方田术:最朴素的面积公式
《九章算术》开篇第一题——算一块田地的面积。两千年前的古人,和今天的小学生,学的是同一个公式。但这道题背后,藏着中国古代数学的基本性格。
逐题细读中国古代数学经典。246 道题,九章内容,用现代数学语言重新解读,关联高中课本,发现古人的智慧与局限。
《九章算术》开篇第一题——算一块田地的面积。两千年前的古人,和今天的小学生,学的是同一个公式。但这道题背后,藏着中国古代数学的基本性格。
方田章第二题——算一块三角形田地的面积。古人的方法和今天的公式一模一样,但他们为什么叫它「圭田」?「半广以乘正从」这句话里,藏着中国古代数学的证明思路。
方田章第三题——算一块梯形田地的面积。古人把梯形叫做「邪田」,因为它是斜的。而他们的解法「并两广而半之,以乘正从」,其实就是今天的梯形面积公式。为什么古人要把梯形切一刀变成两个三角形?这个方法两千年来没变过。
方田章第四题——还是邪田,但这次上下底互换了,变成「上底长下底短」。古人为什么要出两道看起来一样的题?背后面藏着古人对数学分类的思考,也暗合了今天数学里「对称性」的概念。
方田章第五题——算一块等腰梯形田地的面积。古人把这种形状叫做「箕田」,因为长得像簸箕。舌广和踵广的区别,藏着古人对对称性的直觉理解。而「舌踵相半」的思想,在现代数学里依然闪耀。
方田章第六题——算一块圆形田地的面积。古人用「周三径一」算圆面积,结果和今天用π算的差多少?更关键的是,古人是怎么知道这个公式的?这篇文章带你回到两千年前,看看没有圆周率,古人怎么算圆。
方田章第七题——还是圆田,但数据变成了周长181步、直径60又三分之一步。数字不再是整数,古人为什么要出这么复杂的题?这背后藏着古人对圆周率精度的觉醒,以及刘徽割圆术诞生的前夜。
方田章第八题——算一块宛田(球冠形)的面积。古人的公式和现代球冠面积公式差在哪里?「宛田」到底长什么样,是一个球冠还是一个圆锥台?这篇文章带你一探究竟。
方田章第九题——算一块弓形(弧田)田地的面积。古人只知道弦长和矢高,没有三角函数,却给出了一个巧妙的近似公式。这个公式误差有多大?它和今天的弓形面积公式差在哪里?刘徽后来又是怎么改进它的?
方田章第十题——算一块圆环形田地的面积。古人知道外圆面积减去内圆面积就是环田面积,但他们的方法比我们想的更巧妙——直接用「中周加外周,半之,以径乘之」。这个公式背后是一种化归思想:把圆环变成梯形。
方田章第十一题——环田术的进阶版,数据全是带分数。外周长一百一十三步二分步之一,内周长六十二步四分步之三,环宽十二步三分步之二。古人用同样的公式,面对的是更复杂的分数运算,这恰恰体现了古人在分数计算上的功力。
方田章第十二题——从平方步到亩、从平方里到亩,古人如何在不同的面积单位之间换算。里田术看似是简单的单位换算,但背后藏着中国土地制度和国家治理的深层逻辑。
方田章第十三题——上一讲我们算了一块1里×1里的正方形田,这次来了个2里×3里的长方形。单纯乘一下算面积当然不难,但有意思的是:古人在这个"更大"的例子里,把里田术的核心逻辑完整展现了一遍。
方田章第十四题——把十二分之十八约成最简分数。今人学了约分就忘,古人却把它当成一个专门的「术」来研究。更相减损术里藏着欧几里得算法的核心思想,两千年前的中国古人已经掌握了求最大公约数最朴素的方法,比西方早了不止一个时代。
方田章第十五题——把九十一分之四十九约成最简分数。91和49看起来没什么关系,但反复减下去,它们居然有共同的「根」。更相减损术的强大之处在于:它不依赖你一眼看出公因数,它像个机械的齿轮,一步一步地把答案给你转出来。
