中国的数学理论,从一开始就是世界领先的,比如说,我们是世界上最早使用十进位值制计数法的国家。
所谓十进位值制记数法,包含“十进制”和“位值制”两层意思。
十进制好说,就是我构建出从0到9,一共十个数符,进位规律是逢十进一;位值制是说,同样的一个数符,在不同数位上,表示的数值也不一样。
打个比方说吧,一个三位数:“”。
最右边的是“个位”,个位上是“3”,就代表3个1;中间的被定义为“十位”,十位的“2”,就代表2个10,实际上就是二十;最左边则定义为“百位”,百位上的“1”,就代表1个,也就是个1。
您还别觉得这个东西很简单,在人类文明的蒙昧时代,每前进一小步,那都是文明发展的一大步,都是“从0到1”的伟大创新。
位值制使得原本极为困难的大数符表示和演算问题,变得简便易行了。如果人类不发明位值制,那就需要单独创建一个字符,再来代表这个一百二十三,也就是“”,那这个事情就无穷无尽、没完没了了!
如下图所示,在十进位值制完善之前,殷商甲骨文上,10、、0、00,这些数都要单独设计符号,非常繁琐。当然从这里也可以看出,百、千、万都在单独编制符号,这已经是十进位值制的萌芽了。
在后来演化的甲骨文中,已经有了固定的“11、12、13、14……19”,这样的符号表示,体现出了十进位值制的思想。
最晚在春秋战国时期,在《墨子》中已经明确表述,十进位值制记数法中同一数字在不同的位置上表示不同的数值,可以看出,十进位值制记数法已经相当完善。
据考证,在这个时代,中国已经有了严格的十进位值制的筹算计数,这在世界上是最早的,我们其实是“赢在了起跑线上”。
先秦数学理论的集大成者,是汉代的《九章算术》,书里关于负数的认定和运算、分数计算、联立一次方程解法等等,都是世界领先的。
就拿正负数这个概念来说吧,今天这就是个初中生的水平,但是在国外,古印度直到7世纪,也就是中国的唐朝时期,才承认了负数;欧洲直到16世纪,也就是大清的康乾盛世,才承认了负数。这个时候,距离《九章算术》已经过去一千多年了。
后来到了魏晋时期,中国古代著名数学家刘徽,于年作《九章算术注》,提出了很多堪称“开天辟地”式的奇思妙想。
比如“割圆术”,就是现代微积分中的取极限的思想。刘徽就用这种思想方法,把圆周率算到了3.,根据这个计算结果,他把圆周率精简为一个分数:/50,算出来也就是3.14,这个分数值被后人称为“徽率”。
你可能觉得,这有啥嘛,离最终结果还差得远呢!
但当年的刘徽认为,不断取极限,当然可以继续往下演算,但没有必要了,这个小数精度,应对日常的工程和算法应用,已经足够了。
此外,刘徽首创用青朱出入图来证明勾股定理,数形结合、直观易懂,非常有特色。
而反观欧洲,要到年,也就是大明万历年间,才由斯蒂文提出,可以用十进制小数来书写分数,比“徽率”又晚了一千多年。
在唐朝时,中国古代数学理论开始走向高峰。有一个重要的原因,就是当时的科举考试,并非只有文科,也有专门的“明算科”,就是选拔数学人才的,算学学得好,一样可以通过考试步入国家公务员的队伍,成为这方面的技术官僚。
当时的全国最高学府国子寺,也开办明算学,大致就相当于今天的大学数学系,你没有李白的文采,高适的武功,只要数学学得好,一样可以奔赴长安三万里,深造腾达。
中国历史上数学水平的最高峰,出现在宋元时期。
南宋杨辉有《详解九章算术》,收录了著名的“杨辉三角”,即为今天的二项式系数,并由此创立了求任意高次方根的增乘开方法。
其实在杨辉之前二百多年,北宋数学家贾宪就在他的《黄帝九章算经细草》里,详细阐述了进行高次幂开方的“增乘开方法”,可惜这本书后来失传了。后来是杨辉抄录了贾宪的算法,做出了“开方作法本源”图,也就是后来所谓的“杨辉三角”,但真要论起来,应该叫作“贾宪三角”才对。
在欧洲,直到年,也就是大清顺治年间,才由帕斯卡提出了这套算法,所以这个算法表就被国际上称为了“帕斯卡三角形”,实际上,比杨辉三角要晚了将近年。
年南宋数学家秦九韶编著了《数书九章》,其中论述了“正负开方术”,,按照这个方法,可以解任意高次代数方程,书中的例题解析,最高演算过一元十次方程的求解,在古代,这已经是天书一般的难度了。
而秦九韶的“大衍求一术”算法,也就是现代数论中的一次同余式组解法,直到现代计算机技术的发展,其价值才被学界发掘出来,这简直就是给现代计算机编程量身定制的。
在欧洲,直到年的高斯、年的霍纳,才得到了和秦九韶相同结果,这个时候,已经是大清朝中叶,比秦九韶又晚了多年。
日后,高斯被西方尊为了“数学王子”,名声远远盖过秦九韶。
年,元朝数学家朱世杰编著了《四元玉鉴》,提出了“四元术”(多元高次方程列式与消元解法)、“垛积法”(高阶等差数列求和)、“招差术”(高次内插法)等等先进的数学理论和算法,其中这个高次内插法,和几百年后的牛顿插值公式,已经非常近似了。
所谓的“四元玉鉴”,其实就是四元高次方程的意思,朱世杰不但可以解四元方程,而且可以逐步降元,转化为一元高次方程,也就是只含一元的天元开方式,然后用增乘开方法求得正根。
这究竟有多神奇?咱也不知道,咱也不敢问。
有了这样的数学和工程数学基础,也就不难理解,为什么郑和下西洋,能造出排水量过千吨,世界上最大的木质帆船了,而几十年后,开辟新航道的达·伽马舰队,排水量不过百吨,与郑和舰队相比,简直就是小舢板。
然而遗憾也在于此,既然古代几千年间,中国都曾经这么领先过,那为什么从元朝末年开始,直到明清,我们竟突然遭遇了断崖式下滑?直到一百多年前,从超级学霸一度变成学渣,被欧洲人直入公堂的进了紫禁城,烧了圆明园呢?
尤其在数学、工程技术,乃至整个理工科方面,简直一落千丈,直到现在,也没有完全恢复当年的历史地位。
那么元芳,你怎么看?