一直以來,人們談及數學起源,往往都會說起古希臘,將之視為古希臘對人類的重大貢獻,但鮮為人知的是,相比中國古代數學,古希臘在幾何上有不俗的成績,在數論上卻比較落後,原因之一在於他們沒有完全掌握數學的基礎——“十進製”。
亞裏士多德稱人類普遍使用十進製,古希臘也采用十進製,原因可能跟人類有十根手指有關,但這種說法不太準確,因為古希臘在記數係統上采用的不是十進製,或者說缺少十進位值製的概念。馬克思在他的《數學手稿》一書中稱十進位記數法為“最妙的發明之一”,那麽中國何時發明了十進製,又如何傳到西方,對世界數學到底有何意義呢?
大約在新石器時代,中國已經出現十進製與加減運算。在距今8000年—4800年的甘肅天水大地灣遺址中,出土了四隻不同形狀的陶器,但專家測量之後有了驚人的發現,原來四隻陶器的體積幾乎是呈十倍遞增,條形盤的容積約為264.3立方厘米,鏟形容積約為2650.7立方厘米,箕形容積約為5288.4立方厘米,深腹罐容積約為26082.1立方厘米,除了箕形陶器是鏟形的兩倍之外,其他三種陶器大約都是十倍遞增。除了大地灣遺址外,青海柳灣遺址等都曾有過類似發現。顯然,新石器時代的這種有規律的遞增絕非偶然,應該是古人已經掌握了十進製與一定的加減乘除知識。
到了商朝時期,根據甲骨文卜辭的記載,如今已經可以確定商朝已經掌握了十進製。甲骨文中明確記載了“一、二、三、四、五、六、七、八、九、十、百、千、萬”,還有“三百又四十八”、“二千六百五十六人”等,與後世已經沒有什麽區別了,隻少了一個“億”字。從這些數字中不難看到,商朝已經完全發展出了完整的“十進位值製”。另外,甲骨文顯示商朝已有四則運算。
經過數千年的積累與傳承,尤其是很早就發明了十進位值製,讓中國數學在古代迎來了一個又一個輝煌。春秋時期,中國發明了最適合基礎教育的“九九乘法歌”,之後發明小數、負數(古代已有“0”的概念,用空格表示),以及探索開方、圓周率、方程計算、分數運算等等,到明朝時距離微積分隻有臨門一腳。可以說,在十進製的基礎上,中國古代數學一步一個腳印,整個發展史比較清晰,雖然不太受到文人重視,但總體來說還是在不斷進步。
值得深思的是,中國古人非常聰明,發明的東西特別注重實用,相信在記數係統發明過程中,一定經曆過很多思考,最終最遲在3000年前發明了簡單好用的十進製,並一直沿用至今。後來發明的九九乘法歌上,這種智慧再一次得到體現,可以說九九歌是最適合小學生學習基礎數學的歌訣,朗朗上口好記又易懂。2015年,BBC邀請5名中國教師前往英國博航特學校,按照中國的教學方式為該校的孩子授課,結果中國老師所教班級數學平均分為67,英國班均分為54。
與中國不同,包括古希臘在內的世界其他國家,由於在十進製上的缺陷,導致他們數學一直比較落後。
與中國不同,包括古希臘在內的世界其他國家,由於在十進製上的缺陷,導致他們數學一直比較落後。
古埃及記數係統太過簡單,從一到十隻有兩個數字符號,從一百到一千萬隻有四個數字符號,而且數字符合是“鳥”等象形文字,因此使用古埃及的記數係統根本沒辦法計算稍微複雜一些的問題。
古巴比侖的記數法有位值製,但它采用的是六十進位的,至少需要59個數碼,計算非常繁瑣。美洲古瑪雅人也懂位值製,但使用的是20進位,至少需要19個數碼,記數和運算也十分麻煩。
