中國古代對角度的認識

中國古代對角度的認識——李國偉

　　除了點、線、面、體之外，角度應該是人類幾何直覺不難掌握的一個概念。但是在中國古典的天文、曆學與數學中，角度的認識似乎有欠圓滿。錢寶琮曾說︰「中國古代不知利用角度，然有《周髀》測望術，日、月、星辰在天空中地位，亦大概可知矣。」〔註1〕他還說︰「在後世數學書中，一般角的概念沒有得到應有的重視。」〔註2〕關增建則說︰「中國古代 365 分度方法對於確定天體空間方位是有效的，惟其有效，才阻滯了其他分度方法的產生，導致了角度概念的不發達。」〔註3〕黃一農認為：「中國古代的天文家在明末西學傳入之前，一直未發展出近似西方幾何學嚴整的角度概念。當量度星體的角大小或兩點間的角距離時，文獻中所用古度值的意義常因人而異，有時近於現代的角度值，有時卻直接以渾儀環上的刻劃差來表示，故當以窺管測極星距極度或日、月的體徑時，其值往往較今幾何學中的角度值大一倍左右。」〔註4〕劉君燦更進一步斷言：「中國除了直角之外沒有一般的角度觀念。」〔註5〕

　　其實角度比點、線等基本幾何概念的內涵更為豐富，因此可以從邏輯上等價，但著眼點迥異的方向來認識它。若要講究起來，現代數學甚至可由向量空間、旋轉群等出發，再逐步引入角度的概念。〔註6〕西方古典幾何學的代表作是歐幾里得的《幾何原本》，根據 Thomas L. Heath 的翻譯，定義八描述了平面角度的意義：

A plane angle is the inclination to one another of two lines in a plane which meet one another and do not lie in a straight line.〔註7〕

　　這個定義在利瑪竇與徐光啟的《幾何原本》中譯為：「平角者，兩直線于平面縱橫相遇交接處。」〔註8〕並沒有點出「inclination」的意味。Heath 認為 inclination 是歐幾里得的創意，因為在他之前一般人是把角看作折曲或折斷的線。Heath 還綜述了西方古代對角度的種種不同看法，甚至角度應屬「質」、「量」還是「關係」哪一種範疇，也引起不少的議論。最後他引用十九世紀末 Schotten 的說法，把角度的定義方式劃分為三類：

　　（一）角是兩條直線方向間的差別。
　　（二）角是從一邊旋轉到達另一邊的量。
　　（三）角是兩條直線相夾的那部分平面。

　　既然西方幾何學中對角的認識也有幾套體系，我們似乎應該更致力釐清中國對角度理解的遞嬗與特色，而不必執著在古代是否有現代角度觀念的問題上。

　　角是一個非常簡單而易見的幾何觀念，古代人民通過農具、兵器、車輛、樂器的製造不可能不發現角的存在。但是「角」這個字的原意，按《說文解字》是指「獸角」，最初並不用它來稱呼幾何量。《考工記》裡是以「倨勾」表示角度，倨表鈍，勾表銳，正如用「多少」表示量，「長短」表示長。《考工記》的《冶氏》有「已倨則不入，已勾則不決，……倨勾外博。……倨勾中矩。」《韗人》有「倨勾磬折」，《磬氏》有「為磬，倨勾一矩有半。」《車人》有「倨勾磬折，謂之中地。」可見「倨勾」是泛指直線的曲折程度，這有點類似歐幾里得以前希臘人對角的定義。《車人》中也記載了一些特殊的角，所謂「半矩謂之宣，一宣有半謂之欘，一欘有半謂之柯，一柯有半謂之磬折。」很多論述都由此推算出宣是45°，欘是67°30'，柯是101°15'，磬折是151°52'30"。不過脫離開技藝的場所，這些角度並沒有繼續發展下去。本來有機會作為一般角統稱的「倨勾」，後來也不見了蹤跡。這一脈最有可能與西方角度觀念合流的思路，在中國很令人惋惜的未能發揚起來。

