數學史話之古代中國數學的高峰《九章算術》

在經過了《周髀算經》的鋪墊之後,我們終於迎來了中國古代數學史上的一座高峰《九章算術》,但是很可惜,如同《周髀算經》一樣,我們依然不知道《九章算術》的作者是誰,而且很有可能它的作者不止一位,它的創作時間也持續了很長。由於中國古代的政治一直是以"經世致用"為目的的,所以在《九章算術》中我們就可以看到,裡面所有的問題都是從實用性出發的,但是缺乏純粹理論的證明過程,這是中國數學異於希臘數學的一個最大的區別。

數學史話之古代中國數學的高峰《九章算術》

九章算術

《九章算術》成書於何時,我們並不清楚,根據一些專家學者的考證,目前一個比較為大家所接受的看法是在公元前1世紀到公元1世紀之間,即在中國歷史上的西漢中後期和東漢中前期這段時間內。《九章算術》成書後,不斷地有人為它作注,所以《九章算術》的流傳過程也就是不斷推出新注的過程,一篇新注意味著一個新的版本。據考證,為《九章》做過注的人包括劉徽、李淳風、賈憲、楊輝等等,每一個都是中國數學史上的大牛。《九章》及其各個版本的注在南北朝、隋唐以及以後的朝代都是主要的數學研究書籍。

《九章》的名稱是由其內容一共有九章而來的,分別是"方田"、"粟米"、"衰分"、"少廣"、"商功"、"均輸"、"盈不足"、"方程"和"勾股"九個部分。"方田"就是計算平面圖形的面積的。由於在生產生活中需要丈量土地的面積,而土地的形狀又不可能都是規則的,所以在"方田"中就講到了計算各種形狀的平面圖形面積的方法。在"方田"中使用的圓周率π為3,但是在後來的劉徽的注中,指出了這種取法的不合理,認為用3產生的誤差太大了。劉徽在注中提出了使用"割圓術"的方法來求取圓周率的值,他說:割之彌細,所失彌少。割之又割,以至於不可割,則與圓周合體。而無所失矣。在這裡,劉徽體現除了極限的思想,與之前我們說的莊子的極限思想是一脈相承的。雖然這種極限思想是粗糙的,不成熟的,但是第一個使用這種思想來解決問題,其功績也是不可抹殺的。劉徽在注中使用的圓周率π為3.14或157/50,這個數值後來被稱為"徽率"。後來還有說劉徽的圓周率已經取到了3.1416,但並沒有確切的記載。不過按照劉徽的割圓術的思想來求的話,應該是可以做到的。

數學史話之古代中國數學的高峰《九章算術》

割圓術

在"粟米"、"衰分"及"均輸"中,則都用到了比和比例的概念,其中最著名的就是"今有術"。所謂的"今有術"就是指通過三個已知數求得第四個數的方法,這個名稱一直到清代都沿用,直到後來引入了西方數學,才改成了"比例"。"衰分"中則主要講述了配分比例和等比、等差數列的問題。而在"均輸"中則使用到了配分比例、複比例和等差數列等等。

在"少廣"、"商功"中則講述了從面積或者體積來求邊長或者半徑的算法。在這裡我們可以看到世界上最早的多位數開平方、開立方法則的記載。在劉徽的注中提到了兩種開平方的法則:不加借算和加借算,並且指出了平方根的值在這兩種近似值之間。另外,除了整數的開平方,還包括了分數的開方。除了開平方、立方術之外,還有"開圓術"、"開立圓術"等。"開圓"是從圓面積求圓周的方法,而"開立圓"則是通過球的體積來算半徑(直徑)的方法。"商功"中還講述了各種立體的體積的計算方法,由於中國從古至今都是一個農業社會,水利對於農業的影響是不言而喻的,因此在興修水利的過程中,就要用到各種計算土方的方法。

"盈不足"術是我國古代解決問題的一種巧妙方法。比如"今有共買物,人出八盈三;人出七不足四。問人數、物價各幾何?"這就是一個盈不足術的題目,實際上也是一個二元一次方程組,現在我們通過列方程組即可計算出來。另外還有一些題目,本來只是一個很簡單的方程問題,但是也用到了"盈不足術"來解決。而這種"盈不足術"實際上就是現在的線性插值法。這也是我國古代的一個獨立發明。

"方程"中的"方"就是把一個算題用算籌列成方陣的形式,"程"則是度量的總稱。不過它跟現在的"方程"的概念並不完全一樣。這裡的"方程"更有點現在的線性方程組的意思,而線性方程組是由萊布尼茨著手擬定,導致行列式的發明,一直到貝祖用行列式建立了線性方程組的一般理論。因此《九章》中的"方程"也算是世界數學史上的一個大發明。另外"方程"中還有關於負數的計算。而在歐洲把負數作為方程的根,需要等到15-16世紀才出現,甚至到18世紀,還有些數學家認為小於零的數是很奇怪的。

"勾股"是《九章》的最後一章,在該章節下討論了用勾股定理解決實際應用問題的方法。另外還有二次方程的問題。

《九章算術》的數學成就是巨大的,它包括了算術、代數和幾何的很多內容。在《九章》中也蘊含了"萬物皆數"的思想,但它與古希臘的"萬物皆數"的思想又是不一樣的。古希臘的思想的實則是通過"萬物皆數"來倒推出數是世界的本原,世界是由數推導出來的;而《九章》中的"萬物皆數"的思想則是認為數是可以應用到任何與人事相關的領域中去的,即我們在本文一開始就說到的"經世致用"。我們學任何知識的目的是應用,沒用的東西基本上是沒人學的。這也是東西方文化的差異,而正是這種差異性,導致了東西方後來在自然科學領域走了完全不同的兩條道路。另外,我們也可以看到,所有的這些數學內容都是以"術"的形式出現的,而在中國古代,人們追求的則是"道"。"道"為根本,"術"是枝葉,所以一味的追求"道"也讓我們輕視了"術",也讓"術"沒有得到好的發展。


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