孔国平《中国数学思想史》书摘(下)

2015-09-25     思想史研究     139

(二)对“整体”与“无限”的认识

 

在墨子的数学思想中,整体观及无限论具有特殊的意义。

 

墨子所云“体,分于兼也。”便是整体观的简明表述。体即部分或个体,兼指整体。由于墨子对整体与部分关系的深入研究,使他产生了集合思想的萌芽。他说:“损,偏去也。”这里的偏和损都是兼中之体,相当于集合“兼”的子集。墨子还注意到一条线段可能包括其端点,也可能不包括端点,于是提出“有间”和“间”两个相关的概念:“有间,谓夹之者也。”“间,不及旁也。”很明显,“夹之”即含边界而“不及旁”即不含边界,所以“有间”和“间”相当于今天的闭区间和开区间,或者说闭集和开集。

 

在几何研究中,墨子完整地提出了几何基本元素——点、线、面、体的概念,分别称之为端、尺、区、厚(《经上》)。他还从整体上把握同类图形的特点,提出“小圆之圆与大圆之圆同”(《小取》),就是说圆不论大小都是相似的。

 

由于墨子具有整体观,所以他能比较深刻地认识数学的本质。抽象性是墨子数学思想的特点,而抽象思维的最高境界,则表现在他对“无穷”的认识。

 

《墨经》中说“久,有穷无穷。”(《经下》)明确肯定了时间既是有限(一段)又是无限(整个时间)的。句中的“无穷”实际是无穷大。在数学上,墨子的无穷思想更为具体,他用一个长度单位来界定无穷大,即“或不若尺,有穷;莫不容尺,无穷也。”同时代的阿基米德已认识“有穷”,后人规范为“阿基米德公理”:“对于任意的两个正实数a,b,必存在一个自然数n,使得na>b。”当时的交通不发达,墨子和阿基米德都不知道有对方,更谈不上交流了。但在承认无穷并予以界定方面,墨子的思想比阿基米德更为深刻。《墨经》中的定义揭示了无穷大的本质,达到了当时人类对无穷大认识的高峰。

 

另一方面,墨子对无穷小也有认识,这首先表现在他对时间的阐述:

 

始,当时也。(《经上》)

时,或有久,或无久;始,当无久。(《经说上》)

 

句中的“久”指时间长度,“有久”即有时间长度,“无久”即没有时间长度或曰时间长度为零。“始”便是量度为零的时间点,但不是“无”。这种思想也表现在他对“端”的定义:“端,体之无厚而最前者也。”《墨经》云:“厚,有所大也。”(《经上》)厚就是有一定的大小,无厚即没有大小,可理解成量度为零。几何点“端”和时间点“始”都是不可测量的,但都不是“无”,其中蕴含着“无穷小”思想。如何达到无穷小的“端”呢?这就要靠前面提到的“无限分割法”了。

 

在认识无穷小的基础上,《墨经》提出“次”概念,表达了“不可分量可积”的思想:

 

次,无间而不相撄也。(《经上》

次,无厚而后可。(《经说上》)

 

不可分量的特征有二:一是不可分割,二是不可度量。“无间而不相撄”,是说排列的东西没有间隙又不相重叠,“无厚而后可”是说没有大小的东西可积累成有大小的东西,因为“无厚”不是什么都没有,而是一个存在物,这与名家所谓“无厚不可积”的观点是对立的。在墨家看来,点是没有长度的,但可以积累成有长度的线段;线是没有面积的,但不管是横线还是纵线,都可积累成一块面积。《墨经》的“广修,坚白”条(《经下》第四条)便认为,一块面积既可看作由无数的横向线段(广)组成,又可看作由无数纵向线段(修)组成,所以“广”充满了“修”,就像一块石头既坚又白一样,这叫“相盈”。

 

墨家的“无穷分量可积”的思想虽不严密,但很深刻,这是人类抽象思维发展到一定阶段的产物。古希腊的毕达哥拉斯学派也曾提出由点组成线,再由线组成平面图形的观点。从哲学背景来说,墨家的观点可能受到道家思想影响,因为在道家看来,人们无法通过感官来感知的“道”不仅存在,而且可以化生万物。把这种思想用于数学,不可度量的点生成可以度量的图形便很自然了。

 

