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和算

/Wasan/
条目作者徐泽林

徐泽林

最后更新 2023-04-27
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广义理解是指日本传统数学,狭义理解是指江户时期(1603~1867)的日本数学。

英文名称
Wasan
所属学科
数学
学科体系划分
数学史
主要代表人物
关孝和、建部贤弘、荒木村英(1640~1718)、田中由真(1651~1719)、中根元圭(1662~1733)、岛田尚政(生卒年不详)、井关知辰(生卒年不详)、宅间能清(生卒年不详)、大島喜侍(?~1733)等

和算受中国古代数学文化影响很大。秦汉之际,中国的数字系统、度量衡制度、简单算术知识以及天文历法制度与术数,随汉字和儒家经典一起传入日本,促进日本进入汉字文化圈。

公元7世纪初,日本积极学习中国文化,中国天文算学等学术通过遣唐使和僧侣传入日本。日本在模仿唐朝建立律令制国家的过程中也颁布了学令,在大学寮中设置算学博士2人,学生30人,使用的算学教科书包括《九章算术》《周髀算经》《海岛算经》《孙子算经》《五曹算经》《缀术》《重差》《六章》《三开》《九司》等,前几种都来源于中国,后三书未见中国现存史籍记载。10世纪以后,日本进入律令制的平安、镰仓时代,公家文化随武家势力的崛起而趋于衰微和蜕变,算学、天文学、阴阳道等学术由官学蜕变为家学,算博士、历博士由几大家族世袭执掌,此制度延续至室町时代(1392~1573)而终止。12世纪末迄16世纪末约400年间,日本未发现本民族的数学著作传世,只有一些诸如度量衡、数学游戏的材料散见于文学作品之中,数学游戏也大都传自中国。

16世纪日本历史进入安土桃山时代,在国家统一进程中,土地制度与身份制度的改革,促进了农业经济发展与平民文化的成长,为数学发展营造了有利的社会环境。伴随着城市手工业和工商业的发展,对计算数学的要求也日益迫切。尽管在16世纪中叶由西方传教士传入了“南蛮学”,但没有对和算发展产生作用。随着德川家康(1542~1616)幕府禁教政策的实施,在闭关锁国状态下主要通过吸收汉文化来发展其封建文化,中国宋元时代及明代的天文算学书籍和珠算通过海上贸易或通过朝鲜流入日本。流入的中国算书中《算学启蒙》(朱世杰,1299)、《杨辉算法》(杨辉,1378)、《算法统宗》(程大位,1593)等对和算发展起了很大的作用。现存最早的和算书是1600年左右刊行的《算用记》(著者及刊年不详)。和算在江户前期的元和(1615~1624)至宽文(1661~1672)年间首次出现繁荣,算家辈出,出版的和算书约30种,这些算书的内容主要是民间实用算术与役人所需的数学知识,除一些数学术语与度量衡有别于中国算书外,数学知识和方法都沿袭《算法统宗》与《算学启蒙》。其中《割算书》(毛利重能,1622)、《诸勘分物》(百川治兵卫,1622)、《尘劫记》(吉田光由,1627)、《竖亥录》(今村知商,1628)、《算法阙疑抄》(礒村吉德,1659)、《算爼》(村松茂清,1663)、《古今算法记》(泽口一之,1671)等书影响较大。《尘劫记》在民间广为流行,在江户时代先后出版了三百余种不同版本和改编本。“遗题承继”也是这一时期形成的独特数学文化现象,类似今天的问题征解,很多算书书末都附有征解的问题或对前人遗题进行解答,促进了数学的繁荣。

