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先秦古人如何解“线性方程”——《九章算术》给出了方法和步骤

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现在的数学中,有一重要的门类叫“方程”。

这个名字,源自中国先秦——“方”为并列、对等;“程”,表示以“算筹”列成竖式的计算过程。

英语中现在通用的“equation”一词,大概率由9世纪中亚一位数学家提出的概念辗转生成。

《九章算术》由秦朝旧臣张苍,在西汉初年搜集先秦“算简”整理而成,桑弘羊等学者也为此书贡献不小——书名,据说依据的是战国“遗卷”。

无论如何,在经历了秦皇焚书的浩劫之后,这些人的孜孜不倦功在千秋,使两千多年后现在的我们,在传承宝贵文化的同时,亦可观止感叹先民的厚积睿智。

《九章算术》卷第八为“方程”,全部从农耕的现实生活出发,通过“解题”的方式,总结概括了计算“线性方程组的解法”。

以卷第八【一】为例——

原文——“【一】今有上禾三秉,中禾二秉,下禾一秉,实三十九斗;上禾二秉,中禾三秉,下禾一秉,实三十四斗;上禾一秉,中禾二秉,下禾三秉,实二十六斗。

问上、中、下禾实一秉各几何?”

上禾、中禾、下禾,指“禾黍(粮食总称)”之“品等”。

秉,束、捆。

译成白话——现有上等禾黍3束、中等禾黍2束、下等禾黍1束,打出的粮食共有39斗;有上等禾黍2束、中等禾黍3束、下等禾黍1束,打出的粮食共有34斗;有上等禾黍1束、中等禾黍2束、下等禾黍3束,打出的粮食共有26斗。问:1束上等禾黍、1束中等禾黍、1束下等禾黍各能打出多少斗粮食?

原文——“答曰:上禾一秉,九斗(又)四分斗之一;中禾一秉,四斗(又)四分斗之一;下禾一秉,二斗(又)四分斗之三。

方程术曰:置上禾三秉,中禾二秉,下禾一秉,实三十九斗,于右方。中、左禾列如右方。以右行上禾遍乘中行,而以直除。又乘其次,亦以直除。然以中行中禾不尽者遍乘左行而以直除。左方下禾不尽者,上为法,下为实。实即下禾之实。求中禾,以法乘中行下实,而除下禾之实。余如中禾秉数而一,即中禾之实。求上禾亦以法乘右行下实,而除下禾、中禾之实。余如上禾秉数而一,即上禾之实。实皆如法,各得一斗。”

以上,是《九章算术》列出的典型“三元一次方程组”采用 “遍乘直除”消元以解此题。

现今的解法,见下图二。

《九章》所云“方程术”解题如下——

一,“置上禾三秉,中禾二秉,下禾一秉,实三十九斗,于右方”。见下图三。

二,“以右行上禾遍乘中行”。即以右行最上之3,遍乘中行各项。见下图四。

三,“而以直除”。由中行连续减去右行各对应项的若干倍数,直到中行头位数为0。直除,为连续相减。见下图五。

四,“又乘其次,亦以直除”。中行头位消除后,以右行上禾3遍乘左行各项,连续减去右行各对应项,消去右行头位。“又乘其次”。见下图六。

“亦以直除”。见下图七。

五,“然以中行中禾不尽者遍乘左行而以直除。左方下禾不尽者,上为法,下为实。实即下禾之实。”消去中行、左行头位后,再以中行中禾数遍乘左行而以直除,消除左行中位,所得“99” 即“36秉”之“下禾之实”。以中行中禾数5,遍乘左行各数。见下图八、下图九。

六,“求中禾,以法乘中行下实,而除下禾之实。余如中禾秉数而一,即中禾之实。”

法,为36;中行下实,为24;中行秉数,为5,中禾之实为:(36x24-99)/5=253。

七,“求上禾亦以法乘右行下实,而除下禾、中禾之实。求上禾亦以法乘右行下实,而除下禾、中禾之实。余如上禾秉数而一,即上禾之实”。

“求上禾亦以法乘右行下实,而除下禾、中禾之实。”——39x36-2x153-99=999.

“余如上禾秉数而一,即上禾之实”——余数999,右行上禾秉数3,按“术”999/3=333,即上禾之实。

八,“实皆如法,各得一斗”。

上禾、中禾、下禾一束之实各为:99、153、333;皆以“法”36除之——99/36斗=2又3/4斗;153/36斗=4又1/4斗;333/36斗=9又1/4斗。

怎能不佩服两千多年前的上古先民!

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