河图洛书的智慧(六) 算筹与算盘

   2019-02-21 17170
核心提示:人类文明是伴随着记数和计数发展的,群体生活少不了计数人才算账、管账。
 作者:马长冰(福建)

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,传说隐含的数学信息

人类文明是伴随着记数和计数发展的,群体生活少不了计数人才算账、管账。

传说,算盘(当然只是泥盘子,不同于两千年之后的算盘)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。物质越来越多,算账、管账成为每家每户每个人经常碰到的事。开始,只好用结绳记数,刻木为号的办法,处理日常算账问题。出出进进的实物数目越来越乱,虚报冒领的事也经常发生。

隶首担任了黄帝宫里总“会计”后,按照妻子给出点子,他给每块不同的颗粒都打上眼,用细绳逐个穿起来。每穿够十个数或一百个数,中间穿一个不同颜色的颗粒。这样清算起来就省事多了。

为了计算更大的数据,隶首根据岐伯指南车创始人之一)、力牧三位老臣的建议,创建了十进位制,而且用了物件数字的串珠记数方法。

传说的最后部分,可能走得远了点,出现了千位,万位等等,在黄帝那个时代可能数学表达还没有达到这个地步。

虽然只是美丽的传说,也透露出几点算数和计算工具的演进信息:

首先,从结绳记数,刻木为号,进而采用颗粒(果核、鱼目等物)表示数,即物件数字,进而发明了图形数字,这就有了河图洛书用符号(圆圈与黑点)表示数的现实基础,这是数学的第一次抽象,是数学发展的重大成就。

第二,由于采用颗粒、图形表示数,而且采用了十进位制的计数方法,为数量比较大的计算提供了可能与方便。

我国古代十进位制的记数法,在世界数学史上是一个伟大的创造。马克思在他的《数学手稿》一书中称十进位记数法为(最妙的发明之一)。

第三,随着生产生活的发展,需要记录的数量增加,一位数不能满足需要,产生了进位的必然要求。由一位数发展的二位数、三位数,从而可以有了千、万,……这是计算和记数的重大突破,是数学领域极为辉煌的成就。可以说老子《道德经》说的“道生一,一生二,二生三,三生万物”,是从“(河)图生一,一生二,二生三,三生万数”开始的!

第四,计算的数量增加,计算量大了,催生了计算工具的创造发明,诞生了“筹算”。

第五,在此基础上,也因生产力水平的提高,生活方式的多样化,商业活动的繁华,对计算的要求催生了算盘的发明与完善。

2,算筹与筹算

黄帝宫里采用串珠计数的传说,各部落以及民间也有众多计算高手,他们或许会采用更容易得到的小棍子记数和计算。小棍子规整一下,就是算筹。

河图洛书的智慧(六)1

 

根据史书的记载和考古材料的发现,古代的算筹实际上是一根根同样长短和粗细的小棍子,多用竹子制成,也有用木头、兽骨、象牙、金属等材料制成的,大约二百七十几枚为一束,放在一个布袋里,系在腰部随身携带。需要记数和计算的时候,就把它们取出来,放在桌上、炕上或地上,都能摆弄。这些小棍子,在中国数学史上却是立有大功的。而它们的发明,同样经历了一个漫长的历史发展过程。

算筹计算的时候,用竖与横表示数字的,称作筹算:

数字1,2,3,4,5用竖或横表示,6,7,8,9就分别在1,2,3,4上面加上一道表示“5”。

按照中国古代的筹算规则,算筹记数的表示方法为:个位用纵式,十位用横式,百位再用纵式,千位再用横式,万位再用纵式等等,这样从右到左,纵横相间,遇到零(“0”)则以空位隔开,以此类推,就可以用算筹表示出任意大的自然数了。由于它位与位之间的纵横变换,且每一位都有固定的摆法,所以既不会混淆,也不会错位。毫无疑问,这样一种算筹记数法和现代通行的十进位制记数法是完全一致的。