17世纪中叶至18世纪初,幕藩体制趋于稳定,社会经济有很大的发展,封建城镇遍及全国,除武士外,日益成长的町人阶级也逐渐成为江户中期日本文化的创造者。幕府重视儒学,推动了汉学的勃兴,同时兴起具有强烈民族文化精神的“国学”,制定历法工程也推动了天文数学的发达。和算作为日本封建文化最繁荣的“元禄文化”之一,在延宝(1673~1681)至宝历(1751~1763)的约一百年间获得了飞跃发展,出现了关孝和建部贤弘、荒木村英(1640~1718)、田中由真(1651~1719)、中根元圭(1662~1733)、岛田尚政(生卒年不详)、井关知辰(生卒年不详)、宅间能清(生卒年不详)、大島喜侍(?~1733)等一批富有创造精神的和算家,他们继承并发展了宋元数学的代数学传统,使和算独立于汉算并超越了汉算。延宝(1673~1680)至宝永(1704~1710)年间出现的主要刊本和算书约43部,内容很多与天元术的应用有关,还有一批如《尘劫记》之类的通俗算术书。进入享保(1716~1736)之后,和算家社会群体继续扩大,刊行的和算著作更多,数学水平也不断提高。正德(1711~1715)至宝历(1751~1763)年间出现的最主要的刊本和算书约45部左右。关孝和将天元术推广为“傍书法”,这种具有东方文化特色的符号化代数方法提升了和算的代数水平,在多元高次方程组消元法、一元高次方程数值解、代数方程论、一次同余式组求解、实数有理逼近、正多边形等方面都获得重要成就;他将《授时历》中的招差法推广为一般化的有限差分算法并获得了相当于牛顿插值公式的结果,以招差法推导出一般化的乘方垛垛积公式,获得了伯努利数;在求圆周率、椭圆面积、阿基米德螺线、十字环体积等复杂几何图形的计算上,开拓了被称之为“圆理”的有关无穷小算法的研究领域;和算中大部分研究课题和研究方法是关孝和创立的。荒木村英与建部贤弘是关孝和的两位杰出弟子,前者整理保存了关孝和的数学著述并培养了一些杰出的数学家。后者是继关孝和之后最富创造力的和算家,继承和发展了关孝和的数学工作,特别是在圆理研究方面,将弧背幂(arcsinx2展成x的幂级数形式,开创了和算无穷级数研究新领域;创立“极数术”求多项式函数的极值,利用开方法获得牛顿二项级数展开式以推演无穷级数,提出相当于微分法的“薄皮馒头法”求球表面积。他以中国古代象数学思想将和算知识加以系统化,并企图建立名为“缀术”的一般化的数学分析与数学推理的方法。井关知辰所著《算法发挥》(1690)是世界数学史上第一本关于行列式展开研究的出版物,其中包括今天所谓的范德蒙德展开法。建部贤弘的弟子中根元圭精通天文历算学与律学,任幕府历学顾问,受命翻译训点梅文鼎的《历算全书》,其子中根彦循(1701~1761)也是和算家,他们父子及其弟子们常被视为一个算学流派。

18世纪30年代至18世纪末,和算继续蓬勃发展,流派林立,优秀的和算家大都是各藩的役人,从事与数学相关的工作,他们创造能力虽不及关孝和、建部贤弘等人,但在艺道文化盛行的环境中,很好地继承并充实了关孝和、建部贤弘等人所开拓的算学知识,并将这些算学知识系统化,对和算的承传加以制度化。最有影响的代表性人物有久留岛义太(?~1757)、松永良弼(?~1744)、山路主住(1704~1773)、有马赖徸(1714~1783)、今井兼庭(1718~1780)、户板保祐(1708~1784)等。久留岛义太获得几个新的有关弧矢弦的幂级数展开式,将建部贤弘的 “极数术”推广为求有理函数极值的方法,创立了等价于牛顿叠代法和牛顿二分法的所谓“执中法”以求解超越方程,并使用级数反演法推演无穷级数,给出了行列式展开的拉普拉斯法,创立了方垛垛积新公式和二次有理逼近算法(所谓平方零约术)。松永良弼是荒木村英的弟子,继承和发展了建部贤弘的圆理,获得了一系列新的幂级数展开式;他改进了关孝和求球体积方法,建立了具有一般性的几何求积积分法;将旁书法推广为使用范围更为广泛的“点窜术”,使和算代数化程度进一步提高;他也是关流学派的主要建设者,最先制定了关流免许状制度,后由其弟子山路主住规范为见题免许、隐题免许、伏题免许、别传免许、印可免许这五段免许制度,以“段位”等级标志弟子的学业程度和学力水平。此制度后来成为关流算学教育的最基本制度。他对关孝和、建部贤弘以来的数学知识加以系统化、组织化,确定了关流传书,这些算书经山路主住、户板保祐整理,达五百余卷之巨,被后世称为《关算四传书》,成为关流算学知识承传的重要学术资源,为和算的普及与发展起到了十分重要的作用。久留米藩领主有马赖徸为山路主住的弟子,与众多和算家有交往并支持他们的算学研究,他的数学著述近40册,1769年出版的《拾玑算法》,收录了关流数学的主要内容,首次将关流秘不外传的“点窜术”公之于世,推动了和算的进步与普及。此时除名声最大的关流外,还有活动于京都和大阪一带的宅间流、主要活动于仙台及播州地区的中西流、主要活动于金泽地区的三池流、活动于关西地区的宫城流、活动于摄、泉、播、备、阿、淡诸州的大岛流等。

