浅论中国古代数学

浅论中国古代数学

作为世界四大文明古国之一，中国从很早开始就发展出了自己的数学体系。商代的甲骨文上出现了完整的十进制，春秋时代严格的筹算已经成型并得到了广泛的应用，战国时代《考工记》中实用的几何知识流传到今天。

然而直到西方在1840年以后大规模地接触中国，完整地数学体系和先进系统的数学思想才开始传入中国，就如同西方科学史专家认为，中国只有学科（sciences），没有科学（science）一样，李约瑟也认为中国古代的数学成就是达芬奇式而不是伽利略式的，这其中自然有其理由。

《九章算术》是战国、秦、汉封建社会创立并巩固时期数学发展的总结，就其数学成就来说，堪称是世界数学名著。这本书在例如分数四则运算、今有术(西方称三率法)、开平方与开立方(包括二次方程数值解法)、盈不足术(西方称双设法)、各种面积和体积公式、线性方程组解法、正负数运算的加减法则、勾股形解法(特别是勾股定理和求勾股数的方法)等问题上，达到了很高的水平。其中方程组解法和正负数加减法则在世界数学发展上是遥遥领先的。就其特点来说，它形成了一个以筹算为中心、与古希腊数学完全不同的体系。

《九章算术》有几个显著的特点：采用按类分章的数学问题集的形式；算式都是从筹算记数法发展起来的；以算术、代数为主，很少涉及图形性质；重视应用，缺乏理论阐述等。

向对于古代希腊哲学化和几何化的数学，中国数学的特点在一开始就非常明显，即极其明显的追求实用性的倾向。数学问题集的形式，本来就是为了解决实际中遇到的数学问

题，所有数学问题都没有推导的过程，就仿佛这只是一本常见数学问题解决说明书。又例如“方田”一章中，对于圆周率只取到3，这显然和古代已经相当先进的建筑技术相矛盾，只能认为这是出于“实际当中取3就足够了”的考虑。

数学的实用化这个问题在中国古代数学发展史的整个过程中始终存在。先秦时代在数学和其他自然科学上达到最高水平的是由手工业者等发展来的墨家。比如对于名家提出的“一尺之棰，日取其半，万世不竭”的命题，墨家就不同意，提出一个“非半”的命题来进行反驳：将一线段按一半一半地无限分割下去，就必将出现一个不能再分割的“非半”，这个“非半”就是点。也就是说，指出了无限分割的变化和结果。

纵观整个中国古代数学发展史，数学大发展的时代，往往却是社会环境不怎么稳定或者数学并未得到大量应用的时代。春秋战国时代的数学大发展，而秦汉时代只是继承了这些数学成就而没有相应的发展。

三国到南北朝的社会秩序混乱，战争饥荒横行，数学却得到了极大的发展，魏、晋时期出现的玄学，不为汉儒经学束缚，思想比较活跃；它诘辩求胜，又能运用逻辑思维，分析义理，这些都有利于数学从理论上加以提高。吴国赵爽注《周髀算经》，汉末魏初徐岳撰《九章算术》注，魏末晋初刘徽撰《九章算术》注、《九章重差图》都是出现在这个时期。赵爽与刘徽的工作为中国古代数学体系奠定了理论基础。祖冲之父子的工作在经济文化南移以后，发展了具有代表性的工作，他们在刘徽注《九章算术》的基础上，把传统数学大大向前推进了一步。他们计算出圆周率在3.1415926～3.1415927之间，提出了祖暅原理以及二次与三次方程的解法等。

到了隋唐时期，国子监设立了算学馆，科举中也有“明算科”，出于实际的需求，天算学家创立了二次函数的内插法，唐中期以后，改革了计算方法，简化乘、除算法，唐代的

算法改革使乘除法可以在一个横列中进行运算。然而隋唐虽然是盛世，数学上也有设立算学馆，整理算经十书等举措，但除在天文历法的计算中先后使用了等间距和不等间距内插法外，几无创造。隋唐时期没有出现过一位可以与刘徽、祖冲之等比肩的数学家，也没有创作过一部可以与《九章算术》、《九章算术注》、《缀术》等等量齐观的数学著作。王孝通的《缉古算经》在解决土木工程中的数学问题上有所推进，其主要贡献是三次方程。而据钱宝琮考证，祖冲之已能解负系数三次方程，比王孝通还高明。李淳风等整理十部算经，很有贡献，然而，除《周髀算经注释》比赵爽注有所推进外，他们对其他算经的注释，意义都不大。尤其是对《九章算术》的注释，从整体上讲，无论是数学成就还是数学理论，都是远远低于刘徽注的作品。应该说，王孝通、李淳风是唐朝最有名的两位数学家．他们尚且如此，遑论其他。事实上，李淳风已经发现隋和唐初的数学不如前代，直言当时的算学馆学官（相当于今天的重点大学数学系教授）对《缀术》“莫能究其深奥，是故废而不理”。