形成于公元前305年左右的清华大学所藏战国竹简(简称“清华简”),有21支竹简组成的《算表》,通过竹简交叉构成21行、20列,分为乘数和被乘数个位、十位区。利用《算表》进行计算。能直接用于两位数的乘法及除法运算,还能对含有分数1/2的两位数进行乘法运算。

是目前所见到的我国最早的数学文献实物。全国数学史学会理事长、中国科学院自然科学史研究所研究员郭书春说,“《算表》首次展现了战国计算技术的原始文献,为春秋战国时期数学已经相当发达提供了直接证据”。是中国数学史乃至世界数学史上的一项重大发现。《算表》为春秋战国时期是中国传统数学的第一个高潮提供了佐证。

筹算在我国从周代到宋代应用了约二千年,对中国古代数学的发展功不可没,东汉大数学家刘徽(生于公元250年左右)和南北朝时期杰出的数学家和天文学家祖冲之(429~500)。大量的计算应该就是用算筹(《算表》)完成的。他们提出的计算圆周率的科学方法和成果,奠定了此后千余年中国圆周率计算在世界上的领先地位。

3,算盘与珠算

从算筹到算盘的发明走过了漫长的岁月。

综合串珠记数与小棍子计数,加以工艺上的制作,为算盘的发明提供了启示。历经上千年的完善改进,算盘成为既实用高效又方便的计算工具。

早期的算盘,跟算筹纵式非常相似,从6,7,8,9的横杠与竖杠之间插一根横梁,加上边框。上下都用串珠代替横杠竖杠,就成了算盘。它跟算筹的次序何等相似!只是杠杠对应珠珠。

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用横梁隔开,每一颗下珠拨上靠梁表示1,每一颗上珠拨下靠梁表示5,上下之和表示这一档表示的数,各珠不靠档的空挡表示0。这样,算盘就将颗粒(符号)表示的数字同古代数码表示的数字融合起来,从而大大地提高了计算的效率。算盘是用串珠拨动进行计算的,因此称作珠算。

依次表示从1到9的9个数字,整个表示数123456789。

算盘从发明到不断改进完善历经千年,是常用的13档算盘。

为什么算盘多数是9档、13档17档等等?为什么我们常用的算盘是13档的?为什么要把5定位在13档常用算盘的第9档?

这或许跟我们常用的计数单位有关,即采用了万进系统,以万递进:个 、十、百、千、、十万、百万、千万、亿(万万)、十亿、百亿、千亿、(万亿),……

5定位在13档常用算盘的第9档,恰是万位数,第5档是忆位是,第1档是兆位数。

该算盘第5档首位是1,此后依次是2,,3,4,5,6,7,8,末尾是9。

算盘,中华民族当代“计算机”的前身。随着时代不断前进,算盘不断得到改进,在民间,虽然当初认字的人不多,但是,只要懂得了算盘的基本原理和操作规程,人人都会应用。可以说,珠算的普及程度远远高于识字书写的民众。

所以,算盘在古老中国民间很快广泛流传和被应用。

古代十个数字的书写方法是:〡、〢、〣、〤、〥、〦、〧、〨、〩、十。比如三斤八两的写法是“〣〨”,二斗四升的写法是“‖〤”,十八丈布写法“十〨”,三尺四寸木材的写法是“〣〤”。数字符号跟算筹有着天然缘分。

自古以来,算盘都是用来算账的,也正因为此,算盘被当做象征富贵的吉祥物,为人们推崇。在民间,常会听到“金算盘”、“铁算盘”之类的比喻,形容的也多是“算进不算出”的精明。

(以上资料主要引用百度百科:《算盘》)

算学家多认为,算盘诞生于唐代,兴于宋代。使用了两千年的筹算在此时演变为珠算。到了明代,珠算不但能进行加减乘的运算,还能计算土地面积和各种形状东西的大小。因此,人们认为算盘也是中华民族对人类的一大贡献,把算盘的发明与中国古代四大发明相提并论。

 
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