周向宇院士:中國古代數(shù)學(xué)的成就

發(fā)布時間:2024-01-25

「編者按」“中國古代數(shù)學(xué)的貢獻(xiàn)”一文,作者系周向宇院士。在研究專業(yè)數(shù)學(xué)之余,作者將學(xué)習(xí)和研究中國古代數(shù)學(xué)的心得體會與研究成果整理成文,刊發(fā)于《數(shù)學(xué)學(xué)報,中文版》2022年第4期。該文闡釋與揭示了中國古代數(shù)學(xué)對華夏文明的貢獻(xiàn),對國學(xué)、語言、文化的影響,以及對現(xiàn)代數(shù)學(xué)的影響與貢獻(xiàn)?!皵?shù)學(xué)大院”公眾號將陸續(xù)以推文呈現(xiàn),讓讀者從多方面領(lǐng)略中國古代數(shù)學(xué)的成就與貢獻(xiàn)。

1706144325(1).png

圖片來源:永樂大典.卷16343-16344.算字.明嘉靖隆慶間內(nèi)府重寫本.劍橋大學(xué)圖書館藏

以下內(nèi)容節(jié)選自“中國古代數(shù)學(xué)的貢獻(xiàn)”一文第三章“中國古代數(shù)學(xué)的成就”,作者系周向宇院士。

3.1 代數(shù)思想

中國古代很早就有了零的思想,比如在籌算中用空位表示零。零不僅指各個數(shù)位上的零(用空位表示,后用圓圈O),也包括運(yùn)算結(jié)果中的零。中國古代很早就引進(jìn)了負(fù)數(shù),在《九章算術(shù)》里就很明確地引進(jìn)了負(fù)數(shù)、加法的逆運(yùn)算減法及其運(yùn)算規(guī)則(交換律、結(jié)合律),乘法的分配律,乘法的逆運(yùn)算及分?jǐn)?shù)及其運(yùn)算律,這是數(shù)學(xué)發(fā)展中的一個里程碑。所以說,中國古代數(shù)學(xué)最早認(rèn)識、發(fā)現(xiàn)、引進(jìn)了第一個無限群、環(huán)、域(整數(shù)群、整數(shù)環(huán)、有理數(shù)域);另外還引進(jìn)了矩陣(matrix),發(fā)現(xiàn)了消元法(Gaussian elimination),解決了線性方程組求解問題(Cramer's Rule for system of linearequations)。

《九章算術(shù)》是一部十分重要的數(shù)學(xué)著作,總結(jié)了戰(zhàn)國、秦、漢時期的數(shù)學(xué)成就,西漢的張蒼、耿壽昌等曾經(jīng)做過增補(bǔ)和整理,后來劉徽給它作了注解。雖然最后成書于東漢前期(公元一世紀(jì)左右),但許多內(nèi)容顯然早已存在于先秦。這從劉徽為《九章算術(shù)》作的注就可看出。負(fù)元(逆元)、逆運(yùn)算及其運(yùn)算規(guī)律的引進(jìn)使得運(yùn)算變得方便靈活,完滿解決了運(yùn)算問題,為抽象代數(shù)的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。對其意義與價值,套用拉普拉斯關(guān)于十進(jìn)位值制的話來評價是不過分的。

3.2 天元術(shù)

中國古代數(shù)學(xué)用算籌計算圓周率,開平方根、立方根和更高次的根,對多項式方程進(jìn)行數(shù)值求解。此外,中國古代數(shù)學(xué)還引進(jìn)了未知量“天元”,國家自然科學(xué)基金有一個“數(shù)學(xué)天元基金”,就是為了紀(jì)念中國古代引進(jìn)了變量、未知量、待定量?!八卧慕堋崩钜?、秦九韶、楊輝、朱世杰建立、整理和發(fā)展了天元術(shù),而到了朱世杰時期已經(jīng)發(fā)展成為了天、地、人、物四個變元。

在宋元四杰時期(大約為十三、十四世紀(jì)),中國數(shù)學(xué)的發(fā)展達(dá)到了一個高峰,比如十進(jìn)分?jǐn)?shù)。比如秦九韶的大衍求一術(shù)(1247年),這個結(jié)果被稱為中國剩余定理(高斯后來重新發(fā)現(xiàn))。又比如高次方程的數(shù)值解法,也是秦九韶基于很多古代數(shù)學(xué)家的貢獻(xiàn)發(fā)展總結(jié)而來的。西方在19世紀(jì)重新發(fā)現(xiàn)這個方法,并稱為霍納方法(Horner's scheme),在前蘇聯(lián)編撰的《數(shù)學(xué)百科全書》的相應(yīng)條目“Horner's scheme”里、

3.3 極限思想

再來談?wù)勚袊糯臉O限思想?!肚f子·天下》有句惠子名言: “一尺之棰,日取其半,萬世不竭?!钡谝惶烊∧鹃㈤L度的第二天取,了第天取萬世都不會窮盡。寫成式子,即

1706145226(1).png

后面必然需要省略號“......”。

另外,《墨子·經(jīng)下》有句話的意思是說, 一條線段從中點分為兩半,取其一半再破成兩半, 仍取一半繼續(xù)分割, 直到不可分割時就只剩一個點?!赌印そ?jīng)下》:“非半弗[著斤] (編者注:該字左著右斤,讀作zhuó,因GBK編碼無法顯示該生僻字,故本文以[著斤]代替),則不動, 說在端?!边@里,[著斤](zhuó) (注:有的書也用斫)意指:用刀斧砍?!督?jīng)說下》曰:“非[著斤]半,進(jìn)前取也。前則中無為半, 猶端也。前后取,則端中也。[著斤]必半,毋與非半,不可[著斤]也”。墨子的半分法體現(xiàn)了(事實上等價于)區(qū)間套原理。半分法可以用來證明數(shù)學(xué)分析里的幾個重要、被認(rèn)為有難度的定理。比如證明致密性定理、聚點定理、有限覆蓋定理,還有連續(xù)函數(shù)的零點存在定理、Henstock--Kurzweil積分中的基礎(chǔ)---Cousin引理(對閉區(qū)間上的任一正函數(shù),總存在閉區(qū)間的-細(xì)度分劃(-fine Perron partition)) (HK積分僅對黎曼積分做些許改動,就蘊(yùn)含了勒貝格積分),其實用的都是墨子的半分法。

