九章格数学 PhiloMath · 中国古代数学故事绘本

生生之易 · 会生长的三角形

第 07 册 · 中国古代数学故事绘本 · 明线:贾宪三角与二项式系数 暗线:生生之谓易
明线 · 贾宪三角、二项式系数与乘方速算暗线 · 生生之谓易 · 一生二,二生三北宋—清全龄通识 · 三层可读
题解这一册怎么读p.2

案上有一张数表,排成一个三角形:顶上一个「一」,往下一行行多起来。它不是谁一行行画出来的——每一个数,都是肩上两个数相加而生。

给出最顶上那个「一」,余下的无穷无尽,自己就长下去了。

这一册讲的,就是这张会生长的表:它从哪里来,怎么长,藏着哪些秘密,又打开了哪一扇门。

三层

故事层——跟着画面往下读,先读故事。

数学层——暖金色的框里,是这一页真正的数学。

注疏层——页面下方的小字,抄着古书里的原话,给一起读的大人。

五幕一览
第一幕 开方要用的数表 · 第二幕 肩上两数相加 · 第三幕 每一行的秘密
第四幕 一扇打开的门 · 第五幕 生生不已
引子先生的大难题p.3

北宋年间,算学先生贾宪的案前,摆着一个难住的题。

官家要量一块大方田,只告诉了面积,要反求边长——这叫「开方」。数小还好,数一大,开起来步步行难。

先生对案良久。他知道,要走得快,得先备一张「随身的地道」。

引子爱看树的少年p.4

邻家有个孩子叫阿生,最爱蹲在树下看树:主干抽出两枝,两枝又各分两枝,一层层长上去,没有一层是凭空冒出来的。

这天他趴在先生案边看算书,忽然愣住——书里那层层叠叠的数,怎么看去像一株树?

先生说:「看得好。它确实是一株树——不过它是数长出来的。」

引子一张会生长的表p.5

先生在纸上画出那张表的样子:顶上一个「一」;第二行两个「一」;再往下,一行比一行多。

「这张表不用一行行苦画。」先生说,「只要记住一条规矩,它自己就会往下长。」

什么规矩?往下看。

故事 · 第一幕开方之难p.6

先生先给阿生看一个小题:一块正方田,面积一百四十四步,边长多少?

阿生拿小方块摆了摆:十二乘十二,正好。这个「反过来求边」,就叫开方。

「小数好摆,」先生道,「数一大,一步摆不出来,得一步一步走。要走稳,就得先知道每一步该用哪些数。」

数学 · 第一幕从面积找边长p.7

一百四十四步的方田,阿生数了数边:一行十二格,十二行——边长十二。

他明白了:开方,就是从「摆了多少」反问「一边摆了多少」。

数学

正方田面积=边长自乘。已知面积求边长,就是把乘法倒过来走:

12 ✕ 12 = 144 ⟹ 边长 12

边长自己乘自己得到的数,叫这个边长的「平方」;反过来由平方求边长,就叫「开平方」。

数学 · 第一幕数一大,步就多p.8

小数一眼看穿,大数却要分步:先把大数按位分段,一段一段地试,像走一段长路,每段都要落脚找准。

先生把每一步要用的数排在案上。阿生看着看着,发现这些数并非乱来——各有各的位置,各有各的用处。

数学

开平方分步走时,每一步都要用到一组固定的系数:

1 2 1

若是开立方(三次自乘),系数就换一组:

1 3 3 1

次数再高,系数更长。开方要走稳,先得把这些系数一处不差地备齐。

数学 · 第一幕把钥匙造成一张表p.9

先生索性把各次的系数全排在一起:一次一行,行行相叠,排成一个尖顶的三角。

「往后不管开几次方,」先生说,「钥匙就在这张表里。要用哪一行,取哪一行。」

阿生盯着那张表,心里冒出一个更大的问题:这么多行,是谁一行行算出来的?

