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据传，孙膑与庞涓曾为同窗，庞涓出仕魏国后，自认为自己的才能比不上孙膑，于是暗地派人将孙膑请到魏国，捏造罪名将孙膑处以膑刑和黥刑，就是去除膝盖骨并在他脸上刺字，想使他埋没于世不为人知。齐国使者出使魏国，孙膑私下与齐使相谈，觉得孙膑不同凡响，于是偷偷地用车将他载回齐国，做了齐将田忌的门客。

公元前354年，魏国派庞涓率兵8万，由大梁北上进攻赵国都城邯郸。赵国向齐国求救。齐威王想用孙膑为将，孙膑辞谢说：“刑余之人不可。”于是齐威王派田忌为主将，孙膑为军师，率兵救赵。田忌想领兵直奔赵国，孙膑劝阻道：“要解开纷乱的丝绳，一定要找出它的线头，不可用拳头乱砸；要解劝斗殴的，不可帮着去打；避实就虚，在形势上阻遏制止住敌方，自然就可以解围。现在魏国攻打赵国，它的轻兵锐卒必然都在前线，老弱残兵留守国内，您不如引兵围攻大梁，占据交通要道，攻打它防卫空虚之处，魏国一定放弃攻打赵国而自救。这样我们不仅解了赵国的围，还可以弊弱魏国。”田忌采纳了孙膑的建议，将主力集结于预设阵地桂陵，准备歼敌。不久，庞涓回兵桂陵，遭到齐军截击，败回大梁。这就是历史上有名的桂陵之战。围魏救赵从此被中国历代兵家所借鉴，在中国军事史上占据了重要地位。

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桂陵之战十三年后，魏国联合赵国攻打韩国，韩国向齐国求救。齐威王命田忌为将，孙膑为军师，出兵救韩，直取魏国首都大梁。魏国得知齐军攻魏救韩的消息后，立即撤围回救大梁，同时魏国国君魏惠王为报桂陵之战失败之仇，命太子申为上将军，庞涓为将军，集中主力迎击齐军，寻求决战。孙膑向田忌建议：利用三晋士兵骠悍骁勇，轻视齐国心理，示之以弱，诱敌追击，然后乘隙予以致命打击。孙膑提出后世有名的“减灶计”：在与魏军接触后假装败退，退却中第一天挖10万个炉灶，第二天减少到5万，第三天减少为3万个，让魏军误认为齐军每天有大量士兵逃亡，战斗力迅速减弱，而不顾一切地来追赶。果然，庞涓见齐军炉灶天天减少，得意忘形地说：“我原来就知道齐军胆小怯懦，进入我国境内才3天，士兵就逃走过半了!”于是丢下步军，只率一部分轻装精锐部队，兼程追赶。孙膑估计庞涓的行军速度，天黑当可赶到马陵，而马陵道路狭窄，旁多险阻，可埋伏兵马。就命令削去大树的树皮，在露出的白头木头上写上：“庞涓死在此树之下。”然后命令齐军善射者一万人，手执强弩，埋伏在道路两旁，约定说：“夜里见到火光亮起来就万箭齐发。”庞涓果然夜晚来到大树下，见白色木头上写了字，钻火照看，还没来得及读完树上的字，齐军已万箭齐发，魏军大乱，彼此无法相顾。庞涓意识到中了孙膑的计策，已经智穷兵败，自刎之前慨叹：“遂成竖子之名！”齐军乘胜攻击，全歼十万魏军，俘虏了魏国太子申，凯旋而归。马陵之战与桂陵之战被后世人认为是孙膑与庞涓的巅峰对决，是孙膑军事生涯中的“杰作”，充分显示了孙膑过人的军事谋略和杰出的指挥才能。马陵之战后，魏国元气大伤，国势从此一蹶不振，失去了中原霸权。齐国则声威大振，威服诸侯，称霸于中原。孙膑由此名扬天下。

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马陵战后的第二年，田忌因与齐相邹忌不和，逃奔楚国。孙膑也从此失去踪迹。孙膑去了哪里？《东周列国志》这样写的“孙膑住石闾之山岁余，一夕忽不见，或言鬼谷先生度之出世矣”，是小说家言。但很可能被鬼谷先生接回鬼谷课徒，据考证鬼谷子并不是一个人的称呼，而是一个名叫鬼谷的地方头领，准确的说是书院的院长。《孙膑兵法》就是他的弟子们收集编纂的，当然也有说回乡著述课徒。