〝The Notion of Volume in the Jiu Zhang Suan Shu, and Japanese Mathematics(《九章算術》與日本數學中的體積概念)〞之內容簡介

師大數研所碩士班 陳鳳珠

        作者城地 茂(JOCHI, Shigeru)在此篇論文中明白指出,傳統的中國數學中的維度概念是模糊不清的。事實上,中國最古老的數學教科書《九章算術》是利用相同的單位去測量物體的長度、面積和體積,換言之,所採用二次方、三次方或更高次方的單位之間並沒有任何差別。它所採用的基本測量單位,正是人類身體部位的長度如「尺」和「步」。

        《九章算術》約成書於東漢時期(25-220 A.D.),是中國最早和最完整的數學書之一,它總結了東漢以前的中國數學知識。因此,它可作為研究中國數學概念發展的對象,這正是作者以《九章算術》作為研究中國體積概念的主角之緣故。於是,作者詳細探討了《九章算術》中含有的長度、面積和體積概念。《九章算術》中一維的長度單位是因應日常生活使用的需要而出現,它是依據人類身體部位的長度來定義,正如《說文解字》中所云:「尺。周制、寸、尺、咫、尋、常、仞諸度量、皆以人之體為法。」此外,根據《漢書.律曆志》的記載,可知漢朝和周朝的長度基本單位皆為「尺」。至於《九章算術》中長度基本單位也是採用「尺」,其中所使用到的長度單位有「寸」、「尺」、「丈」、「步」和「里」(如下表格),甚至劉徽(3c)在注釋《九章算術》時,以「寸」為基準將長度單位推廣到「分」、「厘」和「毫」(如下表格)。

單位 定義 備註
1/1000  
1/100  
1/10  
1/10  
標準 22.5公分
10  
6  
1800  

(摘自原文1-2中的表一與表二)

可知,此時《九章算術》中的長度單位已是頗完整的十進位制。

        《九章算術》中的面積概念則與西方相當接近。其中的面積單位是百進位制,例如:面積一百「步」(平方「步」)為「畝」、一百「畝」為「頃」,與長度單位看似不同,但是體積基本單位「步」(平方「步」)和長度基本單位「步」的名稱卻一樣,我們從《九章算術》中的第一章第二問:

今有田廣十二步、從十四步。問為田幾何?
答曰:一百六十八步。

可以發現,甚至連數學家也可能被相同的單位「步」所混淆。由此可見,《九章算術》中的長度和面積的概念並沒有被清楚的區分開來。

此外,《九章算術》中體積的基本單位和長度單位也一樣是「步」。例如《九章算術》中的第四章第十九問:

今有積一百八十六萬八百六十七尺﹝此所謂立方之尺也。凡物有高深。而言積、曰立方﹞。問立方幾何?

答曰:一百二十三尺。

        然而,比起《九章算術》中的面積和長度概念,其中的體積概念卻是比較模糊的。譬如體積一「寸」並非等於一立方「寸」或一千「分」,而是相當於一平方「尺」乘上一「寸」長。值得注意的是,雖然劉徽在《九章算術》的注釋中,已將面積和體積單位「尺」分別註解為「平方尺」和「立方尺」,但是一直未被其他當代或後世的數學家所接受。

        因此,也難怪乎中國數學家可以自在地計算不同單位的量。在《九章算術》的解題過程中,可以完全不考慮各數量的單位關係來作計算,正如《九章算術》的第六章第七問:

今有取傭負鹽二斛、行一百里與錢四十。今負鹽一斛七斗三升少半升,行八十里,問與錢幾何?

答曰:二十七錢十五分錢之十一。

術曰:置鹽二斛升數,以一百里乘之為法。以四十錢乘今負鹽升數,又以八十里乘之為實。實如法得一錢。

在這個問題裡,中國數學家同時計算長度、體積和錢數三種單位:

40 ×173 1/3 ×80里)÷(200 ×100里)=27 11/15

由此可以說明《九章算術》中並沒有嚴格的維度概念。

        在另一方面,雖然《九章算術》約早在日本Nara時期(710-794 A.D.)左右已傳入,成為當時日本官方學校的重要數學教科書之一。但是,由於後來古算書的失佚嚴重,一直要到西元1782年中國清代(1644-1911)的學者戴震(1724-1777)重新整理中國古算書,中國的《九章算術》才有機會再次傳入日本。然而《九章算術》的傳入對於日本數學的影響究竟如何?或許從體積概念的呈現可以得到適當的解答。事實上,日本Edo江戶時期(1603-1867)的學者採用體積一立方「寸」等於一千立方「分」的單位制度,顯然和《九章算術》中所採用的體積單位不同。可知,在日本Edo江戶時期,《九章算術》對日本數學的影響非常有限,作者認為或許與當時的日本數學家和學者普遍無法閱讀到《九章算術》的情形有關,這也是本篇論文的主要結論。

        作者在此篇論文中詳細地分析了《九章算術》中的長度、面積和體積概念,除了與西方的維度概念作簡單的比較,並且指出其中的體積概念與日本有明顯的不同,藉此說明《九章算術》對日本Edo江戶時期的數學之影響並不大。筆者認為數學史中維度概念的發展是相當有趣的,值得做進一步的探討與分析,正如作者在文中提及《九章算術》中的面積概念和西方極為類似。若可以將中國和西方的維度概念作進一步的分析比較,相信除了可作為研究幾何概念發展的另一切入點,或許也可延伸至東西方代數概念發展的討論上,如十六世紀的法國數學家韋達(F. Vieta)符號運算的「齊次律」(law of homogeneity)和中國《數理精蘊》編者對於不同次數的項自在地進行加減運算之間的差異探討1

註1:請參考洪萬生(2000),〈數學典籍的一個數學教學的讀法:以《赤水遺珍》為例〉,《中華科技史同好》第一卷第二期,頁35-43。