简论中国古代数学中的“黄金分割率”黄金分割,被誉为数学上的“黄金”与“宝石”。

古代希腊毕达哥拉斯学派以及大几何学家欧几里德等都曾深入研究过黄金分割问题。

中世纪时,这一数学命题又与著名的斐波那契数列联系起来,从而获得许多新的性质。

在西方数学传入中国之前,中国人不曾直接论述黄金分割问题。

但是,中国古代数学中实际上也蕴含着黄金分割问题,只是其表达方式有所不同。

中国古代数学中的黄金分割率不像欧几里德几何那样演绎得清楚明白,需要我们去发现。

我们无法确证中国古代数学家是否明确意识到“黄金分割率”,但仍可以从许多中国古代数学问题中推导和演绎出“黄金分割率”,这有助于充分认识中国古代数学的价值。

1 勾股术与黄金分割率明末清初西方数学传入中国,中国数学家知道了黄金分割率,开始有人试图论证黄金分割率在中国是“古已有之”。

例如,清代数学家梅文鼎(公元1633 - 1721 年) 曾在《几何通解》自序中说:“惟理分中末线(即黄金分割率———引者注) 似与勾股异源,. . . . . . 而仍出于勾股。

信古九章之义包举无方。

”他是这样推导的:假如一直角三角形的股长是其勾长的二倍,则这个直角三角形的勾弦之和等于勾弦之差再加上股,其勾弦之和就被勾弦之差和股分成中末比。

他还说:“《几何原本》理分中末线,但求作之法而莫知所用。

今依法求得十二等面体及二十等面体之体积,因得其各体中棱线及轴心、对角诸线之比例,又两体互相容及两体与立方、立圆诸体相容各比例, 并以理分中末为法, 乃知此线原非徒设。

”〔1〕按照梅文鼎的观点,中西数学虽然形式上有所不同,理论上是可以会通的;西方的几何学,无非是中国的勾股术,中末线也可以从勾股术中导出。

应当说,梅文鼎在中西数学比较中看出了两者的异中之同,以及黄金分割率与勾股术的联系(现在中学教科书通常用代数法解作图题,其中运用勾股定理) ,但中国古代数学毕竟没有明确作出“中末线”,梅文鼎还是夸大了中西数学的异中之同,他没有看到欧几里德给黄金分割率严格而清晰的证明的独特价值。

欧几里德在其《几何原本》卷Ⅱ第11 题中表述: “分已知线段为两部分,使全线段与一小线段构成的矩形的面积等于另一小线段上的正方形的面积。

”这里,欧氏几何学给黄金分割的证明结果上升到定理的高度。

关于这一点,梅文鼎本人也慨叹,中国古代数学家没有从勾股术中看出黄金分割率是非常可惜的。

2 “河图”、“洛书”与黄金分割率从数学上说,河图洛书是一种古老的数字组合方式,也是中国古代数学的源头。

其中也隐含着黄金分割率。

清代著名学者江永(江慎修) (公元1681 - 1762）年) 在《河洛精蕴》中已经指出河图中的黄金分割率(他称之为“神分线”) 。

他将河图中宫十数为股,五数为勾,然后各自自乘,再开方得弦,即:52 (勾) + 102 (股) = 11. 182 (弦)再,5 (勾) + 11. 18 (弦) = 16. 18 (勾弦和)11. 18 (弦) - 5 (勾) = 6. 18 (勾弦较)10 (股) - 6. 18 (勾弦较) = 3. 819这样,以16. 18 (勾弦和) 为长,则,6. 18 (小段) / 10 (大段) = 0. 618其中,16. 18 (勾弦长) ×6. 18 (勾弦较) = 99. 9910 (股) ×10 (股) = 100若,以10 (股) 为长,则3. 819 (小段) / 6. 18 (大段) = 0. 6179其中,10 (股) ×3. 819 = 38. 19如是,江永说:“八线表半径用全数如十,则勾弦较六一八O 三三九,即十边三十六度之通弦。

