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四四 瘋狂的惡棍與天才數學家

——秦九韶與一次同余式理論

關於中國人對於世界科學史的貢獻,經常被提起的不外四大發明之類,其實還有一些不那麼著名的貢獻,也確實是由中國人做出,並且得到西方學者承認的。例如「中國剩餘定理」——這是西方數學史著作中對一次同余式定理的稱呼。因為關於這個問題最先出現於中國南北朝時期的數學著作《孫子算經》中,所以又被稱為「孫子定理」。

對於這個問題,歷史上的西方數學家也做過大量研究,但最重要的貢獻由南宋數學家秦九韶做出。現今的數學史著作幾乎都會提到秦九韶和他的數學著作《數書九章》。在今四川安岳(這裡被認為是秦的故鄉)還有秦九韶紀念館,甚至還命名了一所「秦九韶中學」。但對於秦九韶究竟是何等樣人,除了「偉大的數學家」之外,通常就諱莫如深了。用現代的眼光看,秦九韶可能是中國歷史上少見的奇人之一。

安岳修建的秦九韶紀念館。圖中匾上的八個字是「算書九章,中華之光」

所謂「一次同余式」問題,最早可見《孫子算經》卷下第26題:「今有物不知其數,三三數之剩二,五五數之剩三,七七數之剩二,問數幾何?」用現代數學語言表示,就是求解一次同余式組:

其解可表示為:

這裡P為整數,在上述問題中,R1=R3=2,R3=3,取P=2,得到答案:N=23。

在明朝程大位的數學著作《算法統宗》中,上述題解被寫成一首在數學史上流傳頗廣的歌訣:

三人同行七十稀,五樹梅花廿一枝,七子團圓正月半,除百零五便得知。

不能小看這道題目(在數字很小且只有三組的情況下,湊數字也能求出其解),它背後的學問還是很大的。在歐洲,大約在公元10世紀時開始出現討論一次同余式問題的萌芽,而世界科學史上一連串輝煌的名字都曾和這個問題聯繫在一起:例如阿爾哈桑(Ibn al Haithan)、斐波那契(Fibonacci)、歐拉(L.Euler)、拉格朗日(J.Lagrange)、高斯(Gauss)……後來來華的傳教士偉烈亞力(Alexander Wylie)將《孫子算經》卷下第26題介紹到了歐洲,1874年L.Methiesen發表文章,指出《孫子算經》中的解法與高斯定理相合,於是西方人將其定名為「中國剩餘定理」。

古代中國人注重實用,這個一次同余式問題也不是只拿來做數字遊戲的。說大一點,它和中國古代的政治大有關係。中國古代將天文曆法看作極其神聖的事物,在早期這曾經是王權確立的必要條件之一,後來則長期成為王權的象徵。而在中國曆法史上,曾有很長時期追求一個理想的時間起算點——這個起算點要從制定某部曆法的當年向前逆推,被稱為「上元積年」。在這個起算時刻,日、月、五大行星都恰好位於它們各自週期的起點,同時這個時刻又恰好是節氣中的冬至,而這個時刻所在的這一天的紀日干支又要恰好是「甲子」,如此等等。要滿足這麼多的條件,就需要求解一個多達9項的一次同余式組,在沒有計算機的時代,求解的計算工作量將達到駭人的地步。數學史家相信,在《孫子算經》中上述趣題出現之前,中國曆法中已經使用一次同余式組來求解上元積年了。而南朝祖沖之《大明歷》中的上元積年,就被認為是解算9項一次同余式組而獲得的。唐代一行《大衍歷》中的上元積年年數竟達96961740年,也被認為是求解一次同余式組而獲得的。但是祖沖之和一行等人究竟是如何解算的,卻一直沒有人能夠知道。

在這個問題上最重要的理論貢獻,就是由秦九韶(1202—1261年)做出的。他在《數書九章》中給出了「大衍求一術」——即一次同余式問題的系統解法(用他的方法確實可以求出《大衍歷》中的上元積年,儘管這還不足以證明一行就是用的這種方法)。這被認為是中國古代數學中的一項偉大成就,在世界數學史上也可以佔據一席之地。

關於秦九韶究竟是何等樣人,其實宋人文獻中留下了相當豐富的記載,主要可見於周密(人名)的《癸辛雜識續集》卷下和著名詞人劉克莊文集中的「繳秦九韶知臨江軍奏狀」。秦九韶18歲就統帥私人武裝,為人「豪宕不羈」,如果將他和意大利文藝復興時期的那些風雲人物相比,竟有幾分相似:他多才多藝,懂得星占、數學、音樂、建築,還擅長詩文,會騎術、劍術、踢球,等等。同時又利慾熏心,驕奢淫逸,熱衷於做官,一心往上爬。秦九韶做過幾任地方官,最後死在梅州任上。他最高做到大約相當於今天局級的官職。

秦九韶行為乖戾,出人意表,被他的同時代人認為是「不孝、不義、不仁、不廉」,平日橫行鄉里,惡霸一方,所以多次被褫去官職或取消任命。例如,在他擔任地方長官的父親宴客時,他帶著妓女出席。又如,他竟能將他上司的田產「以術攫取之」,在其中建造他的超豪華莊園(他親自設計那些奇特的房屋)。再如,他命令手下殺死自己的兒子,而且親自設計了毒死、用劍自裁、溺死三種方案;當得知這名手下偷偷放了他兒子時,他竟巨額懸賞,滿世界追殺兒子和這名手下。有一年夏天,秦九韶和一個他所寵愛的姬妾月夜在庭院中交歡,不意被一個汲水的僕役撞見,他認為那僕役有意窺探他的隱私,就誣告該僕役偷盜,將其送官,要求判僕役黥面流放。地方官認為該僕役罪不至此,沒有按照秦九韶的要求判決,秦九韶為此懷恨地方官,竟企圖將他毒死。當時的記載說秦九韶「多蓄毒藥,如所不喜者,必遭其毒手」。

這就是被劉克莊稱為「暴如虎狼,毒如蛇蠍,非復人類」的秦九韶。毫無疑問,他是一個瘋狂的惡棍,但與此同時,他確實也是一個天才的數學家。我們甚至可以推想,如果他有時間或精力寫下音樂或建築方面的著作,也可能又有某項歷史性的貢獻。可惜他的絕大部分時間和精力,看來都耗費在放縱物慾上了。