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郭书春数学史自选集:粟米互换与异乘同除

时间:2023-11-23 理论教育 版权反馈
【摘要】:它在《九章筭术》中称为“今有术”,当时是专门用于解决粟米互换问题的。粟米之法 “粟米之法”是《九章筭术》在粟米章卷首列出的各种粟米的互换比率表。“程”是标准,“程禾”就是官方规定的某些粟米互换的标准。这个粟米互换表很长,实际上只涉及到5种粟米,其比率如下:粟50米30粺米27毇米24麦45其中毇米率与“粟米之法”的糳米率相同。此条与粟米互换是同类的问题,但是《筭数书》没有给出相应的例题。

郭书春数学史自选集:粟米互换与异乘同除

1.粟米互换

粟米互换是中国传统数学的重要内容,用比例方法即今天所谓“三率法”解决。它在《九章筭术》中称为“今有术”,当时是专门用于解决粟米互换问题的。《筭数书》也有几个粟米互换问题,都用比例算法求解。但是,《筭数书》未提出抽象的今有术。

(1)粟米之法 “粟米之法”是《九章筭术》在粟米章卷首列出的各种粟米的互换比率表。《筭数书》没有“粟米之法”之名,然而,在第35条“程禾”,第39条“粺毇”,第41条“粟为米”等条中专门给出了某些粟米的互换比率。“程禾”条是:

程禾 程曰:禾黍一石为粟十六斗泰半斗,舂之为粝米一石,粝米一石为糳米九斗,糳米九斗为毇米八斗。程曰:稻禾一石为粟廿斗,舂之为米十斗,为毇、粲米六斗泰半斗。麦十斗为三斗。程曰:麦、菽、荅、麻十五斗为一石,禀毇、糳者,以十斗为一石。

“程”是标准,“程禾”就是官方规定的某些粟米互换的标准。这里共有3项。第1项中各粟类的互换标准是:

禾黍10 粟16粝米10 糳米9 毇米8

化成整数,便是:

禾黍30 粟50 粝米30 糳米27 毇米24

与《九章筭术》“粟米之法”比较,禾黍为“粟米之法”所没有,“程禾”中的毇米率等于“粟米之法”的糳米率,“程禾”中的糳米率等于“粟米之法”的粺米率,而两者的粟和粝米率分别相同。

第2项中各粟类的互换标准是:

稻禾10 粟20 米10 毇米6 麦10 3

化成整数:

稻禾30 粟60 米30 毇米20 麦30 9

除了“米”(一般指粝米)与第1项及“粟米之法”完全相同外,其他各种都与之不同,甚至完全不同。这说明这一项产生的时代不仅与《九章筭术》“粟米之法”不同,也与同书同一条的第1项不同。

第3项说米类10斗为1石,麦等谷类15斗为1石,与《九章筭术》商功章“程粟”中“其米一斛积一尺六寸五分寸之一,其菽、荅、麻、麦一斛皆二尺四寸十分寸之三”完全一致。

“粺毇”条是:

粺毇 米少半升为粺十分升之三,九之,十而一。米少半升为毇米十五分升之四,八之,十而一。米少半升为麦半升,三之,二而一。麦少半升为粟廿七分升之十,九母,十子;十之,九而一。麦少半升为米九分升之二,参母,再子;二之,三而一。麦少半升为粺五分升之一,十五母,九子;九之,十五而一。麦少半升为毇四十五分升之八,十五母,八子。粺米四分升之一为粟五十四分升之廿五,廿七母,五十子。粺米四分升之一为米十八分升之五,九母,十子。粺米四分升之一为毇米九分升之二,九母,八子。粺米四分升之一为麦十二分升之五,九母,十五子。毇米四分升之一为米十六分升之五,八母,十子。毇四分升之一为粺卅二分升九,八母,九子。毇米四分升之一为麦卅二分升之十五,八母,十五子。毇米四分升之一为粟四十八分升之廿五,廿四母,五十子。

这个粟米互换表很长,实际上只涉及到5种粟米,其比率如下:

粟50 米30 粺米27 毇米24 麦45

其中毇米率与“粟米之法”的糳米率相同。

“粟为米”条是:

粟为米 麻、麦、菽、荅三而当米二,九而当粟十。粟五为米三。米十为粺九,为毇八。麦三而当稻粟四。禾粟五为稻粟四。

这一条很简洁,涉及的粟类却最多,它们是:

显然,它完全涵盖了第39条的内容,其率也相同。同时,前4种的率与《九章筭术》“粟米之法”完全相同,毇、稻粟、禾粟的率分别与“粟米之法”的糳米、稻、粝饭相同。此外,“程禾”与“粺毇”“粟为米”条中的毇米,都是“粟米之法”中的糳米。

(2)粟米互换 《筭数书》中关于粟米互换的题目分别在给出粟米互换标准的第39条及第41条之下,即第40条“秏”,第42条“粟求米”,第43条“粟求米”,第44条“米求粟”,第45条“米粟并”,第46条“粟米并”。后2条在衰分术中已经谈过,此不赘。第35条之下没有粟米互换的题目。第42条“粟求米”根据第41条的粟米互换标准,给出了粟求米,粟求麦,粟求粺,粟求毇,米求粟的公式。第44条“米求粟”是:

米求粟 以米求粟,因而五之,三成一。今有米七分升六,当为粟几何?曰:为粟一升七分升三。术曰:母相乘为法,以五乘六为实。

这是很简单的题目:

升×5÷3=(6升×5)÷(7×3)=升。

这类问题,后来发展为《九章筭术》的“今有术”。

此外,《筭数书》第50条“丝练”给出了级丝与练的互换公式:

丝练 以级丝求练,因而十二之除十六而得一。

亦即:

练=(级丝数×12)÷16。

这里级丝率16,练丝率12,与《九章筭术》均输章“今有络丝”问络丝率16,练丝率12相同。可见,《筭数书》的“级丝”应该是《九章筭术》的“络丝”。此条与粟米互换是同类的问题,但是《筭数书》没有给出相应的例题。

2.异乘同除

在中国传统数学史上,“异乘同除”是个后起的术语。明初编纂《永乐大典》,人们将《九章筭术》卷三“衰分章”后半卷及其后数学著作中同类的内容编入“筭”字条的卷16343,称为“异乘同除”。[5]《筭数书》中有十几个这类题目,我们借用“异乘同除”归纳之,并以第19条“铜秏”,第25条“息钱”,第32条“挐脂”,第33条“取程”,第34条“秏租”,第36条“取枲程”为例说明其方法。先分析后4条。“挐脂”条是:

挐脂 为挐,米一斗、水一斗半斗、脂廿斤,为挐脂卅六斤。今有脂五斤,问:用米、水、为挐各几何?得曰:用米二升半升,水三升四分升三,为挐九斤。术曰:以廿为法,直水十五、米十、挐卅六,以五乘之为实,实如法得水、米各一升、挐一斤。不盈,以法命分。其以挐、米、亦一两,得九分之五也。有米三升,问:用脂、水各几何,为挐几何?曰:用脂六斤、水四升半升,为挐脂十斤十二两十九朱五分朱一。

此条首先规定了米、水、脂为挐脂的标准:

米 水 脂 挐脂

1斗 斗 20斤 36斤

然后提出了2个问题。第1个问题是:

米 水 脂 挐脂

?  ?  5斤  ?

显然,

米=(5斤×1斗)÷20斤=升,

水=(5斤×斗)÷20斤=升,

挐脂=(5斤×36斤)÷20斤=9斤。

第2个问题是:

米 水 脂 挐脂

3升 ?  ?  ?

水=(3升×斗)÷10升=升,

脂=(3升×20斤)÷10升=6斤,

挐脂=(3升×36斤)÷10升=升。

这类计算,刘徽都将其归结为今有术。第1个问题求米和水,第2个问题求脂和挐脂,《筭数书》都是用与被乘数不同单位的数乘,而用与被乘数相同单位的数除,所以后来被称为“异乘同除”。

“取程”条是:

取程 取程十步,一斗。今千之八升,问:几何步一斗?得田十二步半一斗。术曰:八升者为法。直一升步数而十之,如法一步。竞程卅七步,得禾十九斗七升。问:几何步一斗?得曰:减田一步有百九十七分步百七十三而一斗。取程五步一斗,今千之一斗一升。欲减田[3]令一升。[4]得曰:减田十一分步五。术曰:以一升数乘五步,令十一而一。