数学

把各次的系数叠起来:

1

1 1

1 2 1

1 3 3 1

每一行,正是一次开方要用的全套系数。这张表在,开方就不是碰运气。

暗线 · 生生之易一生二,二生三p.10
道生一,一生二,二生三,三生万物。——《老子·四十二章》

《老子》说:道生出一,一生出二,二生出三,三生出万物。

万物不是一件件被造出来的,是从最初的那个「一」,按着次第自己长出来的。

先生那张表,也是这样——顶上一个「一」,往下的一切,都从它身上生。

明暗交汇 · 第一幕钥匙与种子p.11

阿生问:「先生,这张表是钥匙,还是种子?」

先生反问:「钥匙开锁,用完就收回;种子下地,自己往上长——那张表像哪一样?」

阿生想了想,答不上来。这个悬念,第二幕揭晓。

并置

同一张表,两种眼光:一种把它当「备好的工具」,一种把它当「活的东西」。

小结 · 第一幕幕末 · 两句p.12
术
开方要分步走,每步系数各有定数:平方 1、2、1,立方 1、3、3、1——把各次系数叠起来,就是那张三角形的数表。
道
道生一,一生二,二生三:万物不是被造出来的,是从源头按次第自己长出来的。
故事 · 第二幕表是怎么来的p.13

第二天,阿生又来了,开口就问昨天的悬念:「先生,这表几十行几百行,是谁一行一行苦算出来的?」

先生笑而不答,只把笔递给他:「先照着第五行,把第六行写出来——不许问,不许猜,自己长。」

数学 · 第二幕一条规矩:肩上相加p.14

阿生盯着看了半晌,忽然下笔了:两边的「一」照抄,中间的数,是肩上两个数加出来的。

先生点头:「这就是那条规矩。」

数学

整张表只靠两条规矩:

一 每行两端的数,都是 1;

二 中间每个数,等于它「肩上」两个数之和。

1 3 3 1
1 4 6 4 1

瞧:1+3=4,3+3=6——下一行自己长出来了。

数学 · 第二幕亲手长一行p.15

先生取来石子,让阿生亲手把第六行摆出来。

阿生一枚枚摆:1;1+4=5;4+6=10;6+4=10;4+1=5;1。

摆完一数——六枚,行行相接,一枚不多,一枚不少。

数学

第五行:1 4 6 4 1

照规矩长出第六行:

1 5 10 10 5 1

再往下还能长:第七行、第八行……想要多少行,规矩不变,一直长下去。

数学 · 第二幕只要一个「一」p.16

阿生回头再看整张表,看出一件惊人的事:

要把整张表造出来,其实只需要一个数——顶上那个「一」。其余的一切,规矩自己会生。

「所以它不是钥匙,」阿生说,「是种子。」

数学

这叫「递推」:给出开头,给出规矩,后面的一切自动到来。

起点:1
规矩:两端为 1,肩上相加
结果:整张表,想要多长有多长

人不必算每一行——人只立规矩;行,是规矩自己走出来的。

暗线 · 生生之易生生之谓易p.17
生生之谓易。——《周易·系辞上》

《周易》说:生生不已,才叫作「易」——「易」就是变化与生长本身。

数表的每一行,都由上一行所生;上一行又由更上一行所生。没有一行是画出来的,行行都是长出来的。

规矩一旦立下,生长就不停步。

明暗交汇 · 第二幕规矩与生长p.18

先生说:「匠人手里有规矩,画得出方圆;可园里的树,不用匠人,也一枝不乱。」

阿生说:「树心里,是不是也藏着一把规矩?」

先生不答,只把那张数表推到他面前。

并置

同一画面里,站着两样东西:一样是「人立的规矩」,一样是「自长的秩序」。

小结 · 第二幕幕末 · 两句p.19
术
整张表只靠两条规矩:两端为 1,中间肩上两数相加——从顶上一个「一」,能长出无穷多行。
道
生生之谓易:没有一行是画出来的,行行都是长出来的——立一个能生的源头,胜过造千行万行。
故事 · 第三幕阿生找秘密p.20

规矩找到了,阿生却不肯停。他说表里一定还藏着别的秘密。

先生乐了:「好。宽限三天,找到一条算赢。」

阿生趴在案上,一行一行地看,一列一列地数——他找到的不止一条。

数学 · 第三幕秘密一:对称p.21

阿生的第一个发现:每一行,顺着读、倒着读,一模一样。

1 4 6 4 1——从两头往中间看,对称。

他想了想理由:规矩是「肩上相加」,左右肩对称,长出来的行自然也对称。

数学

对称性:每行左右对称,与「到两端的距离」对应。

1 4 6 4 1
(正读=倒读)

这不是巧合:生成规矩本身是对称的,长出来的结果便也对称。

数学 · 第三幕秘密二:行和是二的幂p.22

第二个发现更妙:把每一行的数全加起来——

第一行 1,第二行 2,第三行 4,第四行 8……行行翻倍!