另外,惠子的取半、墨子的半分及王爾的半中說明古人應(yīng)該很早就會用尺規(guī)平分線段。

劉徽和祖沖之的“割圓術(shù)”也蘊(yùn)含了極限的思想。祖率(密率)


是非常巧妙的。祖沖之和他的兒子祖暅編寫了《綴術(shù)》,這本書是唐朝算學(xué)科最難的課本。祖暅原理“冪勢既同,則積不容異”, 就是說:如果兩個立方體的所有等高的橫截面積全都相等,則它們的體積必相同(這里“既”是“全、都”之意)。這在微積分里被西方稱為卡瓦列里(Cavalieri)原理。祖暅用其原理求出“牟合方蓋”的體積,進(jìn)而得出球體積, 解決了劉徽遺留問題。

《綴術(shù)》代表了當(dāng)時數(shù)學(xué)的最高水平, 但“學(xué)官莫能究其深奧,是故廢而不理”, 這本書最終失傳了, 這是十分遺憾的事情。在我看來,《綴術(shù)》蘊(yùn)含極限思想, 光從書名來看, “綴”就有連續(xù)的含義。

明朝數(shù)學(xué)家王文素及其《算學(xué)寶鑒》對數(shù)學(xué)有重要貢獻(xiàn), 比如對于17世紀(jì)微積分創(chuàng)立時期出現(xiàn)的導(dǎo)數(shù), 王文素在16 世紀(jì)已發(fā)現(xiàn)并使用。

上述成就當(dāng)然是基礎(chǔ)數(shù)學(xué)的成就, 只是中國古代數(shù)學(xué)的一小部分。

參考文獻(xiàn)

[1] 毛澤東, 改造我們的學(xué)習(xí), 毛澤東選集第三卷, 北京: 人民出版社, 1991:797.

[2] Cajori F., A History of Mathematical Notations, Dover Publications, Inc. New York, 1993:70.

[3] Gowers T. (Ed.), The Princeton Companion to Mathematics, Princeton University Press, 2008.

[4] 吳文俊, 對中國傳統(tǒng)數(shù)學(xué)的再認(rèn)識, 百科知識, 1980年第7--8期.

[5] 程貞一, 聞人軍, 周髀算經(jīng)譯注, 上海: 上海古籍出版社, 2012.

[6] 卡爾·博耶(Carl B. Boyer)著, 尤塔·梅茲巴赫(Uta C. Merzbach)修訂, 數(shù)學(xué)史(修訂版), 中央編譯出版社, 2012.

[7] 吳文俊主編, 世界著名數(shù)學(xué)家傳記, 花拉子米, 北京: 科學(xué)出版社, 1995.

[8] 李文林, 數(shù)學(xué)史概覽, 北京: 高等教育出版社, 2000.

[9] 中國大百科全書,數(shù)學(xué)卷, 數(shù)學(xué)編輯委員會主任: 華羅庚, 蘇步青, 北京: 中國大百科全書出版社, 1992.

[10] 周易、老子、墨子、列子、莊子、孟子、荀子、管子、韓非子、左傳、淮南子、貞觀政要, 中華經(jīng)典名著全本全注全譯叢書, 北京: 中華書局, 2010--2019.


1706154308(1).png
本文原載于《數(shù)學(xué)學(xué)報,中文版》2022年第四期,由編輯部授權(quán)轉(zhuǎn)載。


文章來源:數(shù)學(xué)大院


數(shù)學(xué)會獎項

華羅庚獎

華羅庚先生是我國著名數(shù)學(xué)家

華羅庚先生是我國著名數(shù)學(xué)家,他熱愛祖國,獻(xiàn)身科學(xué)事業(yè),一生為發(fā)展我國的數(shù)學(xué)事業(yè)和培養(yǎng)人才做出了卓越貢獻(xiàn)。

陳省身獎

陳省身教授是一位國際數(shù)學(xué)大師

國際數(shù)學(xué)大師陳省身教授是美籍華裔數(shù)學(xué)家、中國科學(xué)院外籍院士。他非常關(guān)心祖國數(shù)學(xué)事業(yè)的發(fā)展,幾十年來在發(fā)展我國數(shù)學(xué)事業(yè)、培養(yǎng)數(shù)學(xué)人才等方面做了大量工作。

鐘家慶獎

鐘家慶教授生前對祖國數(shù)學(xué)事業(yè)的發(fā)展極其關(guān)切

鐘家慶教授生前對祖國數(shù)學(xué)事業(yè)的發(fā)展極其關(guān)注,并為之拚搏一生。為了紀(jì)念并實現(xiàn)他發(fā)展祖國數(shù)學(xué)事業(yè)的遺愿,數(shù)學(xué)界有關(guān)人士于1987年共同籌辦了鐘家慶基金,并設(shè)立了鐘家慶數(shù)學(xué)獎,委托中國數(shù)學(xué)會承辦。

關(guān)注微信

掃描二維碼關(guān)注

京ICP備17012431號-1   京公網(wǎng)安備 110402430128號 版權(quán)所有:中國數(shù)學(xué)會  法律法規(guī) | OA/ERP系統(tǒng)