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中國數學史簡說 (第 2 頁)

黃武雄

 

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.原載於數學傳播第三卷第三期
.作者當時任教於台大數學系

註釋
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發展期的中國數學 (魏晉到隋唐)

東漢《九章算術》出現以後,注釋與修正的工作不停的發展。 魏晉趙爽作《勾股方圓圖注》,利用勾股定理,完成一般一元二次方程 (首項係數可以為負,即呈 $-x^2+Ax=B,A\mbox{{\fontfamily{cwM2}\fontseries{m}\selectfont \char 68}} B>0$的式子)的公式解,他的方法基本上是幾何解法。 三國時代,劉徽注《九章算術》 (263年)。《九章算術》中取圓周率為3, 劉徽提出「割圓術」,計算正192邊形的面積,求得3.141的三位小數近似值。 其後南北朝祖沖之(429-500)更把這結果向前推進,在《綴術》一書中, 找到3.1415926的密率。《綴術》已失傳,祖沖之的工作載於《隋書律曆志》中, 原文記錄這段陸續修正的工作說:「圓周率三,圓徑率一,其術疏舛。 自劉歆、張衡、劉徽、王蕃、皮延宗之徒各設新率, 未臻折衷。」「祖沖之更開密法,以圓徑一億為一丈, 圓周盈數三丈一尺四寸一分五厘九毫二秒七忽, 朒數三丈一尺四寸一分五厘九毫二秒六忽,正數在盈朒二限之間」,這就是說

\begin{displaymath}3.1415926 < \pi<3.1415927\end{displaymath}

又說「密率,圓徑一百十三,圓周三百五十五;約率,圓徑七,周二十二」意即 $\frac{355}{113}$$\frac{22}{7}$是π近似的分數表示,前者比後者精密些。

當然社會本身的發展也產生新的問題。例如為使曆法進一步精密, 隋劉焯(544-610)開始引入二次內插法, 與垛積級數問題關聯起來。為符合計算的進一步需要,籌算制度也在改良(《夏侯陽算經》)。而工程分配上面也出現了三次方程的問題, 唐王孝通 (626年)《輯古算經》中記載了複雜的三次方程的題目,並將「帶從開(平)方法」推廣為「帶從開立方」, 有效地解決了係數皆正的三次方程的數值求解問題。關於整數論的一些初級問題如「鬼谷算」 (《孫子算經》),「百難問題」 (《 張丘建算經 》)及「幻方」(即魔方陣,見於《 數術記遺》)也紛紛出現。

如果將《九章算術》的內容當作中國數學的雛型,那麼自東漢到隋唐 (即公元第二世紀到第十世紀),可稱為它的發展期,隋唐以後漸臻成熟。到十三世紀南宋及元初,才進入中國數學的黃金時代。現在先將發展期的幾項主要成就及著作羅列於后:

(i)在代數方法上面,

有關「未知數原理」的基礎的有

一般一元二次方程的公式解(魏晉趙爽《勾股方圓圖注》,公元三、四世紀)

三次方程的數值解法(係數與根皆正數,利用帶從開立方,唐王孝通《輯古算經》,公元626年)
而屬於算術發展部分的有

孫子問題(又名鬼谷算或韓信點兵,原為曆法上推求「日月合璧、 五星連珠」的上元積年而作,載於《孫子算經》的已有一些簡易 一次不定方程的有關問題。一般理論要到宋代秦九韶作「大衍求一術」時, 才漸成形。)
百雞問題(求三元一次聯立不定方程的整數解,載於《張丘建算經》)。

(ii)在轉化方法上面,

進一步關聯「形」與「量」的個別結果的有

圓周率的計算(劉徽注《九章》,增列「割圓術」(263年),得圓周率3.141。 祖沖之(429 -500)作《綴術》,推進到3.1415926 1)

面積、體積的進一步計算( 劉徽以拼湊法證得方臺體積為 $ \frac{h}{3}(a^2+ab+b^2)$,其中a,b分別為上底、 下底兩正方形的邊長2 。祖沖之更求得球體積為 $\frac{4}{3} \pi r^3$ )

(iii)在局部化法上面

已具有「變量數學」的雛型的有

二次內插公式(隋唐時期,因為要計算日月五星的方位,通過隋劉焯( 544 -610)中唐 一行和尚 (683-?)到晚唐徐昂等人一系列的工作,求得與十七世紀牛頓的二階差公式相當 的二次內插公式)

而確含局部化意義的有

Cavalieri原理(祖沖之在求球體積時已提出Cavalieri原理,計算牟合方蓋,比Cavalieri (1598 - 1647)早了一千年, 祖沖之與Cavalieri都限於沒有完好的微積分而沒有給出證明。)

著作方面,唐朝《新唐書藝文志》中收錄的《十部算經》(李淳風注)很 能夠反應發展期的數學水準。《十部算經》除收集早期的《周髀》《九章》之外還包羅了

《海島算經》(劉徽,263年)

《孫子算經》、《夏侯陽算經》、《張丘建算經》(皆為第三、四世紀之作,但夏侯陽現傳本則迭經增補,搜集的材料包含到第八世紀的有關內容)

《五曹算術》、《五經算術》(《五曹》為官吏手卌,《五經》則傾向玄學,無甚內容)

《輯古算經》(唐、王孝通,626年稍后定成)

另外亦含第五世紀祖沖之所作《綴術》,惜已失傳。十三世紀宋朝再刻《十部算經》時,便以《數術記遺》代之,成為現存的《算經十書》。

   

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編輯:楊佳芳 / 校對:楊佳芳 最後修改日期:4/26/2002