此条含有3个题目。第1题是:

田  禾  千

10步 1斗 8升(www.xing528.com)

?     1斗

禾=(10升×10步)÷8升=步。

第2个题目是:

田   禾

37步 19

?    1斗

田=(1斗×37步)÷19斗=1步。

第3题是:

田  禾  千

5步 1斗 1斗1升

?     1升

田=(1升×5步)÷1斗1升=步。

都是“异乘同除”类问题。《九章筭术》中没有与以上3条类似的题目。

“秏租”条是:

秏租 秏租产多千少。曰:取程七步四分步一而一斗。今千之七升少半升,欲求一斗步数。曰:九步四十四分步卅九而一斗。术曰:直十升,以乘七步四分步一,如千成一数也。程它物如此。

此条只1个问题,即:

田   禾   千

7步 1斗 7

?       10升

田=(10升×7步)÷7升=9步。

也是“异乘同除”类问题。

“取枲程”条是:

取枲程 取枲程十步,三尺韦束一,今千之廿八寸,问:几何步一束?十一步有九十八分步四十七而一束。术曰:千自乘为法。生自乘,有以生一束步数乘之,为实。实如法得一。

枲,音xǐ,大麻的雄株。围是计算树木的横截圆周的单位,这里似指麻捆的圆周。题目可以表示成:

田  围(生)  围(千)

10步 3尺    2尺8寸

?        3尺

《筭数书》给出的解法是:

步数=(3尺×3尺×10步)÷(2尺8寸×2尺8寸)=11步。

这也是“异乘同除”类问题。不过,被除数中的被乘数与同(即除数)都是周长的平方,说明当时人们已经懂得圆柱的截面积与周长的平方成正比。

“铜秏”条是:

铜秏 铸铜一石秏七斤八两。今有铜一斤八两八朱,问:秏几何?得曰:一两十二朱半。术曰:直一石朱数为法,亦直七斤八两者朱数,以一斤八两八朱者朱数乘之,如法一朱。

此条的题目是:

铜     秏

1石    7斤8两

1斤8两8朱  ?

秏=(7斤8两×1斤8两8朱)÷1石

=(15/2斤×584朱)÷120斤=36朱。

《九章筭术》中没有关于“铜秏”的题目,却有一个“丝耗”的题目,与此相类。

“息钱”条是:

息钱 贷钱百,息月三。今贷六十钱,月未盈十六日归,计息几何?得曰:廿五分钱廿四。术曰:计百钱一月积钱数,以为法。直贷钱,以一月百钱息乘之,有以日数乘之为实。实如法得一钱。

依术,

息=(今贷钱×月百钱息×贷钱日数)÷(百钱×月日数)

=(60钱×3钱×16日)÷(100钱×30日)=钱。

这个题目与《九章筭术》衰分章“贷人千钱”的题设、解法类似,只是数字不同。同时,《筭数书》的“术”比《九章筭术》稍微抽象一些。按照刘徽对《九章筭术》的注解,《筭数书》的问题可以这样理解:已知贷人“百×月日数”钱一日息,问贷人“今贷钱×贷钱日数”钱,一日息多少,从而得出术文。

《筭数书》中“异乘同除”类问题共有13条,15个题目,在《筭数书》中是最多的。

3.连比例

《筭数书》中连比例问题只有一个,这就是第16条“负米”:

负米 人负米不智其数,以出三关,三税之一。已出,余米一斗。问:始行赍米几何?得曰:赍米三斗三升四分三。术曰:直一关而参倍为法,有直米一斗而三之,有三倍之而关数焉为实。

“参倍”应该指23,按术文,其算式是:

1斗×3×3×3÷23=3斗=3斗3升。

此算式大约是这样得出的:每关“三税之一”,就是说每关米3余2。设每关税前米为a1,a2,a3,那么每关税后米为a2,a3,b。因此,

a1∶a2=3∶2  a2=

a2∶a3=3∶2  a3=,

a3∶b=3∶2。   b=,

由于b=1斗,于是,

a1=(b×3×3×3)÷23=1斗×3×3×3÷23.

《九章筭术》均输章有一个“持米出三关”题,与此类似。不过,那题三关所税的比例不相同。

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