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從單表到雙表——重差術的方法論研究 (第 4 頁)

李國偉

 


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.原載於《中國科技史論文集》,聯經,台北,1995,pp.85-105
.作者任職於中央研究院數學研究所

註釋
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雙表的率

前節中我們分析了單表度日的內在理論基礎,在各項基本假設中,顯然寸影千里假設是最值得檢討的。一方面它是一條經驗性的假設,因此它出錯的可能性就比較高。另方面從圖一中可看出,寸影千里的「率」就是 BCTB 的比值,不過我們是先驗的知道這個率,才算出日下的距離 TB。所以圖一由方法論考量就不是自足的了。

如果我們現在要揣測劉徽「原其指趣」的歷程,他應該很自然想到如果寸影千里是由兩表的影差得來,一個自足的圖形必然是圖二的狀況,而正確的「率」就是表間與景差的比值 (BF / (EF - BC))。不論這個「率」的實際數值是多少,用《周髀算經》同樣思考方式,自然得到 STTB 的公式。這樣的說法可以算是發現脈絡 (the context of discovery) 的合理重建。但是劉徽如何保證這些公式是正確的呢?也就是證實脈絡 (the context of justification) 應該怎樣加以合理重建呢?劉徽既然已經掌握圖五構形的不失本率性質,從圖二中可立刻看出:

\begin{displaymath}
\frac{EF}{RD} = \frac{DE}{SR} = \frac{AB}{SR} = \frac{BC}{RA}
\end{displaymath}

李繼閔 註7 曾經指出在劉徽能運用「率」的理論範圍內,很容易看出上下取差維持原率,即:

\begin{displaymath}
\frac{EF}{RD} = \frac{BC}{RA} = \frac{ (EF-BC) }{ (RD-RA) } = \frac{ (EF-BC) }{BE}
\end{displaymath}

有了這兩串式子,重差的公式馬上算出。我們同時可注意到:

\begin{displaymath}
\frac{ (EF-BC) }{BE} = \frac{BC}{RA} = \frac{BC}{TB}
\end{displaymath}

所以雙表影差得來的「率」相等於單表影與日下距離的比值。不過現在 EFBCBE 都是可實測的量,圖二的構形不必局限在量天度日的領域內,而可以順理成章的用在「望極高,測絕深而兼知其遠者」的地面測量上。

綜合看起來,劉徽引入第二表的作法,只是把單表度日的真正思路明確化,把它的先驗因素取消掉。但是也因此使這種測量法獲得理論的證實,而擴大了它的應用範圍。

重差術的理路除了劉徽的主流之外,還有趙爽的一條支流。趙爽在《周髀算經》注文說:「定高遠者立兩表,望懸邈者施累矩」,表示他已經知道利用兩表作大地測量的可行性。在陳子答榮方一段的注中,他又說:「候其影,使表相去二千里,影差二寸。將求日之高遠,故先見其表影之率。」一旦留意到「表影之率」,應該很自然導入圖二的思考。趙爽在〈日高圖〉注中明明白白證明了重差公式。他所使用的基本原理就是後日楊輝所謂:「勾中容橫,股中容直,二積皆同。」這個原理與不失本率原則雖然在邏輯上是等價的,但在認識心理上是有區別的。它的注意焦點是幾何形的「出入相補」性質。

以吳文俊 註8 註9 為代表的看法,是認為劉徽重差公式的證明與趙爽的方式相近。但是按前面內在理路的分析,劉徽沿不失本率原則發展下來似乎更為自然,或者我們可以說由單表到雙表的理路,其證實脈絡可分為二:劉徽的不失本率與趙爽的出入相補。

趙爽雖然也說:「察勾之損益,知物之高遠。」但是他沒有把〈日高圖〉注文的方法,發揮到地面測量問題。劉徽不僅明白表示自己獨立創作重差術,更在《海島算經》中充分表現了重差術的便利,因此我們把重差術的主流歸屬於劉徽。

   

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編輯:李文威 最後修改日期:3/27/2004