　　《考工記》還有另一條可以發展出角度的脈絡。《築氏》有「合六而成規」，《弓人》有「為天子之弓，合九而成規。為諸侯之弓，合七而成規。大夫之弓，合五而成規。士之弓，合三而成規。」錢寶琮說：「這是用圓心角的大小來規定弓背的曲率。」〔註2〕似乎斷言過強了。我們只能說用圓弧的長度規定了弓背的彎曲程度，而圓弧有可能引出角度的觀念。即使沒有把圓心角明確的指出來，圓弧的度量也可以看作是一種與角度在邏輯上等價的系統。這種觀念在描述天球上星體的位置與運動方面，更有它不可磨滅的價值。

　　中國古代天體運動的度量是以太陽的運動為定標準的依據。「天之動也，一晝一夜而運過周，星從天而西，日違天而東。日之所行與運周，在天成度，在曆成日。」〔註9〕這裡所成的度又如何確定呢？「曆數之生也，乃立儀、表，以校日景。景長則日遠，天度之端也。日發其端，周而為歲，然其景不復，四周千四百六十一日，而景復初，是則日行之終。以周除日，得三百六十五四分度之一，為歲之日數。日日行一度，亦為天度。」〔註10〕因此周天為三百六十五又四分之一度著眼點不在圓心角的度量，而是天體間距離的標定。「度」這個字的本意便是指長度。「度者，分、寸、尺、丈、引也，所以度長短也。」〔註11〕「故體有長短，檢以度；」〔註12〕關增建在他的論文中相當清楚說明了這種以長度量天的體系。

　　《周髀算經》卷下明確的記載了分圓的方法：「術曰：倍正南方，以正勾定之。即平地徑二十一步，周六十三步。令其平矩以水正，則位徑一百二十一尺七寸五分。因而三之，為三百六十五尺、四分尺之一，以應周天三百六十五度、四分度之一。審定分之無令有纖微。分度以定則正督經緯。而四分之一合各九十一度、十六分度之五，於是圓定而正。」〔註13〕在這種運作下，圓弧對應的圓心角幾乎已經呼之欲出，但是古人的眼光並沒有這麼看。他們「立表正南北之中央，以繩繫顛，……立周度者，各以其所先至游儀度上。車輻引繩，就中央之正以為轂，則正矣。」〔註14〕用對應比例的思想，以地面的尺寸量起天體的度數。但是因為眾星繞極旋轉，而所畫圓心並不在極下，所以測出的地面弧長並不完全正比於周天的弧長。即使《周髀》體系內的蓋天家知道這種偏差，他們也不可能跑到極下去作測量。蓋天說的這種弱點在渾天說中可以得到相當的校正，因為在渾天的模式裡，只要把渾儀擺到「地中」，則子午環上的分度就正比於天球上的分度。因此我們可以說，在適當的天體模式下，以弧長作為度量的體系，是邏輯等價於角度，特別是用 radian 作單位的角度體系。只不過這種等價關係有一方，是中國古代不曾自覺認識清楚的。

　　《周髀算經》雖然在地面畫圓分度，但是這種分度方法並沒有應用到中國古代的幾何體系，去度量不同角的大小。數學中最重要的一個角度概念就是直角，以「矩」作為度量它的工具。所謂「矩者，所以矩方器械，令不失其形也。」〔註15〕但是「矩」在很多場合也指矩形，所以要指矩形的頂角時只好使用另外一個說法「隅」了。「隅」本指房子的角落，例如《論語．述而》有名的說法：「舉一隅不以三隅反」。「隅」逐漸普遍用來指各種建築物的角落，進而在幾何上稱謂等於直角的角。例如《考工記》有「宮隅之制七雉，城隅之制九雉」。《詩．邶風．靜女》有「俟我乎城隅」。《周髀算經》有「勾廣三，股脩四，徑隅五。」〔註16〕《九章算術．勾股》有「東門南至隅步數，以乘南門東至隅步數為實。」〔註17〕