同样的事实在之后的历史中继续发生。从11～14世纪约300年期间，出现了一批著名的数学家和数学著作，如贾宪的《黄帝九章算法细草》，刘益的《议古根源》，秦九韶的《数书九章》，李冶的《测圆海镜》和《益古演段》，杨辉的《详解九章算法》《日用算法》和《杨辉算法》，朱世杰的《算学启蒙》《四元玉鉴》等，很多领域都达到古代数学的高峰，其中一些成就也是当时世界数学的高峰。从开平方、开立方到四次以上的开方，在认识上是一个飞跃，实现这个飞跃的就是贾宪。杨辉在《九章算法纂类》中载有贾宪“增乘开平方法”、“增乘开立方法”；在《详解九章算法》中载有贾宪的“开方作法本源”图、“增乘方法求廉草”和用增乘开方法开四次方的例子。根据这些记录可以确定贾宪已发现二项系数表，创造了增乘开方法。这两项成就对整个宋元数学发生重大的影响。把增乘开方法推广到数字高次方程(包括系数为负的情形)解法的是刘益。《杨辉算法》中“田亩比类乘除捷法”卷，介绍了原书中22个二次方程和 1个四次方程，后者是用增乘开方法解三次以上的高次方程的最早例子。秦九韶是高次方程解法的集大成者，他在《数书九章》中收集

了21个用增乘开方法解高次方程(最高次数为10)的问题。在求根的第二位数时，秦九韶还提出以一次项系数除常数项为根的第二位数的试除法，这比西方最早的霍纳方法早500多年。元代天文学家王恂、郭守敬等在《授时历》中解决了三次函数的内插值问题。秦九韶在“缀术推星”题、朱世杰在《四元玉鉴》“如象招数”题都提到内插法(他们称为招差术)，朱世杰得到一个四次函数的内插公式。用天元(相当于x)作为未知数符号，立出高次方程，古代称为天元术，这是中国数学史上首次引入符号，并用符号运算来解决建立高次方程的问题。现存最早的天元术著作是李冶的《测圆海镜》。从天元术推广到二元、三元和四元的高次联立方程组，是宋元数学家的又一项杰出的创造。留传至今，并对这一杰出创造进行系统论述的是朱世杰的《四元玉鉴》。勾股形解法在宋元时期有新的发展，朱世杰在《算学启蒙》卷下提出已知勾弦和、股弦和求解勾股形的方法，补充了《九章算术》的不足。李冶在《测圆海镜》对勾股容圆问题进行了详细的研究，得到九个容圆公式，大大丰富了中国古代几何学的内容。中国古代计算技术改革的高潮也是出现在宋元时期。宋元明的历史文献中载有大量这个时期的实用算术书目，其数量远比唐代为多，改革的主要内容仍是乘除法。与算法改革的同时，穿珠算盘在北宋可能已出现。但如果把现代珠算看成是既有穿珠算盘，又有一套完善的算法和口诀，那么应该说它最后完成于元代。

然而到了社会安定，经济发达，鼎盛时期占有了世界七成以上白银的明朝时期，以及其后人口剧增的清代，国内的数学发展乏善可称，只有明末清初通过西方传教士对于西方数学的引进才有了仅有的几个数学家和数学成就。

为什么太平盛世反而数学发展得不好？这个其实和中国数学发展的形式有关。中国数学发展的主要贡献者是知识分子，然而与其它国家以及欧洲的情况不同，作为一个早熟的发达富裕的农业国家，中国发展了一个成熟的科举制度来缓解社会矛盾，同时也吸引了绝大部分知识分子的注意力，而科举中更关注知识分子对于典籍礼仪的熟悉程度，试图通过统一知识分子的道德思维来将大一统最低成本地实现于广大的领土之上，即使是唐代的明

算科也只是考验处理实际问题的数学能力，对于过于关注实际应用的时代来说，即使对数学有兴趣有天赋的人也没有足够的精力，足够的财力和空间来进行理论上的研究和发展，反而是兵荒马乱的年代一些知识分子在明知做官无望又生活有保障的情况下才会诞生天才，作出不朽的成绩。就是在宋代，发展出的数学也只是书斋数学。数学家取得的数学成就出去那些可以直接用于实际用途的以外，几乎无人问津。

这种理论与实际脱节的情况相当普遍。中国数学的发展，其实大多不是出于对实际生活中问题的研究，也没有像西方那样为了航海，机械等的实际需求促进拉动数学发展的情况，而是某些天才出于纯粹的兴趣爱好的灵光一闪。所以这种兴趣研究式的书斋数学既没有发展出一套成熟的数学术语体系，也没有那种不断发展的趋势。看不懂前人的东西，而指斥前人有错，在中国数学史上不乏其例。明朝数学家顾应祥看不懂元朝李冶《测圆海镜》中的天元术，谓李冶“止以天元一互算而漫无下手之处”，著《测圆海镜分类释术》，买椟还珠，将天元术尽行删除，贻千古不知而作之讥。

在农业社会的，追求相似化大一统，追求秩序和等级礼制而不是效率效益的大环境下，数学注定只是少数知识分子的玩物。而没有足够的人来交流研究的学科，即使天才辈出也不会改变不成熟的状况。