方田章第十六题——三分之一加上五分之二,用更原始的方法算出答案。合分术的核心就是\"母互乘子,并以为实,策定相乘为法\",翻译成人话就是:通分之后分子相加。这和今天的算法一模一样,只是古人不说\"通分\",他们叫\"合分\"。
方田章第十七题——上一讲是两个分数相加,这一次是三个。分母 3、7、9 之间有公因数,直接「母互乘子」得到的 189 分之 317 并不最简,需要约分才能落到 63 分之 50。刘徽在这一题的注里把方法提到理论高度:齐同术,这两条原则将贯穿整部《九章算术》,一直用到方程章。
方田章第十八题——九分之八减去五分之一。减分术和合分术只差一个字,但操作完全不同。古人说「子相减,母不变」,听起来简单,但当分子不够减时就要退位——这种退位思想和今天的借一当十一模一样。
方田章第十九题—— 减去 。这道题和上一讲唯一的不同是数字换了一下,但背后算法完全相同:母相为列、以少减多、母互乘子、余约之即得。有趣的是,这道题的答案是个整数。
方田章第二十题——五分之二和四分之三谁更大?课分术的核心是\"通分再比分子\",但《九章》的表述非常精炼:\"通其策,母相乘\"。这道题和今天的'分数比大小'完全一致,只是古人不说'通分',他们说'通策'。
方田章第二十一题——再次比较两个分数。课分术的核心是通分后比分子,这次用九分之八和七分之六再做一遍。同一道题的不同数据,训练相同的算法。
方田章第二十二题——三分之一、三分之二、四分之三,减多益少,让它们相等。这就是现代数学中的「求平均数」。古人用的「平分术」和今天的加权平均算法完全等价,但他们的视角更操作化——把多少的东西匀给少的,直到大家都一样。
方田章第二十三题——二分之一、三分之二、四分之三、五分之四,减多益少,让它们相等。这是平方术第一讲的进阶版,从三个分数扩展到四个分数。四个数的平均看似简单,但「减多益少」的操作复杂度成倍增加——你到底要从谁那里减多少,补给谁?平均数的计算过程,比结果本身更有意思。
方田章第二十四题——七人分八钱三分钱之一。这是《九章算术》中「经分术」的经典用例:带分数除法。古人没有「除以一个数相当于乘以它的倒数」这个概念,他们用通分的方法来处理——把除数和被除数都变成同分母,然后分子相除。今天看起来不过是倒数相乘的简单操作,但在没有分数除法符号的年代,这已经是一套相当完整的算法了。
方田章第二十五题——不仅是分数除法,连除数本身都是分数。三又三分之一人分六又三分之一钱和四分之三钱——人数和钱数都是带分数,古人怎么算?「重有分者同而通之」——这句口诀在此时派上了大用场。
方田章第二十六题——当田地的长和宽都是分数时,面积怎么算?「母相乘为法,子相乘为实」——这十二个字,就是分数乘法法则最早的完整表述。两千年前的土地丈量,催生了最纯粹的代数运算。
当分数乘法遇上公因数,先约分还是先相乘?《九章算术》给出了最优解。本题展示古人如何在计算中灵活运用约分技巧,让繁琐的运算一步到位。
五分步之四乘九分步之五,看似分子分母各走各路,实则暗含约分之机。乘分术三题由浅入深,古人用最朴素的语言,道出分数乘法最核心的秘密。
一块长方形田地,宽是 步,长是 步,面积是多少?《九章算术》给出了世界上最早的带分数乘法系统法则。分母乘整数加分子,这一步骤沿用至今。
一块长方形田地,宽是 步,长是 步,面积是多少?《九章算术》再次施展大广田术,这次答案不是整数而是带分数——约分的巧思让计算大大简化。
一块广十八步七分步之五、从二十三步十一分步之六的田地,面积如何表达?本题首次出现以亩为单位的带分数答案,完整呈现方田章分数乘法与面积换算的规范流程。
《方田》章中一道关于等腰三角形面积的计算题,术文仅六字却道尽三角形面积的本质。半广乘正从,与现代公式 完全一致,领先世界数百年。