18世纪中叶至幕末,町人文化持续发展,各藩有寺子屋、藩校、私塾等学校,算术也是这些学校的教学内容,普及率较高的平民教育为算学的普及在智力上准备了条件,也营造了社会环境。江户时代后期和算知识的增长不及江户中期,但作为艺道文化之一非常流行,学习、研究和算的人不仅有武士,还有町人、农民等各阶层的人,传播地域很广,数学著述也非常丰富。德川吉宗(1684~1751)为了借鉴清朝采用西方数理天文学方法推动宝历改历而颁布的“缓禁令”,和算家通过汉译西方天文算学书籍接受了三角学、对数等西方数学知识,通过兰学接受了测量学、航海术以及一些有关特殊曲线和力学知识。江户后期和算突出成就表现在两方面,一是圆理方法的进步与系统化,二是代数化几何研究的繁荣。宝历年间(1751~1764)关流宗统传人藤田贞资(1734~1807)所著《精要算法》广受欢迎,被用作教科书流播甚广。算额是和算家奉纳、悬挂在神社寺庙廊檐的数学问题匾额,是江户时代算学传播的一种载体。藤田贞资及其子藤田嘉言(1772~1828)共同收集整理、出版了算额问题集。具有批判精神的会田安明(1747~1817)出版《改精算法》以订正藤田贞资《精要算法》中的错误,与藤田贞资进行了长达20余年的算学论战,并由此而创立了“最上流”,主要活动于山形县,传世算学著述达600余卷,其《算法天生法指南》(1810)与坂部广胖的《算法点窜指南录》(1815)是关于点窜术的两本优秀数学教材。安岛直圆(1739?~1798)与和田宁(1787~1840)是和算发展后期最有影响的两个代表性数学家,安岛直圆被誉为和算中兴之祖,是明和(1764~1772)、安永(1772~1781)、天明(1781~1789)、宽政(1789~1801)期间和算的中心人物,著述达42种之多,但均为抄本。他将前人的圆理方法进行改良和推广,创立所谓“圆理二次缀术”,本质上为二重积分方法;他用此法求出“圆壔穿空积”(圆柱直交)、十字环积和阿基米德螺线长,还获得指数为有理数的二项级数展开式,讨论了累圆问题,对几何图形问题作了系列研究,开创和算几何研究新局面。安岛直圆的孙弟子和田宁被誉为最后一位光大和算的人,是文政(1818~1830)、天保(1830~1844)期间和算的中心人物,他把安岛直圆的圆理方法加以一般化、系统化而建立了所谓的“圆理豁术”,以截径、截弦、截矢等几种无限分割形式应用于各类图形的求积计算,成为圆理计算的一般方法,具有清晰的微元思想;其次,他制作了大量的“圆理表”即积分数值表和微分数值表,相当于实数指数的二项式级数展开式,以及均为有理数)的无穷级数展开式,用这些数表进行圆理计算十分简便,其方法被幕末和算家广泛应用于各种复杂图形的计算中。本多利明(1743~1821)、坂部广胖(1759~1824)、牛岛盛庸(1756~1840)、日下诚(1764~1839)、马场正督(?~1843)、长谷川宽(1782~1838)、斋藤宜长(1784~1844)、千叶胤秀(1775~1849)、御弼安本(1794~1862)、白石长忠(1795~1862)、岩井重远(1804~1878)、内田五观(1805~1882)、 法道寺善(1820~1868)、斋藤宜义(1816~1889)等人,也是幕末很有影响的和算家。本多利明在江户开设天算学私塾,弟子众多,后将私塾托付弟子坂部广胖经营。内田五观的学术领域很广,除算学外,还精于天文历学、地理学、航海术、测量学等,有数学著作28种,他随和田宁学习“圆理豁术”,在私塾中教授和推广普及此法,著《古今算鉴》(1832)、《圆理阐微表》、《豁术通解》等书。日下诚是关流宗统传人,继承整理了安島直圆的数学著作并传与长谷川宽。长谷川宽一直在江户开设算学道场——“长谷川社”,各地慕名来求学者云集,其著名的门生有千叶胤秀、平内廷臣(1799~1856)、秋田义一(生卒年不详)、长谷川弘(1810~1887)等,他和弟子们联名刊行的算书达44种,其中独创性成果主要是“变形术”与“极形术”,即把几何图形变换成特殊情形进行求解,这些方法存在缺陷,但反映出幕末和算在解决复杂图形问题时艰苦的尝试。长谷川宽殁后,其养子长谷川弘主持长谷川社。千叶胤秀出身农家,在一关藩磐井郡流乡开塾教授算学,后赴江户进入长谷川宽的“数学道场”系统学习关流算学,返乡受聘一关藩任算术师范,著述十余种,其中《算法新书》(1830)的内容系统全面,通俗易懂,广受欢迎,影响与《算法阙疑抄》(1660)齐肩。其门人号称三千,带来东北地区和算的隆盛。内田五观的最优秀弟子法道寺善(1820~1868)是广岛的锻冶工匠家庭出身,是和算史上最后一位富有创造精神的数学家,其最突出的业绩是创立 “算变法”,相当于西方几何学中的反演法。内田五观的弟子剑持章行(1790~1871)、桑本正明(1830~1863)、竹内修敬(1815~1875)、竹村好博(?~1886)、小松惠龙(1800~1868)、志野知乡(生卒年不详)、梅园立介(?~1848)、川北朝邻(1840~1919)等人,也是幕末活跃的和算家。