墨子以无穷思想分析整体,得出“无穷不害兼”的著名命题,表现了他的整体观及无限论的统一。句中的“兼”指兼爱,已如前述,这说明墨子的科学思想也可用于“兼爱”这样的政治观点。但我们不能因此忽略它的科学意义。实际上,《墨经》中多处谈到“兼”(至少有六处),除此处外均指整体,与“兼爱”无关。此处解作“兼爱”,应看作原意的引申。笔者认为,“无穷不害兼”的原意是:无穷思想适用于整体,若把整体分解成无穷多个部分,这些部分的全体仍构成这一整体。换句话说,含有无穷个部分的整体之每一部分对构成整体都不可或缺。

 

(三)墨子数学思想对后世的影响

 

如果我们把《墨经》中的数学条文同古希腊数学比较一下,就会发现在数学思想上有相通之处,主要表现在数学的抽象性和逻辑性方面。但这种思想在西方持续发展,在中国却没有被继承。从我国最早的数学体系——汉代成书的《九章算术》中,看不到墨家思想的影响。这是为什么呢?

 

首先,封建专制的思想统治,是科学发展的障碍。秦始皇的焚书运动,禁锢了人们的思想,春秋战国时代活跃的学术气氛不复存在。汉初,百家略有抬头,汉武帝便颁布了“罢黜百家,独尊儒术”的政令,从而完全结束了延续几百年的百家争鸣的局面。在严厉的思想统治下,儒家以外的各家,再没有自由思考余地,哪里还谈得上发展学术思想呢?

 

其次,中国的学术与政治关系过密,学术之争带有浓厚的政治色彩。一派在政治斗争中的成败,往往决定其学术思想的兴衰。墨家与各家之争,也首先是政治斗争。墨子有不少关于自然科学的论述是为其政治观点服务的。毫无疑问,以“兼爱”、“非攻”为主要特征的墨家政治学说代表了百姓的利益,是进步的。但在当时的历史条件下,统治者是不会采纳这种学说的。他们为了称霸,需要诉诸武力;为了排除异己,又离不开严刑苛法——这都是法家所主张的。而在统治地位相对稳固以后,为了加强对人民的思想控制,让人民顺从,就需要一套封建伦理——这是儒家学说的内容。所以,秦始皇尊法而汉武帝尊儒,决非偶然。墨家的政治学说不为统治者所用,墨家也就逐渐衰落下去,墨家在自然领域的探索精神被人们淡忘了。

 

但是,墨家学说并未失传,在秦汉时期不绝如缕。魏晋时代,儒家的一统地位受到动摇,以道家思想为核心的玄学成为时尚,思辨之风盛行。被冷落数百年的墨学也在一定程度上复兴,出现了鲁胜的《墨辩注》。墨子的数学思想受到大数学家刘徽的重视,他在《九章算术注》中明确提到《墨子》一书。在对于“无穷”特别是不可分量的认识上,刘徽熟悉墨家和名家的争论,他采纳并发扬了墨家的“不可分量可积”的观点。

 

刘徽在比较底面积和高相等的两个几何体时说:“推此上连无成不方,故方锥与阳马同实。”句中“成”即层,“方”指面积,“无成不方”即每层面积相等。全句的意思是:由于方锥和阳马在等高处的截面积相等,所以方锥和阳马的体积相等。这实际是被今人称为“祖暅公理”的雏形。祖冲之、祖暅父子在求牟合方盖体积时,通过截面的面积关系考虑立体的体积关系。他们和刘徽一样,都把立体看作由一系列截面积合成。从中可以看到墨子的“无穷分量可积”思想的影响,因为对于立体而言,截面便是不可分量。

 

刘徽认为线可积成面,面可积成体,他甚至用到构成面积的线的平均量,如圭田术注中的“中平之数”,环田术注中的“中平之周”,以及他在注释城、垣、沟、渠的体积(或容积)公式时所云“中平之广”等。中国古代广泛存在着“积微成著”的思想,墨、儒、道、法等各家著作中都有记载,刘徽肯定知道。当“微”小到不可分时,便产生不可分量可积的思想。刘徽把这种思想用于数学公式的推导,一方面说明墨家数学思想对后世数学的影响,另一方面说明墨家发展出这一思想是很自然的。

 

刘徽的“割圆术”也受到墨家思想的影响,“以至于不可割”即把圆周分割到不可分量,从而得到一个和圆重合的正无穷多边形,通过三角形面积公式求得圆面积公式。这实际是不可分量可积思想的体现,但已突破不可分量的量度为零这一限制。(详见第四章)

 

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