阿生去试第五行:1+4+6+4+1=16。果然。

数学

行和:第 n 行各数之和,恰是 2 自乘 n-1 次:

1, 2, 4, 8, 16, …

道理也好懂:往下走一行,每个数都把「自己」拆给底下两个数——所以每降一行,总和翻一倍。

数学 · 第三幕秘密三:斜线里的数列p.23

第三个发现藏得最深:斜着看!

斜线上经过的数,加起来依次是:1,1,2,3,5,8……

每个数是前两个之和——正是著名的「斐波那契数列」!它竟藏在这张表的斜线里。

数学

斜线和:自右上向左下斜着相加,得:

1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, …

这一列数有个脾气:后一个数,等于前两个之和。草木生枝、花瓣排布,常见这样的节律。

暗线 · 日新之谓盛德行行日新p.24
富有之谓大业,日新之谓盛德。——《周易·系辞上》

《周易》说:广大富足是大业,天天生出新的,是盛德。

数表的行行不同:新的一行,永远不是旧行的重复——它由旧行相加而生,却比旧行更丰富。

生长的最高模样,不是守成,是日日生新。

明暗交汇 · 第三幕旧行与新行p.25

阿生把三条秘密讲给先生听。先生问:「这些秘密,是刚发明的,还是本来就有的?」

阿生想了想:「我什么也没做——我只是看见了。」

先生说:「看见了,它就亮了。规律不怕迟到,只怕没人来看。」

并置

同一画面里,站着两件事:一件事「被人发现」,一件事「本来就在」。

小结 · 第三幕幕末 · 两句p.26
术
三条秘密:行行对称;每行之和是 1、2、4、8……翻倍到底;斜线上藏着 1、1、2、3、5、8……
道
日新之谓盛德:新行不是旧行的重复,而是旧行的相生——日日生新,才是不息的生长。
故事 · 第四幕合起来的是什么p.27

这天先生又出一题:两个数 a 与 b,加起来再自乘,会得到什么?

阿生拿小方块摆了摆:三样东西——a 的平方、b 的平方,还有一块两样相乘的部分。

先生把那页数表推过来:「摆出来的三样,各配一个数——配的正是表上的一行。」

数学 · 第四幕打开:平方p.28

两数之和的自乘,画成田最好看:大田里横竖各切一刀——切出两块「方」、两块「长条」。

长条有两个,一样的。数一数:1 块大、2 条长、1 块小——1,2,1!

数学

(a+b)2 的展开:

(a+b)2 = 1·a2 + 2·ab + 1·b2

系数 1,2,1——正是数表第三行。

「合着是一个式子,打开是一行系数。」先生说,「表上每一行,都是一扇门的钥匙。」

数学 · 第四幕再开一重:立方p.29

三次自乘呢?阿生切了一刀又一刀,数出来四块:一、三、三、一。

又对上了——这回对的是第四行。

阿生恍然:开立方用的那组系数,原来和这里的是同一组。

数学

(a+b)3 的展开:

(a+b)3 = 1·a3 + 3·a2b + 3·ab2 + 1·b3

系数 1,3,3,1——数表第四行。

对上了:自乘几次,就取第几行;次数比行号少一。开方与展开,用的是同一张表。

数学 · 第四幕数一数:挑法有多少p.30

先生换一个问法:三样果子,取两样,有几种取法?

阿生拿石子摆:甲乙、甲丙、乙丙——三种。

再看数表第三行中间那个数:正是 3!