其列率即《洛书》三率连比例之理。

其所得十边通弦之数,实生于五与十,而五十即《河图》之中宫,至平中有至奇焉。

西人秘惜其法,谓此线为神分线,岂知神奇即在目前哉”〔2〕?这里,我们看到,从河图演算出的黄金分割率是与数“五”与“十”密切相关的。

在河图中,“五”与“十”两数具有特殊的意义。

河图由一、二、三、四、五、六、七、八、九、十共十个数字组成,其中一、二、三、四、五称为生数,六、七、八、九、十称为成数。

十个数相加为55 ,被古人称为“天地之数”。

《周易·系辞传》曰:“天一、地二、天三、地四、天五、地六、天七、地八、天九、地十。

天数五,地数五,五位相得,而各有合,天数二十有五,地数三十,凡天地之数五十有五,此所以成变化而行鬼神也。

”其实,“五十”之为“天地之数”,并非它能行鬼神之变化,这当中反映出上古先民所创造的十进制的计数方法,而十以内的任何数字都可以运用四则运算法加以计算。

也就是说,任何一个数的平方都可以用这种简单的加法求出来,利用它的逆运算,任何一个数的开方也可以用简单的减法求出来。

《周易·系辞传》曰:“大衍之数五十,其用四十有九。

”《周髀算经》解释说:“禹治洪水,始广用勾股弦,故称其为大衍数。

”可见,运用勾股定理对“天地之数”或“大衍之数”“五”与“十”进行简单的运算即可求出其中蕴含的黄金分割率。

这说明,黄金分割率并非什么神秘之物,它可以明白地表现在线段和图形之比例关系当中,也可以表现在非常简单的数字关系中。

至于洛书,它与黄金分割率也有联系。

由洛书演化的“九宫图”,如果将其与斐波那契数列相联系,亦可找到其中的内在联系。

有趣的是,生活在与贾宪年代相差不远的哲学家程颐在其《易程传》中,对64 卦按所含阳爻数目的多少进行分类。

其结果正好是杨辉记录的贾宪三角形的最后一层的数据。

后人将《易程传》原文对64 卦按阳爻的数目进行组合分类的排列进行统计的时候,又发现,这个分布图与贾宪三角形十分相像。

从64 卦的分布可以直接导出一个贾宪三角形〔5〕! 这恐怕不是巧合。

联系到八卦与河图、洛书,河图、洛书与黄金分割和斐波那契数列的内在联系,我们有理由得出64 卦也与黄金分割、斐波那契数列有内在联系的结论,由此还可看出,黄金分割率决不只是单纯的几何学问题,它也广泛地蕴含于以数值化为特征的中国古代数学中。

4 “五运六气”学说与黄金分割率我们知道,正五角星形各线段之比为黄金分割值,而中国传统医学的“五运六气”学说中实际上已经蕴含了正五角星形,因此也蕴涵了黄金分割率。

