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論《周髀算經》「商高曰數之法出於圓方」章 (第 2 頁)

李國偉

 


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.原載於《第二屆科學史研討會彙刊》,中央研究院,1989年,227-234頁
.作者任職於中央研究院數學研究所

註釋
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新證

在討論「商高曰數之法出於圓方」章時,應該先瞭解「方」與「矩」間的關係。特別是該章有「兩矩共長二十有五,是謂積矩」的斷言,「矩」可以不可以是「方」,便成為要緊的問題。

矩原來是畫方形的工具,《墨子•法儀》說:「百工為方以矩,為圓以規。」《孟子•離婁》也有「不以規矩,不能成方員」之說。根據漢武梁祠石室造像拓片看來 註6 ,矩是像圖一的工具。從拓片圖上可以度量出兩夾邊幾乎是等長的。《墨子•經上》說:「方,柱隅四讙也。」而〈經說上〉解釋為:「方,矩見交也。」在〈天志〉中有所謂:「匠人亦操其矩,將以量度天下之方與不方也。曰中吾矩者謂之方,不中吾矩者謂之不方。」其他如《周禮•冬官輿人》,《荀子•賦篇》,《莊子•徐無鬼》均有「方者中矩」之謂,都強烈暗示矩的兩邊等長。



圖一

在商高解釋數之法出於圓方後,周公就請問用矩之道,而商高曰:「平矩以正繩,偃矩以望高,覆矩以測深,臥矩以知遠,環矩以為圓,合矩以為方。」就是說明了曲尺形的矩的應用範圍。但是既然合矩便成為方,矩尺的兩邊怎麼會是長短不一呢?這也加強了前面商高所謂「方出於矩」的意思。

矩既然可以生出方,自然會造成兩個向面的衍生意義。一個向面正如趙爽注文中所說:「方正之物,出之以矩。矩,廣長也。」任何具有廣與長兩個度量的形都可叫做矩。因此矩的面積,也就是矩的度量須用乘法來計算,便有「矩出於九九八十一」的說法。從另一個向面看來,矩既然生方,矩這個概念的類包含了方這個概念的類,因此可以把方也叫做矩。「兩矩共長二十有五是謂積矩」中的矩應作如是解。一定要把矩形限定為兩鄰邊不等,而方形是兩鄰邊相等的四直角形,似乎不是最自然的定義法。現代數學中一般也是把具有四個直角的四邊形叫作矩形,而其中四邊又相等的特別叫作方形。《莊子•天下篇》辯者所謂:「矩不方,規不可以為圓。」其實也可以理解為「矩」與「方」這兩個類不能全等起來,這種理解法並沒有排斥掉把方叫作矩的可能性。另外在《呂氏春秋•序意》中也可找到把方稱為矩的說法:「有大圜在上,大矩在下,汝能法之為民父母。」高注:「矩,方也,地也。」是把「天圓地方」的方叫作矩。

把矩理解為具有廣與長的形狀,則一矩可等分為兩個直角三角形。「故折矩」的折字,《說文解字》釋為斷,因此便有圖二所示的狀況。「以為勾廣三,股脩四,徑隅五。」就是說圖二中若 AB 長為三,BC 長為四,則 AC 長為五。為什麼把矩的廣長選為三與四呢?這是有道理的。因為古人認為直徑為一的圓,周長為三。而邊長為一的方,周長確實為四。所以三與四是從單位長導出有關圓與方的兩個基本量,這就扣住了「數出於圓方」的說法。也因此之故,便不難瞭解趙爽的「勾股圓方圖」論說中並未討論圓的性質,但題目中出現了圓字。如果三與四有合理的來源,那麼「徑隅五」便不能隨意挑選的量,接下去最重要的幾句話就是要說明為什麼會如此。



圖二

「既方之外,半其一矩」,錢寶琮校點《算經十書》中,改為「既方其外,半之一矩」 註7 ,據他說明是根據武英殿聚珍版本所改,而這個版本原來又是以戴震的校本為底。這種更改似乎沒有多大必要,宋嘉定本在這句話後,趙爽的注文中提到「故曰既方其外」以及「故曰半其一矩」的「其」字前後吻合,大可不必更改。而「既方之外」也好,「既方其外」也好,重點在把方畫到什麼的外面。我們認為方是畫在矩的外面,也就是有圖三所示的狀況。



圖三

「半其一矩,環而共盤」在語氣上應該是連起來的「半其一矩」的矩是那個矩呢?應該是折矩的那個矩,也就是圖中的 ABCD,它的一半就是直角三角形 ABC,或者直角三角形 ACD。把它環繞一個中心旋轉起來。因為現在圖形的相對位置是對稱的,所以我們可以盤 ABC,也可以盤 ACD。假如盤 ABC,便有圖四的情況發生。



圖四

現在請注意方形 FBKN 的面積可以有兩種計算方法。首先它是兩個方形與兩個矩的和,

\begin{displaymath}
\Box FBKN = \Box DCKL + \Box FADE + \Box ABCD + \Box EDLN
\end{displaymath}

它也是一個方形與四個面積相等的直角三角形的和,

\begin{displaymath}
\Box FBKN = \Box ACMO + \Box ABC + \triangle CKM + \triangle MNO + \triangle OFA
\end{displaymath}

但是方形 DCKL 全等於勾上的方形 GHBA,方形 FADE 全等於股上的方形 BIJC 。而且矩形 ABCD 恰好是兩個半矩,也就是兩個三角形 ABC 的和,同理矩形 EDLN 也是兩個三角形 ABC 的和。所以 ABCDEDLN 的總和也是四個 ABC 的和,那麼由 FBKN 的兩個等式馬上可以導出

\begin{displaymath}
\Box ACMO = \Box GHBA + \Box BIJC
\end{displaymath}


AC2 = AB2 + BC2

這樣理解原文的一大好處,在於不需要額外搬動圖形。因此「更相取與」或「出入相補」的是等量間的關係,而不是圖形本身。因此從嚴格的邏輯眼光看來,我們就不需要一種公理來保證圖形運動時,性質不變。

由上面的證法「得成三四五」之後,「兩矩共長二十有五」的矩就是指方形 CHBABIJC 。長字基本上是指長度,但如《禮記•王制》所謂:「四海之內,斷長補短,方三千里。」也可指面積,就是用長字泛指空間的度量單位。「是謂積矩」的「積」本義為「聚」,作累積解,不作乘積解。總而言之,勾上的方形與股上的方形,面積和為二十五。

   

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編輯:李文威 最後修改日期:3/27/2004