数学

「几样里挑几样」的取法数,叫「组合数」。

3 样挑 0:1 挑 1:3 挑 2:3 挑 3:1

——把第三行倒过来读,一模一样。

对上了:数表第 n 行,正是「n-1 样里挑 0 样、挑 1 样……」的取法数。数表又是一张「挑法的账」。

暗线 · 一阖一辟合上与打开p.31
一阖一辟谓之变,往来不穷谓之通。——《周易·系辞上》

《周易》说:一合一开,就叫「变」;一来一往不停步,就叫「通」。

数表的本事正在这里:一行系数合起来,是一个整整齐齐的式子;式子打开来,是一行明明白白的系数。合上,打开,来来回回,路路皆通。

会合的人也要会开——这才是完整的手艺。

明暗交汇 · 第四幕一行钥匙p.32

先生把话收拢:「开方要它,展开要它,数挑法也要它——一张表,三处门。」

阿生数着门:「还有吗?」

先生望向窗外:「表还没长完,门就不会开完。」

并置

同一画面里,站着两样东西:一样是「备好的钥匙」,一样是「还没开完的门」。

小结 · 第四幕幕末 · 两句p.33
术
两数和自乘几次,展开系数就是表上第几行;「几样挑几样」的取法数,也躺在同一行里。
道
一阖一辟谓之变:合上是一个式子,打开是一行系数——会合,也要会开。
故事 · 第五幕一页书的漂流p.34

故事到这里,却有一段波折。

贾宪先生的书,后来散佚了——那张图,眼看要跟着沉没。

幸而两百年后,南宋的杨辉著《详解九章算法》,把这张图原样引录,还郑重写下一行小注:「贾宪用此术。」图,才传了下来。

数学 · 第五幕三百年,两块大陆p.35

这张图走了很远。

在东方,贾宪之后有杨辉,再后有朱世杰,用它开高次方,一路用到四层五层。

在西方,它晚了六百年才由法国的帕斯卡重新发现——欧洲人叫它「帕斯卡三角」,而它比帕斯卡早了约六百年。

数学

三张时间卡:

贾宪(约 1050)创图
杨辉(1261)引录传世
帕斯卡(1654)重新发现

创图到再发现,相隔约六百年;杨辉引录到帕斯卡,也早了近四百年。

今天,这张图通行两个名字:「帕斯卡三角」与「贾宪三角」——而史家都知道,最早的那个「一」,落在中国。

数学 · 第五幕规律不再需要人p.36

阿生有一天忽然说:「先生,这张表用不着我了。」

「只要规矩在,谁来都一样——甚至不来人也一样,它自己往下长。」

先生点头:「这就是造表人和立规矩人的分别。前者造一行,后者生无穷。」

数学

递推的力量,正在「不再需要人」:

起点 1 + 规矩 = 无穷多行

人立一次规矩,规矩行万次之事。今日计算机自动生成这张表,走的仍是同一条路——给起点,给规则,余下的自动到来。

数学 · 第五幕没有底的三角形p.37

阿生问:「这张表,有最后一行吗?」

先生摇头:「行数没有底。纸上画不下,是纸小;不是表完。」

一张纸,一个「一」,两条规矩——长出来的,是一整片没有边的天空。

数学

表的行数无限,而行行受同两条规矩管束。

有限的开头 + 两条规矩 ⟶ 无限的丰富

有限与无限,就这样接上了头:无限不是凭空的无穷,是从一个「一」出发、一步步走到的无穷。

暗线 · 薪火相传火传不知尽p.38
指穷于为薪,火传也,不知其尽也。——《庄子·养生主》

《庄子》说:柴会烧完,火却传下去,没有穷尽。

贾宪的书佚了——柴,尽了。可杨辉引录的那一行小注,把火接了过来;火又燃了六百年,传到帕斯卡手里,传到今天每一册代数书里。

薪有尽,火无尽。学问的性命,不在哪一卷书,在一代一代肯接火的人。

明暗交汇 · 第五幕一页与一树p.39

书的最后一课,先生只写了一句话,让阿生带回家:

「纸上的是一个『一』,纸上长出的是一片天。」

阿生把书合上。他知道的规矩还是那两条,可他知道的东西,已经无穷多了。

并置

同一画面里,站着两样东西:一样是「一页纸的有限」,一样是「一株树的无穷」。

小结 · 第五幕幕末 · 两句p.40
术
贾宪创图(约 1050),杨辉引录传世(1261),帕斯卡再发现(1654)——一张表,走过六百年、两块大陆。
道
薪尽火传:柴会烧完,火不知其尽——学问的性命,在一代一代肯接火的人。
收束回望:一粒种子p.41