　　值得注意的是《周髀算經》與《九章算術》的正文，除了以上引用「隅」的例子外，並沒有用「角」的文句。或者可推斷在這兩本書成書的時間，數學家的注意力基本上還在指謂直角的「隅」。由尖銳獸角引申來，有可能指謂非直角的「角」，還未贏得它應有的地位。《漢書．律曆志》說：「角，觸也，物觸地而出，戴芒角也。」〔註18〕「角」的解釋雖然脫離開獸角，但仍然是描寫尖銳的形狀。因為現代中國人已極少使用「隅」字，這種數學術語由「隅」為主，演化到以「角」為主的歷史，似乎也反映了由直角走向一般角的認識過程。

　　三國時期的趙爽在注《周髀算經》時已說過：「隅，角也。」〔註19〕可見到三世紀時「角」的用法至少與「隅」已相當接近了。趙爽用「角」的例子在注文中有「伸圓之周而為勾，展方之匝而為股，共結一角，邪適弦五。」〔註20〕在他著名的「勾股圓方圖」那段論說中有「開矩勾之角，……，開矩股之角。」〔註21〕但與趙爽同時代的劉徽在《九章算術》注中，似乎比較愛「隅」字，例如：

　　「三面，三廉，一隅皆已有冪，」
　　「陽馬之形，方錐一隅也。今謂四柱屋隅為陽馬。」
　　「依隅之周半於依垣，」
　　「兩隅相去一丈為弦，」
　　「滿此方則兩端之矩重於隅中，」
　　「令黃冪連於下隅，」〔註22〕

　　劉徽用「角」的一個為人熟知的例子，是《勾股》章開始解釋勾股形時說：「短面曰勾，長面曰股，相與結角曰弦。」〔註23〕此處「相與結角」的說法與前引趙爽注「共結一角」類似，但因劉徽基本上是以「隅」稱呼直角，所以這句話的另一種合理解釋是：「直角三角形的短邊叫勾，長邊叫股，與短邊（或長邊）結角的邊叫弦」。此處用「角」而不用「隅」，應該是強調所結的角不會是直角。劉徽另一個用「角」的地方是在討論開方時說：「欲除朱冪之角黃乙之冪，其意如初之所得也。」〔註24〕這個「角」字用得相當特殊，因為隨後討論開立方時，又恢復使用「隅」。「隅」字在開方術裡的用法為後代的數學書籍承襲下去，衍申到唐初《緝古算經》時，甚至以實、方、廉、隅來說明方程的各項係數。

　　劉徽以後，在開方術之外，「隅」、「角」出現的場合可舉其大要如下。

　　五世紀的《孫子算經》有「今有田，桑生中央，從角至桑一百四十七步，問田幾何？……術曰：置角至桑一百四十七步，……」〔註25〕但是此題目中的「角」字，到六世紀甄鸞的《五曹算經》裡卻又改為「隅」字。

　　唐朝李淳風注《周髀算經》用過「角隅正方，自然之數」〔註26〕的說法。注《九章算術》用過「自然從角至角，其徑二尺可知。……角徑亦皆一尺。更從觚角外畔圍繞為規，……」〔註27〕此處「從角至角」度量的始終是角的頂點，但是不應把「角」字解釋作或等同於「點」字，因為沒有角的烘托，點的位置就失去了著落。並且由此可見「角」字使用的意味已漸隱含較廣義的角了。

　　北宋沈括在《夢溪筆談》裡討論隙積術時曾說過：「芻童求見實方之積，隙積求見合角不盡，益出羨積也。」其中所合之角是一個方錐的頂角（如圖一），〔註28〕所以「角」字也可以指立體角了。

　　南宋楊輝在《詳解九章算法》討論垛積時，用了「三角垛」、「四隅垛」的名稱，還沒有把「四隅」稱為「四角」。但到元朝朱世傑《四元玉鑑》裡已稱「四角垛」。〔註29〕對於城牆的四隅也改用四角：「令侵城四角週迴撅圜池」。〔註30〕類似《孫子算經》的「桑生田中」題目，變成直田中生出竹，已知「四角至竹各十三」。〔註31〕當「角」連「隅」也取代之後，「角」字真的成為一種統稱的名詞。