“五运六气”学说与五行思想有密切关系。

《国语·郑语》曰:“先王以土与金木水火杂,以成百物。

” 《尚书·洪范》曰:“五行:一曰水,二曰火,三曰木,四曰金,五曰土。

”后来“五行”与“五方”联系起来,即中、东、南、西、北五方。

在这种观念中“, 土”居中,起支配作用“, 五方”并不构成五个角。

到了战国时期,五行思想有了进一步的发展,形成了以邹衍为代表的阴阳五行学说。

其相生相克的原理突破了殷人以土居中的“五方”观念,用正五边形和五角星形来形象地表示这一学说是再恰当不过的了。

5 黄赤交角与黄金分割率我国是世界上天文学发达最早的国家之一。

在天文观测实践中,古代数学获得了长足进步。

特别是投影几何学、三角函数学等测量数学在当时世界上取得领先成绩。

这其中,黄道面与赤道面交角数值的确定以及与之相关的36°角、72°角的形成皆与黄金分割率有明显的联系。

关于黄赤交角。

据史料记载,世界上最古老的星表之一———我国的《石氏星经》已经确定了赤道座标体系,而且已经知道了黄道倾角。

成书于公元前一世纪的《周髀算经》有用圭表测影并用勾股定理进行天文计算的记录。

当时用垂直于地面的高八尺表,在中午测日影长,用日影长度来定义每年二十四节气,这是治历各家的重要参数。

关于两至影长的具体数字,东汉的贾逵在注释《周髀算经》时说:“冬至日距极为百一十五度,夏至日距极六十七度。

”(《后汉书》卷十二) 以二除两者之差,得整数二十四度(折合现在的23°39’18 〃) 。

东汉另一位天文学家张衡(公元78 - 139 年) 在《浑仪》一书的残篇中有如下记载:“赤道横带浑天之腹,去极九十一度十九分之五。

黄道斜带其腹,出赤道表里各二十四度。

故夏至去极六十七度而强,冬至去极百一十五度亦强也。

”张衡再次给出了黄赤交角的具体数值。

隋唐以降,黄赤交角的数值计算得越来越精确。

徐昂的宣明历(公元822 年) 所用的黄赤交角值为23°34′55″,仅比理论值小37″。

元代数学家郭守敬等人于《授时历》中多次应用了沈括的“会圆术”,并配合使用相似三角形各线段间的比例关系,从而在推算“赤道积度”、“赤道内外度”方面创立了新的方法。

从数学意义上来讲,新的方法相当于开辟了通往球面三角法的途径。

由于采用了新的方法“, 中国的一整套观测值(以郭守敬极精确的数值为最高峰) ,曾为18 世纪天文学家关于所谓黄道倾角易变性的讨论提供了证据”6 结语以上通过对中国古代数学中蕴涵的“黄金分割率”的分析和论证,我们至少可以得到两点启发:第一,黄金分割率普遍地蕴含于数学的许多分支学科中,中国古代数学作为世界数学发展的一种类型,同样与黄金分割率有着内在的联系。

如前所述,有关黄金分割的数学问题非常广泛,而尤以斐波那契数列所蕴涵的数学问题最为丰富。

例如,在欧几里德算法的计算过程中,为了求出两个给定正整数的最大公因数,数学家G. 拉梅(Lame , 1795 - 1870 年) 提出了下述巧妙的定理:为了求出两个正整数的最大公因数,所需进行的除法的次数决不大于较少整数的位数的五倍。

而这个定理的证明首先要用到斐波那契数列的某些性质〔9〕。

我们知道,欧几里德关于求取两个正整数的最大公因子的算法同我国古代《九章算术》中的“更相减损术”是相同的。

这也就是说,“更相减损术”与斐波那契数列的某些性质也是有联系的。

相关的问题,我们甚至还可以在数论的重要分支丢番图逼近(Diophan2 tine Approximation) 中找到。

我国著名数学家华罗庚在其数论研究中涉及到的丢番图逼近方程与斐波那契数列有关〔10〕。

上个世纪数学界的领军人物大卫·希尔伯特在1900 年巴黎国际数学家代表大会上的演讲中曾提到的第十个问题是丢番图方程可解性的判别。

1970 年,前苏联科学家马蒂雅舍维奇在前人研究的基础上,引入了斐波那契数列,从而解决了希尔伯特第十个问题〔11〕。

这表明,黄金分割率不只是在初等数学有,而且在高等数学甚至数学的前沿学科中也广泛蕴涵着;不只在西方数学体系中广为存在,而且在东方诸国的数学体系中也时隐时现。

因此,在西方以外的数学体系中“发掘”出黄金分割率并不是值得大惊小怪的事情。

第二,黄金分割问题的解决有赖于东西方数学思想和方法的互补。

古代希腊数学家们热衷于对纯粹几何图形的演绎证明,这使他们作出了包括黄金分割线段在内的许多几何证明,但他们往往与无理数概念及离散、无穷、极限等思想失之交臂〔12〕。