回望这一册,是一粒种子长成的故事。

开方需要钥匙,先生便立一张表;表只有两条规矩,却自己长出了无穷多行;行里藏着对称、翻倍与斜线里的数列;再往后,它把式子的门一扇扇打开,又漂过六百年、两块大陆。

一个「一」,两条规矩,一片天空。

收束早到的答案p.42

这张图,我们又是「早到的客人」。

欧洲人叫它「帕斯卡三角」,可贾宪比帕斯卡早了约六百年;就算从杨辉引录算起,也早了近四百年。

今天代数书里写它,两个名字都通行——名字各表其功,规律只有一个。学问不怕早到,只怕没有人肯把它接过来。

收束 · 留问留下的一个问题p.43
道生一,一生二,二生三,三生万物。——《老子·四十二章》

这一册留一个问题。

数表要一个数,得从顶上一行行长出来。可要是只想要很深处的一个数呢?比如第十行正中间那个——还得一行一行写十层吗?

能不能不走路,一步算出「第几行、第几个」的数?古人的表是长出来的;这个「直接算」的公式,要等后人去寻。

动手做 一种一棵数之树p.44

规矩只有两条,家里也能把表种出来。

材料:纸、笔。心急的话,再备一块橡皮——不过多半用不上。

做法

一 纸顶上写一个 1。

二 下一行写两个 1。

三 往下每一行:两端写 1;中间每个数,等于肩上两数之和。写完一行,再长一行。

四 写到第八行为止。写完自查:行行对称吗?每行加起来,是不是 1、2、4、8、16、32、64、128?

动手做 二在表里找秘密p.45

表已经到手,正该像阿生一样,自己找秘密。

材料:刚写好的八行数表、一支笔。

做法

一 用铅笔把表上所有的偶数轻轻圈出来——连成片看,像什么图案?

二 从右上往左下斜着相加,把每条斜线的和写在表旁:是不是 1、1、2、3、5、8、13、21?

三 把第七行和第八行并排放,第八行除两端外,每个数能用第七行的数说清楚吗?说说看。

小典 一术语 · 记号p.46
术语

开方——由自乘之数反求底数:由 144 得 12 是开平方,三次自乘之数反求是开立方;数大时须分步进行。

开方作法本源图——贾宪所立的各次开方系数总表,即本册的三角形;今称「贾宪三角」。

递推——给出起点与规矩,让后续结果逐个自动生成的思路;本册表只靠「两端为 1、肩上相加」两条规矩。

二项式系数——(a+b)n 展开后各项的系数;自乘 n 次,对应表上第 n+1 行。

组合数——「n 样里挑 k 样」的取法数,记作 C(n, k);与二项式系数是一物两名。

廉与隅——开方术语:分步开方时,随层次而设的系数位,古人以「廉」(边上的辅助项)、「隅」(最末的角项)称之;贾宪造表正为它们备数。

增乘方法——杨辉书中对逐行生系数之法的称呼;「增乘」二字,说的正是肩上相加、逐行倍增。

小典 二术理 · 人名 · 典籍p.47
术理

贾宪三角的要害,在「生成先于枚举」:不把每一行当作要一个个画出的成品,而当作同一规矩的反复施行。两条极简的规矩,撑起一张用之不竭的数表——开方取它,展开取它,数挑法也取它。递推之道,与《周易》《老子》的「生生」同一机杼:立源头,明次第,万物自来。

人名

贾宪(北宋,约十一世纪上半叶)——师承楚衍,著算书(一说《释锁算术》)已佚;「开方作法本源图」的创始人,早于帕斯卡约六百年。

杨辉(南宋,约十三世纪)——钱塘人,著《详解九章算法》(1261)等;引录贾宪之图并注明「贾宪用此术」,使其传世。

朱世杰(元,约十三—十四世纪)——著《四元玉鉴》(1303),将此表用于高阶垛积与高次方程,使之愈用愈深。

帕斯卡(1623–1662,法国)——著《论算术三角形》(1654),系统研究此表并开启概率论;欧洲称「帕斯卡三角」。

典籍

《释锁算术》(贾宪,佚)——数表的最初出处;《详解九章算法》(杨辉)——引录存图的功臣;《四元玉鉴》(朱世杰)——表用集大成;《周易·系辞》——「生生之谓易」「日新之谓盛德」「一阖一辟谓之变」;《老子》——「道生一,一生二,二生三,三生万物」;《庄子·养生主》——「指穷于为薪,火传也」。

