任何一門科學或學科的發展都是應當時社會發展的需要產生的。在中國當然也不例外,數字的發生和發展始終同統治者的需要密切聯係的,數學總是致力於解決官府所要解決的實際問題。比如土地的丈量、穀倉容積、堤壩和河渠的修建、稅收等等。而純數學用到的場合則很少,因而古代中國純粹的數學家不多,從事數學研究的人總是同時還在進行其他研究或從事其他職業。如我國古代偉大的數學家祖衝之就曾任過南徐州從事、婁縣縣令、謁者仆射等官職,還當過南齊王朝的長水都尉。盡管這樣,我們的祖先們還是為我們留下了極豐富的數學遺產,其中也不乏對純數學發展極為有益的內容。其實,直到明朝中葉以前,在數學的許多分支領域裏,中國還一直處於領先地位,許多數學家寫下了不少著名數學著作。
我們現在所知的最早的數學著作是《周髀算經》和《九畢達哥拉斯章算術》,它們都是公元紀元前後的作品。現在北京圖書館和其他一些圖書館裏還藏有南宋版的《周髀算經》和《九章算術》,這是相當珍貴的曆史文物和科學遺產。在《周髀算經》中,有一段被尊為古代聖人的周公同—個名叫商高的數學家的對話,在對話中就提出了畢達哥拉斯定理(即現在所說的勾股定理),也就是“直角三角形斜邊平方等於兩個直邊平方之和”,所以這個定理在中國也稱為商高定理;另有一部分是名叫陳子的人和叫榮方的人的對話,他們談論日影,估計在不同緯度上日影的長度差,同時談到用窺管測量太陽直徑的方法;書中還載有與太陽周年運動有關的計算,提到利用水平儀來取得測日影所需要的水平麵,還列出了一年中各個節氣的日影長度表;此外,還討論了從日出日落來觀察確定子午線、恒星的中天、二十八宿、閏年以及其他天文學問題。
關於商高定理部分,書中寫道:一天,周公對商高說:“我聽說您很精通數的藝術。可否請您談談古代人是怎樣測定天球度數的?沒有一種梯子可以使人攀登上天,地也無法用尺來測量。因此想問問您,這些數據是從何而來的呢?”
商高回答說:“數的藝術從圓形和方形開始。圓形出自方形,而方形出自矩形,矩形出自9×9=81這個事實。假如把矩形沿對角線切開,讓寬等於3個單位長,長為4個單位,那麼對角線的長度就是5個單位。
古代大禹用來治理天下的方法,就是從這些數字發展出來的。”
周公感歎地說:“數學這門藝術真是了不起啊!我想再請教怎樣應用直角三角尺?”
商高回答:“使直角三角尺平臥地上,可以用繩子設計出平直的和方形的工程。把直角三角尺豎立起來,可以測量高度。倒立的直角三角尺可以用來測量深淺,而平放著就可以測出距離。讓直角三角尺旋轉,就可以畫出圓,把幾個直角三角尺合在一起,就可以得到正方形和長方形。”
周公不住地點頭說:“這真是太妙了!”
後來的學者曾指出《周髀算經》的偉大不僅僅在於它的數學知識的闡述,更重要的是它是在占星術與卜筮占支配地位的時期寫就的,而它在討論天地現象時卻絲毫不帶迷信成分!這在當時的確是難能可貴的。
在中國曆史上,和《周髀算經》齊名的,還有一部數學著作,科學史上稱為《九章算術》。有人認為《九章算術》比《周髀算經》的成書年代還要早,但一般認為它們的年代差不多。比起《周髀算經》來,《九章算術》中的數學水平要進步得多。《九章算術》共包含九章,246個問題。內容大致是這樣的:(1)土地測量。書中列有直角三角形、梯形、三角形、圓、弧形與環形等等,給出了計算這些形狀麵積的方法。
(2)百分法和比例,根據比例關係來求問題答案。
(3)算術級數和幾何級數。
(4)處理當圖形麵積及一邊長度已知時求其他邊長的問題。還有求平方根和立方根問題。
(5)立體圖形(棱柱、圓柱、棱錐、圓錐、圓台、四麵體等)體積的測量和計算,實際計算的有牆、城牆、堤防、水道和河流等等。
(6)解決征收稅務中的數學問題。像人們從產地運送穀物到京城交稅所需的時間等有關問題,還有按人口征稅的問題。
(7)過剩與不足的問題。也就是解決ax+b=0的問題。
(8)解方程和不定方程。
(9)直角三角形的性質。這一章裏有這樣一個問題:“一個水池,長寬各一丈,有棵蘆葦生在池中央,蘆葦出水麵一尺高,讓蘆葦倒向池邊,正好蘆葦尖與池邊平齊。問水有多深?”這個問題後來也見於印度的數學著作中,又傳到了中世紀的歐洲。這個問題就是利用相似直角三角形來解決問題。