数学史话之中国数学的萌芽先秦数学

从1月26日发表第一篇《数学史话之数字的来历》到现在已经过去了3个多月了,在这三个多月里面一共发表了60多篇数学史话。从古希腊到近代,从欧洲到印度,系统地介绍了国外数学的发展和变迁史。在头条上,经常有读者问我:会不会写中国的数学家们,什么时候写?从今天开始,咱们就开始聊聊中国的数学,也是从古至今,争取能多写几个。今天先要聊的是先秦数学--中国数学的萌芽状态。

有人说过:中国的文明是一种早熟的文明。其实中国的数学也可以这么说,比较早熟。在最早的伏羲女娲图中,我们就可以看到,伏羲手中拿的东西叫"矩",女娲手中拿的东西叫"规",这就是我们的成语"没有规矩,不成方圆"中的"规"和"矩","规"就是圆规,这个很容易理解,那么"矩"是什么呢?有人说是直尺,那是不确切的,"矩"其实是一把带刻度的直角尺。有了这两样东西,在古希腊数学中存在的三大尺规作图难题中的"三等分角"、"倍立方体"两个问题都可以通过"规矩"来解决。有兴趣的读者可以自己来试一下,只用"矩"就可以完成这两个难题。

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伏羲女娲图

同时,中国也是世界上最早使用10进位值制计数法的国家。所谓的"10进"就是指逢十进一,"位值制"是指较高的单位不需要设置新的符号,比如同样是2,在十位上表示20,在百位上就表示200。中国大约在公元前7世纪出现了算筹,同时产生了算筹计数法。世界上有位值制思想的地区包括玛雅、古巴比伦、古印度和中国,玛雅的位值制很明确,但他们用的是20进位或者18进位,古巴比伦是60进位,古印度的10进位值制的时间不早于3、4世纪。因此,中国的10进位值制计数法是最早的,这个是十分值得骄傲的。以10进位值制计数法为基础,中国出现了一整套的四则运算法则,其中包括最著名的"九九乘法表"。九九乘法表现在的口诀是从一一得一开始,一直到九九八十一为止,但是古代的时候是反过来的,从九九八十一开始,一直到二二得四为止。乘法口诀表出现的具体时间,现在已经不知道了。但是我们可以从一些文章中找到一些蛛丝马迹。《韩诗外传》中记载:齐桓公招徕有才能的贤人,有个老头过来了,说我会背九九乘法表。齐桓公说会背小九九算什么才能啊?从这里我们就可以看出,至少在春秋早期,九九乘法表就已经非常流行,是人们都熟知的知识了。不过现在想来,用英语应该怎么背九九乘法表呢?难道真的是这样:旺旺得旺,旺兔得兔?哈哈,开个玩笑。


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九九乘法表

在《周易》中出现了最早的排列组合,周易以一个长横"——"表示阳,两个短横"--"表示阴。每次取两个,则有4种组合,代表四象,分别是太阳,少阴,少阳和太阴。每次取三个,则有8种组合,代表八卦,分别是乾、兑、离、震、巽、坎、艮、坤。每次取六个,则有64种组合,就是"64卦"。据说莱布尼茨见到64卦以后,认为中国人在2000年前就发明了二进制计数法。

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从太极到八卦

另外,中国古代的河图洛书中的河图就是现在的3阶幻方的雏形。在《考工记》中则记载了中国古代对于角度的理解,其中矩为90°,宣为45°,欘为67°30′,柯为101°5′,磬折为151°52′30″,这说明对于当时的人们来说,他们已经认识到角度中″的概念了。但中国古代始终没有把弧长的计算发展出来,所以也就没有出现角的函数概念。在另一本书《管子》中,则出现了表示分数和比例的术语,比如在《度地》、《轻重戊》等篇章中就出现了十分之二、十分之五、十分之七等等。后来到了战国时期,李悝在给魏文侯作"尽地力之教"中,就用到了整数和分数的四则运算,最后还出现不够减的情况,已经有了负数的思想了。但是真正把负数作为一个数学概念拿出来讨论的是在后面的《九章算术》中。

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考工记

最早出现指数思想的还是在《管子》这本书中,后来真正出现乘方和指数概念的是在中国的音乐理论中。古人利用竹管来定音律,采用三分损益的方法,得到十二律。为了使损益后得到的十二个数都是整数,则第一根的竹管的长度必须是3^11长。

春秋时期是我国古代思想大爆发的时期,其中论及自然科学的,以《墨子》最为系统。它包含了几何学、声学、光学、逻辑学、力学等方面的论述。《墨子》在中国几何学上的地位相当于《几何原本》在欧洲几何学的地位,只不过由于文中叙述简略,并且年代久远,出现错简、脱字、误字的地方比较多,所以理解起来并不容易。后世有对《墨子》进行校释的,但说法出入很大。《墨子》的几何部分有若干理论,其定义之确切,立论之精辟,实在不输于《原本》。比如《墨子》中说:平,同高也。这就定义了平这个概念,这里的平并不是平行,而是等高、基准的意思。另外还有比如"端,体之无序而最前者也",这就定义了点的概念,它位于物体的最前端,而没有厚薄和大小,这与《原本》中"点是没有部分的","线段的两端是点"的意思是一样的。"穷,或不容尺,有穷;莫不容尺,无穷也",这里的"或"是"域"的意思,解释就是:穷,是能够量尽的区域,也叫有穷。如果永远都量不尽,那就是无穷。这里已经有了无穷的概念了。

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墨子

在墨子之后还有庄子,他在《庄子·天下篇》中说到"飞鸟之影,未尝动也",这与古希腊的芝诺提出的"飞矢不动"悖论有异曲同工之妙。另外还有最脍炙人口的那句话就是:一尺之捶,日取其半,万世不竭。这里包含着极限的思想。

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庄子

中国古代的数学思想产生的很早,也很深邃,所以我们并不需要妄自菲薄,觉得自己的数学不如别人家。我记得金灿荣老师讲过:"中国近代为什么落后?就是因为我们愚蠢地拒绝了工业化和近代化。"所以只要我们拥有一个包容的胸怀,我们就一定能够重建我们祖先的荣光。


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