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論《周髀算經》「商高曰數之法出於圓方」章 (第 4 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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檢討

從以上的討論中,我們可以進一步觀察到一些中國傳統幾何學的缺陷。中國傳統的幾何學基本上就是勾股形的幾何學,而「更相取與,互有所得」的「出入相補」原則,不但被廣泛的利用,並且常常發揮得淋漓盡至。只不過中國古代數學家,對「角」的一般性質漠不關心,從邏輯上來看這些證明是有缺陷的。例如趙爽真的如圖七那樣作某些直角三角形的移動後,又怎樣保證各頂角真正是直角呢?類似的情形,在我們理解的證明,即圖四的狀況時,「環而共盤」又如何確信四邊形 FBNK 是一個方形呢?古人對這類問題幾乎從未有意識的討論過,甚至晚到清朝的數學家,只要是在傳統的勾股幾何學典範下工作的,就不會警覺到有補足這些邏輯漏洞的必要性。其實基本上只需要一條公理便可解決這些問題,也就是「直角三角形內非直角的二內角和恰為一直角」的斷言。此公理可從「三角形三內角和為二直角」導來,但解決中國傳統幾何的問題只需要直角三角形的特例。此公理同時等價於「矩形對角線分矩形為全等的二直角三角形」,從而與「折矩」緊密關聯起來,而前面所質疑的各個方形,都獲得了所言非妄的保證。

傳統的幾何學與代數學演算有密不可分的關係,例如《九章算術》數的開方是藉面積的運用來求取。這種關聯雖然有其了不起的優異性,但也局限了代數運算向更一般形式上的發展。雖然在代數與幾何的交融中,可看出四則運算、解二次方程等等的跡象,但是假如《周髀算經》或趙爽能自由運用式子的代數運算,那麼如圖八中,四個全等直角三角形「環而共盤」之後,即刻可算出

\begin{displaymath}
c^2 = (a+b)^2 -4(\frac{1}{2}ab) = a^2 +b^2
\end{displaymath}

所以「環而共盤」雖然是一個通往「勾股定理」的捷徑,但是古人臨到目的地前,又多繞了一點彎子。也許在古人眼裡幾何量的運算,必須緊緊依附在形的變化上,而不應該有獨立的代數運算。事實上整個中外數學史都證實了人類在通往最廣義的抽象四則運算上,全經歷過一條漫長的道路。



圖八

忽視一般角的探討,與依附於幾何的代數方法,暴露了《周髀算經》導出勾股定理過程的弱點。我們當然不能呵責那麼早期的數學家應該克服這些困難,但是我們難免會遺憾,為什麼一直到西方數學引入之前,都未曾發生深刻的改變。

   

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編輯:李文威 最後修改日期:3/27/2004