除影响较大的关流和最上流外,幕末还有京都大阪地区的麻田流、武田流、至诚赞化流等流派。麻田流由麻田刚立(1734~1799)创立,育有弟子高桥至时(1763~1804)、间重富(1756~1816)、坂正永(?~1795)等,他们一同参与了宽政改历。武田流由武田真元(?~1847)创立,又名真元流,弟子中最负盛名者乃大阪人福田复(1806?~1858)和福田泉(1815~1889)兄弟,他们著作许多启蒙性算书,明治维新后于东京神田开办顺天求合社,教授西洋数学。幕府勘定奉行古川氏清(1758~1820)创立了至诚赞化流,因学习了中西流算学、久留岛的数学以及关流的数学,故又自称三和一致流,孕育有古川氏一(1783~1837)、久保寺正福(生卒年不详)、本间季隆(生卒年不详)、高山忠直(1762~1835)等算家。

和算作为民间学艺在幕末十分普及,宝历年间至明治期间,出现的算书更为丰富,新出现的刊本(不包括以前算书的重刊)数如下:宝历年间(1751~1764)至文化年间(1804~1818)约75部;文政年间(1818~1830)至天保年间(1830~1844)约65部;弘化年间(1844~1848)至庆应年间(1865~1868)约125部;明治年间(1868~1912)约96部。此外,未刊稿本、各种抄本则不计其数,研习算学者今日无法统计。此外,奉纳算额的风俗在文化、文政年间(1804~1830)最为盛行,各神社、寺庙中至今尚存近千面算额。

明治维新时期,日本实行现代数学建制化的改革,于明治五年(1872)颁布的学制敕令,规定各类学校教育中只教授西方数学,不得教和算,和算逐渐被衰废。

和算与中算具有相同的数学思维特征,知识基础大多来源于中算,但在特定的江户文化环境中形成了自己的鲜明特色。第一,强化了宋元数学的传统,特别是代数化几何学传统。和算问题以几何问题为主,基本上分两类,一类是用圆理方法计算的复杂形体的求积问题;另一类是通过图形建立代数关系,归结为代数方程求解。第二,无穷小算法发达,圆理方法是具有东方色彩的积分法。第三,在数值计算方面计算能力较强与算法精致。第四,在世界古代数学文化史上绝无仅有的普及程度高,今日无法统计江户时代到底有多少和算家。第五,和算是民间的一种游艺,未能像欧洲近代数学那样成为自然科学的工具。

  • 日本学士院.明治前日本数学史.東京:野間科学医学研究資料館,1979.
  • 三上義夫.文化史上より見たる日本の数学.佐々木力.東京:岩波書店,1999.
  • 小倉金之助.日本の数学.東京:岩波書店,1954.

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