　　《四元玉鑑》裡談到八角形，〔註32〕到明朝程大位《算法統宗》〔註33〕更是普遍的使用「圓容六角」、「六角容圓」、「圓容三角」、「三角容圓」、「三角田」、「六角形」、「八角形」等，「角」在稱呼多邊形的用法上已與現代沒有什麼出入了。

　　在幾何學的劇場內，「隅」由稱呼直角的正統地位，逐漸抽象化成開方法的用辭，而被「角」擠出了舞台。這種由「隅」到「角」的演化過程，相當程度也反映了中國古典幾何學，從對直角三角形的關注中，逐漸把視線轉移到更一般的平面圖形。例如南宋秦九韶《數書九章》卷五田域類的「尖田求積」、「三斜求積」、「斜蕩求積」、「計地容民」，就討論了在此之前未曾有過的題型。雖然秦九韶的公式仍可由勾股形逐步導來，〔註34〕但在題目的表現上已經脫離勾股形的簡單堆疊。

　　「角」字為什麼會由「獸角」逐步提升到對一般角的統稱，並不容易從文獻中確認它的原委與軌跡。本文嘗試提出一條看來合理的路徑。

　　獸角衍申的直覺意義自然會包含尖銳感，因此前面引過《漢書．律曆志》便曾說：「角，觸也，物觸地而出，戴芒角也。」按《說文》「芒」是指草端，在尖銳的意義上，「芒」與「角」便結合在一起了，也因此對光芒的形容就可以用「角」字。以《史記．天官書》為例，用「角」描述星光的語句可列舉如下：〔註35〕

　　「天一、槍、棓、矛、盾，動搖、角、大，兵起。」
　　「庫有五車。車星角，若益眾，及不具，無處車馬。」
　　「狼角、變色、多盜賊。」
　　「軍星動、角、益希，及五星犯北落，入軍，軍起。」
　　「其角動，乍小乍大，若色數變，人主有憂。」
　　「若角動，繞環之，及乍前乍後，左右，殃益大。」
　　「赤角，犯我城。黃角，地之爭。白角，哭泣之聲。青角，有兵、憂。黑角，則水。」
　　「小以角動，兵起。……角，敢戰。……順角所指，吉。」
　　「赤角有戰。白角有喪。黑圜角憂，有水事。青圜小角憂，有木事。黃圜和角，有土事，有年。」
　　「青角，兵憂。黑角，水。」
　　「赤角，犯我城。黃角，地之爭。白角，號泣之聲。」
　　「昭明星大而白，無角，乍上乍下。」

　　這些觀察到的芒角，可能是因窺管測象而產生。黃一農以銅管仿製窺管，從實驗中證實了這種觀察的可能性。〔註36〕其它用「芒」與「角」的例子還有，北周庾季才的《靈台秘苑》中稱：「動者光體搖動；芒者光耀生芒刺；角者頭角長大芒；喜者光色潤澤；恕（怒）者光芒威大潤澤。」可能是明朝劉基所輯，但託之唐朝李淳風所撰的《觀象玩占》裡，芒角已有更量化的定義：「光曜外出生鋒曰芒，五寸以下謂之芒：芒而長四出曰角，一曰七寸以上謂之角。」〔註37〕

　　芒角的產生應該是對稱的，也就是把芒角的端連起來會形成正多邊形。對於正多邊形古代也有一個特殊的字「觚」來描述。《漢書．律曆志》說：「其算法用竹，徑一分，長六寸，二百七十一枚而成六觚，為一握。」〔註38〕劉徽在注解《九章算術》求圓田的方法時，涉及六邊、十二邊、二十四邊、四十八邊、九十六邊、一百九十二邊、一千五百三十六邊、三千七十二邊的正方形。雖然南宋鮑澣之刻本及明《永樂大典》本均用若干「弧」，但清朝戴震校為若干「觚」。「觚」字本意為有八稜的酒器，上古原是以獸角盛酒飲酒，因此用來命名酒器的字多從角。這種字源的親近性以及通過對星光描述的媒介，終致「觚」「角」不分。「角」從尖銳的芒角，過渡到寬厚的觚角，再統合了隅角，而日漸成為一般角的統稱。