古希臘人的計數係統是十進製,但沒有位值製的概念,導致記數方法非常落後,他們用27個古希臘字母α、β、γ等在其上畫一橫杠來表示數字,前9個字母分別表示1——9,中間9個字母表示10——90,後9個字母表示100——900,但按這種方式最大隻能表示999。為了表示更大的數目,就用加“‘”符號等的方法來補充。總之,這種計數係統十分複雜,由於沒有引進位值製,所以無法保證任意大的數目都有相應的符號,也就是說很多計算根本運算不了,比如7531X8642,以古希臘記數係統來表達會讓人崩潰。記數係統的落後,導致古希臘數論成就極其普通。值得深思的是,古希臘沒有小數,沒有位置製,算術成就一般,他們還沒有中國的這種發展與傳承過程,但幾何卻突然非常輝煌,也是一件怪事。
與古希臘一樣,古羅馬也沒有位值製,他們記數係統要簡單一些,但隻有七個基本記數符號,如果要記稍大一點的數目就相當繁難。
由於沒有發明出完整的十進製,在之後上千年時間內,歐洲數學幾乎一直停滯不前,中世紀時還依然將古希臘的《算術入門》作為標準課本。與此同時,當時歐洲各國記數方式並不統一,如今各國文字上還保留一些痕跡,比如法國采用的是20進製等,這一現狀導致歐洲在數學上很難有突破性的成就,各國在數學交流上也麵臨製式不統一的難題。
那麽,中國十進製如何傳播到全世界,何時傳播到了歐洲的呢?
魏晉南北朝時,不少中國高僧前往印度取經,同時絲綢之路上中國與印度交流頻繁,可能是這兩方麵的原因,印度從中國學到了很多先進的數學知識,其中包括十進位數字係統。之後,印度創造出了阿拉伯數碼,並傳播到了阿拉伯地區,歐洲人將之命名為“阿拉伯數字”。
十三世紀之後,歐洲人才開始接觸到十進製,但直到印刷術的流行,十進製才在歐洲真正普及。當時,一個叫斐波那契(見上圖)的意大利商人後代,由於癡迷數學,深感阿拉伯數字比羅馬數字表達得更便捷,於是特意去國外向阿拉伯數學家學習,大約公元1200年回國。回國之後,斐波那契寫下了《計算之書》、《幾何實踐》兩本書,裏麵就介紹了十進製記數方法的實用價值,這兩本書也是歐洲近代數學開端的標準。但在印刷術盛行之前,歐洲都是手抄本,影響力極其有效,十進製隻在小範圍內傳播。15世紀中葉之後,隨著歐洲印刷術的逐漸盛行,以及中國小數概念傳入歐洲,十進製才逐漸流行開來。最終,十進製帶來的革新,給歐洲數學插上了騰飛的翅膀。
《中國科學技術史》的作者英國學者李約瑟說:“如果沒有這種十進位製,就不可能出現我們現在這個統一化的世界了。”也就是說,沒有十進位製的話,各國數學基礎不統一,也就很難談起數學進步,以及建立在數學基礎上的現代文明。
可以說,從記數係統上來看,“十進製”傳播到歐洲之前,人類算術的高峰隻可能在中國,而不是古希臘。事實上,在15世紀之前,除了古希臘的幾何,歐洲算術成就泛善可陳,而歐洲真正與中國拉開差距是在清朝時期,當時中西方交流之後,歐洲站在中國古代數學的巨人肩膀上創立了微積分。
值得一提的是,很多以歐洲人姓名命名的數學原理或公式,其實中國人早已研究出來了,比如南宋“楊輝三角”在西方被稱為“帕斯卡三角”,前者比後者早了400多年,南北朝“祖暅原理”在西方被稱為“卡瓦列利原理”,前者比後者早了1100多年,因此並不是中國古代數學成就不高,而是傳播度不夠,以及歐洲掌握了近現代的話語權。所以說,落後不僅要挨打,連說話的權力都沒有,隻能眼睜睜地看著別人“竊取”祖先的成就。