻译了《微积溯源》这八卷书,然后写了个序言。序言里说:“我觉得啊,古代的算法,就只有加减法。乘除法呢,是因为加减法太麻烦了,所以才发明了这两种简便的方法。开方的方法,又是为了解决除法遇到难题的时候用的。所以学算术的人,只要掌握加减乘除开方这五种方法,就能解决很多简单的计算问题了。可是人的心思和智慧是无穷无尽的,总喜欢挑战一些别人做不到的事情,一遇到算不出来的难题,就想办法发明新的方法来解决。所以就有了负数的概念,因为有些减法结果是负数;还有了通分的方法,因为有些除法结果是分数。代数里各种各样的符号,都是因为不得已才出现的。但每发明一种新方法,都能让复杂的计算变得简单,困难的变得容易,费时的变得快速,这样算术的境界就能更上一层楼。这样不断发展,新方法就越来越多啦。”
接下来,他又说:“微积分呢,也是因为乘除开方太麻烦,而且还经常遇到算不出来的难题,所以才发明了这两种方法,让计算又简便又快速。你想啊,算圆的周长,或者求对数,在没有微积分的时候也不是算不出来,但需要进行几十上百次的乘除开方运算,那难度简直无法形容!用微积分的方法就简单多了,道理清楚,计算也快。所以说,除了加减乘除和代数之外,还有两种方法,一种叫微分,一种叫积分。积分就像微分的逆运算,就像开方是自乘的逆运算,除法是乘法的逆运算,减法是加法的逆运算一样。不过加法和乘法是可以完全逆转的,而微分的逆运算,有的可以还原,有的不可以,这就像算式里有些方程是解不出来的一样,也没什么好奇怪的!如果非要说加减乘除开方已经够用了,干嘛还要追求更精确的计算方法呢?这就好像放弃了舟车带来的便利,非要扛着重物长途跋涉一样。费力多,成果少,这道理不用聪明人来说也明白。”
最后,他还提到:“代数书的最后一卷,记载了一种计算圆周率的简便方法,是犹拉发明的。在发明这种方法之前,有个数学家叫固灵,用圆内接和外切正多边形的方法,费了很大的工夫,算出了圆周率小数点后36位。他把圆周率(设直径为1,周长为3.14159265358979323846264338327950288)刻在了自己的墓碑上,因为他临死前嘱咐家人这么做的,这是他一生得意之作,怕它被磨灭,想让它永远流传下去,就像亚基米德的墓碑上刻着一个球体和一个圆柱体一样。”
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,我会尽力将其逐句翻译成现代汉语口语,并按照您的要求分段。
我跟傅先生一起翻译了《三角数理》这本书,这本书是英国数学家海麻士写的。海麻士特别擅长三角学和八线法,写了十二卷书,都叫《三角数理》。书里首先解释了三角学里比例的原理;然后讨论了两角或多角的各种比例数;接着讲怎么制作八线比例表;再接下来讲解平面三角形的各种图形;然后讲各种角的比例、乘除和变化的道理,这部分记录了外国数学家棣弗美创立的例子,还附带专门论述对数法以及一百道三角形例题,作为入门引导,一共三卷;之后总论球面上各种圆圈和球面三角形的界限;然后讲解解法正弦、余弦球面三角形的方法;接着杂论求解球面三角形的各种特殊表格;最后用二十七道球面三角形的例题来总结。不过,这本书解释得过于繁琐,而且也没能改变外角和、垂弧、次形、总较这些旧方法,所以自从海麻士的书出来以后,我就更觉得徐有壬补充的那些方法弥足珍贵,超过了西方人。
我还跟傅先生一起翻译了《代数难题解法》十六卷。
我弟弟世芳,字若溪,也懂算术,他还写了一本《近代畴人著述记》。