延伸 一数一数身边p.48

「几样挑几样」,家里天天都在发生。

衣裳怎么搭、走路的走法、抽屉里挑几枚……背后都站着同一行系数。

延伸

搭配:两件上衣三条裤,搭配共 2 ✕ 3=6 种——乘法原理,是组合数的第一块基石。

走棋盘:小棋盘上只许向右、向下走,每一路口的走法数=左、上两口之和——棋盘自己长出的,正是一块斜放的贾宪三角!

——「肩上相加」这一规矩,原来满地都是。

延伸 二从三角形到概率p.49

这张表后来又开了一扇大门——概率。

帕斯卡研究它,本为回答一个赌徒的问题:一笔赌金,赌到一半中断,该怎么分才公平?

答案要用这张表来数「各种情形各有多少」。一张开方的数表,就这样成了「算可能性」的学问的地基。

延伸

抛几枚铜钱,正面朝上的各种情形数,正是表上的一行:1,3,3,1。

于是「恰好两枚正面」的可能性,一眼可见:3 比 8(三枚共 8 种情形)。

可能性的账,古人早已替我们编好数表——要紧的,是学会去翻它。

家长导读 一这一册在讲什么p.50

这一册有两条线,一明一暗。

明线(暖金):开方的需要、贾宪「开方作法本源图」、肩上相加的递推规矩、三条性质(对称、行和、斜线)、二项式展开与组合数、贾宪—杨辉—帕斯卡的六百年传承。

暗线(青绿):「道生一,一生二,二生三」「生生之谓易」——万物不是被造出来的,是从源头按次第自己长出来的。递推是这句话在数学里的化身。

共读建议

· 先读故事层,让孩子自己「长」出几行(见动手做一),再回头讲规矩;

· 数学层里「肩上相加」与「行和翻倍」两段,最宜边读边在自制的表上验证;

· 五页暗线页与每幕的交汇页(偏青绿),适合慢读——只问不答,让画面自己说话。

家长导读 二留下的问题p.51

三个可以不急着回答的问题,留给亲子一起慢慢聊。

三问

一 一张表只靠两条规矩,为什么能长出这么多行?
因为规矩是「能生」的:一行生出下一行,下一行又能生再下一行——力量不在行数多,在规矩活着。

二 「造一行」和「立规矩」差在哪里?
造一行得一次手艺,立规矩得一世的自动。教孩子时也一样:教一题不如教他一条「肩上相加」式的规矩。

三 一张开方的表,怎么就管起了「可能性」?
因为数来数去,数的是同一件事:各种情形各有多少。开方数的是系数,概率数的是情形——账本同一本,翻开的页不同。

写下想法
(此处留给亲子手写。读完这一册,最想留住的一句话是什么?)
版权版权与编目p.52
编目

《中国古代数学故事绘本》第 07 册
生生之易 · 会生长的三角形

明线:贾宪三角 · 开方作法本源图 · 二项式系数
暗线:生生之谓易 · 道生一,一生二,二生三

时代:北宋—南宋(约 1050 年至 1261 年,远眺 1654 年)
主典:贾宪《释锁算术》(佚,赖杨辉引录);杨辉《详解九章算法》;《周易·系辞》;《老子》;《庄子·养生主》

体例:扉页与题解 2 页 · 引子 3 页 · 五幕 35 页(每幕:故事 1 · 数学 3 · 暗线 1 · 交汇 1 · 小结 1)· 收束与留问 3 页 · 动手做 2 页 · 小典 2 页 · 延伸 2 页 · 家长导读 2 页 · 版权 1 页,共 52 页。

全套十册,依历史时序,自先秦至明清。本册为第七册。