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就是说,中国古代数学有三次大的高潮。而在这三次高潮之后,都有不同程度的衰微。下面简要介绍这几个阶段中数学发展的概况。
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(一)中国传统数学的萌芽——远古至夏商西周三代的数学
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中国有文字记载的历史相当早,然而夏、商、西周三代没有任何数学著作流传到现在。不过从出土文物和一些典籍中可以了解当时数学发展的一鳞半爪。
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我们的先民在从野蛮走向文明的漫长历程中,逐渐认识了形和数的概念。出土的新石器时期的陶器大多为圆形或其他规则形状,陶器上有各种几何图案,通常还有三个着地点,都是几何知识的萌芽。传说伏羲创造了画圆的“规”和画方的“矩”,不少文物中有伏羲、女娲执规矩图(如图1.2所示)。也有传说是黄帝的臣子倕创造了规矩和准绳。大禹治水时,便“左准绳”、“右规矩”。规、矩、准、绳是我们祖先最早使用的数学工具。
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人们丈量土地面积,测算山高谷深,道里远近,计算产量多少,粟米交换,制定历法,都需要数学知识。据《周髀算经》记载,公元前11世纪人们认识到,尽管“天不可阶而升,地不可得尺寸而度”,但使用数学方法可以知道天高地广。商高在答周公问时介绍了勾股形和圆方的某些基本知识,以及用矩测望高、深、广、远的基本方法。周公因此发出“大哉言数”的赞叹,表明当时人们的数学知识已经达到相当高的水平。《大哉言数》成为华罗庚20世纪50年代发表在《人民日报》的一篇科普文章的标题。图1.3是《周髀算经》书影。
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《周易·系辞》云:“上古结绳而治,后世圣人易之以书契。”说明人们从辨别事物的多寡中认识了数,并以结绳、木刻记数。《世本》说“隶首作数”,隶首是黄帝的臣子,处于新石器时代晚期。事实上,出土的这一时期的许多陶片上有若干数字刻画。出土的殷商甲骨文中有若干数字,其中最小的是“一”,最大的是“三万”,一、十、百、千、万各有专名。甲骨文使用十进制记数法,并有了位值制的萌芽(如图1.4所示)。
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《老子》说“善数不用筹策”,说明最迟在春秋时期人们已经普遍使用算筹。图1.5所示是出土的西汉算筹,图1.6所示是算筹记数。实际上,许多陶文中已有算筹符号。算筹的完善应该是春秋以前的事情。算筹是当时世界上最方便的计算工具,并且采用十进位值制记数。十进位值制记数法是当时世界上最方便的记数制度。算筹与十进位值制记数法是两项具有世界意义的成就。中国古代数学长于计算,原因固然很多,不能不说与这两项成就有直接的关系。用算筹进行计算,就是筹算。中国传统数学的主要成就大多是借助算筹和筹算完成的。
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相传西周初年数学就成为贵族子弟教育中六门必修课程——“六艺”之一。刘徽说:“周公制礼而有九数。”“九数”是数学的9个部分,它们虽不是后来郑众、郑玄所说的那九数,但周公九数是二郑九数的先导,并且有后者的一部分内容,比如有方田面积、粟米互换,以及简单的圆方、勾股、测望等数学方法,则是无疑的。在某种意义上说,到西周,数学已经成为一个学科。不过,总的说来,从远古到三代,数学的发展相当缓慢。
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(二)中国传统数学“九数”框架的确立——以《九章算术》为代表的春秋战国秦汉数学
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春秋、战国、秦、汉奠定了中国作为一个统一国家在体制、事功、疆域、物质文明和思想文化等方面的基础,奠定了中华民族的文化心理结构,也奠定了中国传统数学的基础。平王东迁,西周灭亡,开始了春秋时期(公元前770~前476年)。春秋时期随着铁器的大量使用,生产力大为提高,导致夏、商、西周以来的封建宗族制度逐渐解体,社会开始了大变革。当时礼崩乐坏,畴人四散,学术下移,私学出现,百家争鸣,是思想界非常活跃的时期,也是数学大发展的时期。《左传》记载了公元前6世纪的两次筑城工程,一次发生在公元前589年的楚国:
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令尹蒍艾猎城沂,使封人虑事,以授司徒。量功命日,分财用,平板干,称畚筑,程土物,议远迩,略基趾,具𫘳粮,度有司,事三旬而成,不愆于素。
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另一次是晋士弥牟在公元前511年为周筑城。这两次筑城的记载,虽未列出算式,却说明在规划筑城工程、计算立体体积、分配工作量、组织施工及其后勤供应,乃至简单的测望及公平负担等的计算时必须用到粟米、衰分、体积、商功、测望甚至均输等各类问题的算法,而且计算相当准确,计划相当周密。这正是“九数”的一部分内容。
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《周髀算经》记载公元前5世纪数学家陈子在答荣方问时阐发了数学的表现形式是“类以合类”,数学方法即所谓“道术”具有“言约而用博”的特点,学习数学要能“通类”,做到“问一类而以万事达”等重要思想。
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陈子的话说明当时已经存在着大量的“类以合类”的数学方法和知识。陈子的思想就是对这种已经存在的数学知识的总结,也在实际上规范了中国传统数学的形式和特点。《九章算术》和《算数书》主体部分的表现形式恰恰就是“类以合类”。它们中的相当部分完成于陈子之前,当无可疑。
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战国时期(公元前475~前221年)各诸侯国相继完成了向封建制度的过渡。思想界、学术界诸子林立,百家争鸣,为数学和科学技术的发展创造了良好的条件。刘徽说:“九数之流,则《九章》是矣。”尽管这种《九章》已不存在,先秦也没有一部数学著作流传到今天,但是,人们通过田地及国土面积的测量,粟米的交换,收获及战利品的分配,城池的修筑,水利工程的设计施工,赋税的合理负担,产量的计算,以及测高望远等生产生活实践,积累了大量的数学知识。根据对《九章算术》的体例和结构的分析,其主体部分与二郑所说的九数——方田、粟米、差分、少广、商功、均输、赢不足、方程、旁要十分吻合,说明二郑和刘徽所说的“九数”是确实存在的,并且基本一致。也就是说,《九章算术》主要反映了先秦的数学成果,汉简《算数书》为这种看法提供了佐证。这表明在春秋战国时期,中国传统数学达到了第一个高潮,而西汉编定《周髀算经》、《九章算术》,是这个高潮的总结。图1.7所示是《算数书》竹简,图1.8所示是《九章算术》书影。
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因此,在朝代革鼎上春秋战国与西周同属周朝,但在数学上却不能将春秋战国与夏、商、西周混为一谈。它们应该是两个阶段。也就是说,从远古到夏、商、西周是一个阶段,即中国传统数学的萌芽阶段。而春秋战国开始了数学发展的一个新阶段。同样,在政治史上,秦统一中国,结束了列国纷争,开创了中央集权新阶段,公元前221年成为先秦与秦汉的关节点。但是在数学上却难以将春秋战国与秦汉划成两个阶段,它们同属以《九章算术》为代表的第二个阶段。
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