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算术,作为数学的起点之一,是研究数的性质及其运算的最古老数学分支之一。这个领域的起源可以追溯到史前时期,而中国古代在算术方面的发展早在世界上其他国家之前就已经有所体现。中国古代是最早采用十进制的国家之一,这一点非常值得关注。
古代中国的计数方法多种多样,包括文字记录、算策工具和四则运算等形式。例如,天干和地支最初也是一种计数方式。由于这些计数方法在历史上经历了多次演变和改进,仅仅通过文字来解析其起源是不够全面的。
中国古代数学在战国时期就已形成了一套独特的应用体系。九九乘法表的使用在那个时代已经相当普及。《九章算术》是这一时期的代表性著作,其中包含了详细的分数运算规则,对比例、盈亏问题有深入的研究,并给出了开方运算的方法。《张邱建算经》和《孙子算经》对不定方程进行了探索,后者的研究成果之一便是著名的孙子定理以及大衍求一术这种独特算法。《数术记遗》则系统探讨了大数进位法和计算方法,其中有些方法与现代方法相似。古代中国还通过分数逼近重要数值,取得了显著的数学成就。
中国古代数学的发展不仅体现在应用领域,也影响了古代的世界观。例如,《周髀算经》作为现存最古老的中国数学文献,通过对天体位置和运行规律的计算,建立了古典天文学的宇宙模型。书中开篇指出:数法源于圆方,圆出于方,方出于矩。矩的形成源自九九八十一。这不仅揭示了大禹治理洪水的有效性,还体现了古代数学对实际生活的影响。
即使在没有现代计算工具的几千年前,中国古代依然能够进行复杂的算术运算。例如,九九乘法表能够满足十以内的加减乘除运算,如果将其扩展,就能够处理更复杂的计算任务。清华简中的“大九九”算表就是一个重要的例证。
这组竹简共21支,长度在43.5至43.7厘米之间,其中17支保存完整,其余4支有部分缺失。每支竹简的上端都有一个圆孔,还有一支没有文字的空白简,上面有20个圆孔,孔内有丝带残留物。将这些竹简整理并将文字转为数字后,得到了如下的图形:
竹简的内容被分为三个主要区域:最上方和最右边的基础数字区用于提取因数,内部是穿孔的拉线区域,用于标记运算结果,最内部是各种有规律的数字集合。通过这些区域,可以进行乘除和开方运算。
举个例子:计算45×86,先将乘数和被乘数拆分为(40+5)和(80+6),然后在最上面的横区找到40和5的位置,在最右边的竖区找到80和6的位置,通过交点的数字求和,即得结果3870。
对于三位或多位数的乘法,可以先计算出两位数的结果,再逐步求得更多位数的结果。除法也是类似的原理。例如,计算5088÷96,可以将除数拆分为(90+6),在两条直线上找到最接近5088的数,结果为53。
开方运算原理也相似,比如计算3481的平方根。通过在图表中找出最接近3481的数,即2500,结合相应的功能区数字,可以得出3481的开方结果约为59。
这种计算方法被现代称为“微分法”,虽然古人是否使用过类似的方法不得而知,但这个表的确可以进行类似的计算。这种计算方法是九九乘法表的扩展,通过表中的数字规律,能够快速找到答案。古代中国的数学成就源自对天体运动的观察,并将这些观察应用到日常生活中。虽然古人采用十进制并不是因为创造力的特别卓越,而是自然效法的结果,但这确实奠定了数学发展的基础。