说起珠算和算盘,大家都知道,这是中国一种古老的计算方法和计算器。那么在这之前,中国人是靠什么方法来计算数字的呢?答案就是筹算,而它的工具叫算筹。
一、筹算的规则
筹算最早《老子》中就有记载:善数者不用筹策。说明在春秋战国时期,算筹就已作为计算工具被普遍使用。最早的算筹,是用竹片做成小棍子的样式,后来还有木筹、铁筹、骨筹、玉筹和牙筹等。已发现的最早的是算筹,是1971年陕西千阳出土的西汉宣帝时期的骨制算筹。
算筹一般长为13~14厘米,直径为0.2~0.3厘米,,每二百七十枚左右为一捆。用的时候取出来,一根根地组合排列,以表示不同的数字。
用算筹表示数字有纵、横两种方式:纵式表示个位,百位,万位......横式表示十位,千位,十万位......高位在左,低位在右, 用纵横相间的形式排列。如果遇到零,就空一位。
先来看看,1到9的是怎么用算筹表示的。纵式是将筹棍竖排一根表示1,横式是将筹棍横排一根表示1,两根表示2......五根表示5。到了6至9,则采用同位五进制,即用一根筹棍代表5,另四根表示1至4。如图:上排是筹算中1至9的纵式,下排是横式。
对于大于9的数字,则采用十进制。在个位数的左边,放置一个筹数,代表这个筹数的十倍,在十位数的左边,则代表百位数,以此类推。
二,筹算的运算
如用算筹表示数字3579:
又如14086,0用空格表示:
后来人们也用O来表示零,如2064058:
注意:排列数字的时候要纵式和横式相间进行。
那么,怎么用算筹做加法呢?这里用435+162来做演示。先将435放第一排,再将182放第二排,上下数位要对齐:
然后从右边开始相加,先将第一行百位上的筹棍移到第一行的百位上,再移动十位,最后移动个位:
这时可以看到,个位数的筹棍有7根竖棍。去掉其中5根,以一根横棍代替,排列成纵式的7。最终得出597:
如果两个数字相加超出了10呢?如36+69:
移动筹棍后,变成:
这时,个位上有2根横棍,说明数字超过了10。去掉2根横棍,再在十位上加1根横棍:
这时,十位上有1根竖棍和5根横棍,刚好是10,把它们全部去掉,在百位上加1根竖棍,0则以空格表示,最终得出结果105:
下面用算筹表示一个完整的加法算式,和在两个加数的下方,如5728+664=6392
中国人是最先使用负数的民族。那么如何用算筹做减法呢?这时,就要用到红色和黑色两种筹棍,红色为正数,黑色为负数,以67-28为例,将两个数字上下排列计算后,得出的答案为39。答案要放在左边:
用算筹做乘法时,把乘数摆在上面,被乘数摆在下面,积放在中间,如27x64。先将被乘数放在上排,乘数放在下排,中间要留出空间放积。
开始运算,从上排数字开始,从右边向左,分别与下排数字相乘(即先20×64。再7x64),前者得1280,后者得448,两数相加,最后得出积为1728,摆放两排数字中间,即为一个完整的乘法算式:
筹算除了加减乘除,还可以乘方和开方,甚至能解方程式,中国古代数学的强大与发展,与算筹密不可分。
三,筹算时代的数学成就
算筹最初发明的时间,还未能考究出来,但可以追溯到上古时期,中国古人从结绳记数,渐渐发展到运用算筹;春秋时期,算筹已是人们普遍使用的运算工具;秦汉时期,算筹已形成制度;西汉末期,中国数学开始繁荣发展,到了隋、唐和宋是全盛时期;元朝到清末,进入缓慢发展时期,算筹也渐渐消亡,最终被珠算代替。
就在算筹兴起到消亡的2000多年历史中,中国涌现了大量的数学成就:
商末周初时期,商高首次证明了勾股定理;
三国时期,魏国人刘徽完善了分数通分的方法、首次明确了正负数的定义、简化了线性方程组的解法、首创了割圆术等等;
南北朝时期,祖冲之首次圆周率精确到小数点之后第7位,他的儿子祖暅在前人刘徽的学术基础上,推导出了球体的体积公式;《孙子算经》中首次提到一元线性同余方程组的问题以及解法
北宋时期,贾宪创造了“贾宪三角”(二项式系数在三角形中的一种几何排列)和“增乘开方法”;
南宋时期,秦九韶论述了高次方程的数值解法;李冶首次系统论述了一元高次方程;杨辉首次丰富的纵横图和讨论其构成规律
元朝时期,朱世杰进一步把李冶的“天元术”推广为“四元术”(四元高次联立方程),并提出“消元”的解法。
这些中国古代的数学成就,就是靠一根根的小小筹棍计算出来的。
四,算筹的没落
算筹有明显的局限性,首先是不能保留运算过程,每一步运算都要不停挪动筹棍,算到最后只见到运算结果了,因此就比较难以检查出错误。也因为没能保留运算过程,所以难以学习。有些比较高深的数学题的算筹解法,因此失传。此外运算过程越复杂,筹棍的占地就越大,很不方便。
到了元末明初,算筹渐渐被珠算代替。但算筹以其独特的精妙与实用,在中国数学史上功不可没。