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《九章算術》與不可公度量 (第 4 頁)

李國偉

 

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.原載於《自然辯證法通訊》,第16卷第2期,1994,49頁∼54頁。
.作者任職於中央研究院數學研究所

註釋
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四、不失本率

  雖然我們現在知道想嚴格定義無理數,免不了要用到無窮的過程。可是如果只想知道無理數的存在性,並不必然要牽涉到無窮,這一點亞里斯多德是很清楚的。註23 因此即使沒有劉徽的求微數法,這種有可能無窮反覆下去的程序,也不一定會斷絕了通往發現不可公度量的途徑。走向不可公度量的出發點,是在尋求同時整數度量兩個量的公用單位,而這個工作在中國古算裡並非完全沒有蛛絲馬跡。

  劉徽在注《九章算術》「方田」裡的「經分」時說:「凡數相與者謂之率。率知,自相與通。」註24 他又在注「粟米」的「今有術」時說:「少者多之始,一者數之母,故為率者必等之於一。」註25 因此「率」的觀念是一座橋梁,通過它可以掌握相關數量的變化,而且必須先找到合適的單位才能建立起「率」。如果以「率」為中心思想,取代畢達哥拉斯學派一切歸諸「數」的哲學立場,至少在出發點上,似乎並不會關閉通往不可公度量的大門。郭書春說:

「劉徽把一稱為數之母,使他可以毫無顧忌地求任何數的精確值或精確近似值,甚至開方不盡時,求十進分數,……但是,也存在著理論上的失誤,這就是關上了徹底認識無理數的大門。因為,許多量關係不能以一為公度,如正方形的對角線和邊長、圓的周長和直徑。」註26

這個看法和我們所採取的角度相當不同,我們以為通過徹底追尋公度的單位,才會體認出不可公度的矛盾現象。當劉徽用愈來愈細的單位分割度量時,他太早停止於「雖有所棄之數,不足言之也」,而沒有窮究下去最終的「一」有什麼意義。劉徽在注「方田」裡「半周半徑相乘得積步」時有言:

「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。」註27

也沒有檢討合體時的「一」又該如何。如果劉徽真正能徹底堅持「一者數之母」的主張,也許就能更明確的界定出不可公度量的特性。

  「率」在《九章算術》體系裡的重要地位,是中算史界近年來才積極研究的課題。註28 在勾股形幾何問題中,率的根本性質出現在劉徽注「勾股」第十五題:

「冪圖方在勾中,則方之兩廉各自成小勾股,而其相與之勢不失本率也。」註29

用現代的術語來說,這就是相似直角三角形的對應邊成比例的一種特別形式,不過這個特別形式有相當廣泛的適用性,足夠《九章算術》體系的需要。因此「不失本率」的論斷可以看做是《九章算術》體系的一條公理,但是它把研究的焦點導引到勾股形與勾股形之間變化的關係,而不會密切注意勾股形勾(或股)與弦之間變化的關係,所以會降低碰到正方形邊與對角線不可公度量「意外事件」的機會。

  哪些類的勾股形最受《九章算術》青睞?以「勾股」章全部二十四條題目而論,凡是明白出現在計算裡的邊長全是有理數,(事實上絕大部分是整數),而劉徽在注文裡也正確的給出整數勾股形的參數公式。註30 在這種天地內遵循著「不失本率」原理來變化,泰半眼裡看到的都是整數勾股形,最多是形式簡單的分數邊長,因此也是不利於發現不可公度量的。

  至於注意到勾(或股)與弦之間變化關係的場所,並不是完全沒有。如果採取不同的角度重新檢討前面引用劉徽注「勾股」第十一題的話,我們可以這樣理解:令勾股形為等腰三角形,當勾股形的勾長與股長都是5時,弦冪50便是個不可開的數。也就是說當勾與股是共同度量單位的整數倍時,弦長卻無法用同樣單位來整數度量。反過來看,針對同樣的勾股形,假如適當選擇長度單位,使得弦長恰為10,則勾冪與股冪均為50,仍然是不可開。所以能整數度量弦長的單位,卻不能整數度量勾與股。當然劉徽講的只是特別的長度,並沒有把不可公度關係的特性從根本上突顯出來,但是從我們的闡述中可看出,其實不可公度關係的身影已經隱約在後了。

   

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最後修改日期:12/2/2003