公元1976年,在陕西省宝鸡市岐山县,发现了一座完整的建筑遗址,经鉴定这是西周时期的宗庙建筑。随后在建筑遗址陆续出土了大量文物,为研究西周文化提供了依据,而在众多的文物中有几十粒球形无孔的陶丸,却让考古学界无法确定它的用途。在接下来的十多年里,学者们提出了各种各样的猜想。其中一种观点认为,这是西周时期用于计算的工具——算珠。因为早期的算盘并不是我们常见的那样将珠子串起来,而是以游珠的形式存在,所以并没有中间的孔。如果这一说法成立,那么我国运用珠算的历史便可追溯到3000年前。
在我国传统的计算工具中,有一种是用各种珠子做计数元件,按照一定规则把它们排列起来,表示数字和进行各种计算,我们称之为算盘,算盘上所用的珠子称为算珠。珠算便是用算盘做工具的一种计算方法,是中国古代数学的又一项重大发明。然而珠算究竟起源于何时?是早在上古黄帝时代?还是晚到数千年后的元代?学术界对此有着各种不同的观点。那么西周时期的陶丸,为什么会被一些专家认为是珠算用的算珠呢?
第一,当时的社会需要计算工具,因为同时出土的有一个酒器,它上面记载着用100个朋贝,可以去交换买卖1300亩地。可见当时地亩的测量、交换都需要进行计算,这样的时候就需要计算工具。第二点,最早的一本记载计算工具的书叫《数术记遗》,这本《数术记遗》里面记载有一种珠算,上面1个珠作5,下面1个珠作1,上面只有1个珠,下面是4个珠。怎样区别?“以色别珠”,用颜色来别珠,我们发现这个陶丸恰恰是两种颜色。一种是青色,一种是黄色,青色的珠20粒,黄色的珠70粒,那么它的比例大致上接近1:4,这是很重要的一点,这一点就说明《数术记遗》里面的记载是有根据的。也反过来证明,古代就有用颜色来区别珠的这种计算工具,所以这些专家认为陶丸是最早的计算工具。
无独有偶,公元2003年2月,在陕西省西安市北郊的汉代未央宫遗址附近,由于改造河道的需要,在施工过程中,又出土了一些汉代文物,其中发现了多粒大小近似的陶丸。那么它是否也是古人用于计算的算珠呢?这还有待于考古学家的进一步考证。然而如果这真是算珠,那么古人是怎么会想到用小珠子来做计算的呢?
算具,一般开始是用于计数,后来是运算。最早原始的计数工具,一种是树木上的枝子,折下来做计数工具;另一种是石头子,用石子做计数工具。这两种工具往后越来越发展,木枝延伸就成了筹算;石子延伸就成了珠算。不过,从历史的文献记载和考古发现来看,在元代以前,主要的计算工具还是算筹。这其中涉及的因素很多,但主要有两个方面:一是算筹和算盘的构成特点。算筹可以纵横排列,通过多层的摆设来计算,这一特性也叫多重张位,使算筹有很强的位置性,可以进行高级运算。特别是人们以红黑来区别算筹,用红色代表正数,用黑色代表负数,这样可以很好地解决方程中遇到的负数问题。
而算盘是在一个横行上做运算,也就是一重张位,因而限制了算盘的用途。凡是算盘能解决的问题,算筹也能解决,反之则不然。另外它们各自的算法不同。长期以来人们总结了一套适用于筹算的完备算法,而珠算则是借用了筹算的算法,但是由于算盘的一重张位,所以算筹算法的很多方面不能直接搬上算盘,需要创造出适宜于算盘上演算的特殊算法。所以在元代之前,珠算一直没有流行起来,世界上也曾有过许多国家出现过形式不同的算盘,但是后来都先后消亡了。究其原因或许也是算法问题没有得到很好解决。
如何把多重张位的算法改革成一重张位,这是一个很重要的问题。这不仅仅是改革计算工具的问题,也就是说不仅是改革硬件的问题,更要考虑它的软件,就是算法怎么样改革。所以从唐代开始就进行筹算算法的改革,一直到宋朝,最有成就的就是宋朝的杨辉,在杨辉算法里面,筹算算法的改革达到了很高的程度,他的一个总的趋势就是把多重张位的算法,改革成一重张位,适用于在算盘上进行运算。到元朝的时候,改革就完成了,它完成的突出特点是什么呢?口诀产生了。
口诀的产生为珠算的发展创造了条件,同时也暴露出筹算的缺点。运算时,一念口诀就得出了结果,而手中的算筹却还在慢慢地排列,这样便产生了得心不能应手的矛盾,比较起来珠算具有“随手拨珠,便成答案”的优点。另外算筹一般都在10厘米左右,当摆设一个大数时,要占据很大的面积,古人常有“置数于地”的说法,也就是在地上运算,特别是解高次方程,要摆很多层,人要来回跑动很不方便,而算盘小巧便利,使计算变得轻松易得。从宋代的《杨辉算法》开始,到元朝初年出现最早的算盘图,再到后来发行量最大的程大位的《算法统宗》,珠算经过十几代人的努力,到了明代,最终取代了筹算,成为社会上独领风骚的算具。尽管对珠算起源的时间有不同的认识,但中国古人的这一贡献,即使在计算机已经很发达的今天,我们仍然可以见到珠算的身影。
(秦雪竹)