李冶

生平

早年生活

李冶进士出身，任钧州（今河南禹县）知事。晚年居元氏封龙山，从学者甚众。著有《测圆海镜》、《益古演段》，对中国古代代数方法天元术（中国古代建立数学高次方程的方法）有重要贡献，是我国流传至今的最早的天元术著作。父亲李遹为大兴府推官。李遹是位博学多才的学者，曾在大兴府尹胡沙虎手下任推官，母亲姓王。李冶有两个同父异母的弟兄，兄名澈，刘氏所生；弟名滋，崔氏所生；还有两个同胞姐妹。李冶原名叫李治，因为朝廷禁止平民和古代帝王同名，而他的名字又和唐高宗的名字相同，于是就减去了一个点，改名叫李冶。

李冶自幼聪敏，喜爱读书，曾在元氏县（今河北省元氏县）求学，对数学和文学都很感兴趣。《元朝名臣事略》中说：“公（指李冶）幼读书，手不释卷，性颖悟，有成人之风。”

李冶出生的时候，金朝正由盛而衰。章宗即位（1190）后，官僚政治日趋腐败。由于管理不善，酿成了连年水灾。再加上对外战争及任意挥霍，金朝出现了财政危机，于是滥发纸币，致使物价飞涨，国虚民穷。泰和八年（1208），金章宗病死，卫绍王允济即皇帝位。这时蒙古军队加紧向金朝进攻，腐朽的金朝内已潜伏着亡国的危机。李遹的上司胡沙虎是一个深得朝廷宠信的奸臣，“声势炎炎，人莫敢仰视”，动辄打骂同僚，欺压百姓，甚至“虐杀不辜”。李遹见他无恶不作，常常据理力争，置个人生死祸福于度外。只因为官谨慎，才免遭毒手。李遹为了防备不测，便把老小送回故乡栾城。这时李冶正是童年，他没有随家人回乡而独自到栾城的邻县元氏求学去了。至宁元年（1213），由于胡沙虎篡权乱政，李遹被迫辞职，隐居阳翟，从此不再过问政事。

父亲的正直为人及好学精神对李冶深有影响。在李冶看来，学问比财富更可贵。他说：“积财千万，不如薄技在身”，又说：“金璧虽重宝，费用难贮蓄。学问藏之身，身在即有余。”他在青少年时期，对文学、史学、数学、经学都感兴趣，曾与好友元好问外出求学，拜文学家赵秉文、杨云翼为师，不久便名声大振。

1230年，李冶在洛阳考中词赋科进士，正大七年（1230），李冶赴洛阳应试，被录取为词赋科进士，时人称赞他“经为通儒，文为名家”。同年得高陵（今陕西高陵）主簿官职，但蒙古窝阔台军已攻入陕西，所以没有上任。接着又被调往阳翟附近的钧州（今河南禹县）任知事，为官清廉、正直。

北渡避难

1232年，钧州城被蒙古军队攻破。李冶不愿投降，只好换上平民服装，北渡黄河避难。这是他一生的重要转折点，将近50年的学术生涯便由此开始了。

李冶北渡后流落于山西的忻县、崞县之间，过着“饥寒不能自存”的生活。一年以后（1233），汴京（今河南开封）陷落，元好问也弃官出京，到山西避难。1234年初，金朝终于为蒙古所灭，李冶与元好问都感到政事已无可为，于是潜心学问。李冶经过一段时间的颠沛流离之后，定居于崞山（今山西崞县）的桐川。金朝的灭亡给李冶生活带来不幸，但由于他不再为官，这在客观上使他的科学研究有了充分的时间。他在桐川的究工作是多方面的，包括数学、文学、历史、天文、哲学、医学。其中最有价值的工作是对天元术进行了全面总结，写成数学史上的不朽名著——《测圆海镜》。他的工作条件是十分艰苦的，不仅居室狭小，而且常常不得温饱，要为衣食而奔波。但他却以著书为乐，从不间断自己的写作。据《真定府志》记载，李冶“聚书环堵，人所不堪”，但却“处之裕如也”。他的学生焦养直说他：“虽饥寒不能自存，亦不恤也”，在“流离顿挫”中“亦未尝一日废其业”。经过多年的艰苦奋斗，李冶的《测圆海镜》终于在1248年完稿。它是我国现存最早的一部系统讲述天元术的著作。

定居讲学

1251年，李冶的经济情况有所好转，他结束了在山西的避难生活，回元氏县封龙山定居，并收徒讲学。李冶的学生越来越多，家里逐渐容纳不下了，于是师生共同努力，在北宋李遹读书堂故基上建起封龙书院。李冶在书院不仅讲数学，也讲文学和其他知识。他呕心沥血，培养出大批人才，并常在工作之余与元好问、张德辉一起游封龙山，被称为“龙山三老”。1257年在开平（今内蒙古正蓝旗）与金朝遗老窦默、姚枢、李俊民等多人接受忽必烈召见，又派董文用专程去请李冶，说：“素闻仁卿学优才赡，潜德不耀，久欲一见，其勿他辞。”同年五月，李冶在开平（今内蒙古正蓝旗）见忽必烈，陈述了自己的政治见解：“为治之道，不过立法度、正纪纲而已。纪纲者，上下相维持；法度者，赏罚示惩劝。”在谈到人才问题时，他说：“天下未尝乏材，求则得之，舍则失之，理势然耳。”最后，他向忽必烈提出“辨奸邪、去女谒、屏馋慝、减刑罚、止征伐”五条政治建议，得到忽必烈的赞赏。

李冶会见忽必烈之后，回封龙山继续讲学著书，于1259年写成另一部数学著作——《益古演段》。1260年，忽必烈即皇帝位，是为元世祖。第二年七月建翰林国史院于开平，聘请李冶担任清高而显要的工作——翰林学士知制诰同修国史。但李冶却以老病为辞，婉言谢绝了。从时代背景及李冶思想分析，他拒绝应聘的原因有二。第一，蒙古统治者没有接受李冶“止征伐”的建议，而是大举攻宋，从而引起李冶不满；第二，忽必烈初登帝位，其弟阿里不哥不服，起兵反抗，蒙古统治区陷入连年内战。李冶是不愿在这种动荡的局势下作官的。他说：“世道相违，则君子隐而不仕。”

忽必烈降服阿里不哥、平定蒙古内乱后，再召李冶为翰林学士知制诰同修国史。李冶于至元二年（1265）来到燕京（今北京），勉强就职，参加修史工作。但他不久便感到翰林院里思想不自由，处处都要秉承统治者的旨意而不能畅所欲言。因此，他在这里工作一年之后便以老病辞职了。李冶是个追求思想自由的人，尤其不愿在学术上唯命是从。他说：“翰林视草，唯天子命之；史馆秉笔，以宰相监之。特书佐之流，有司之事，非作者所敢自专而非非是是也。今者犹以翰林、史馆为高选，是工谀誉而善缘饰者为高选也。吾恐识者羞之。”

李冶辞职后一直在封龙山下讲学著书。他在晚年完成的《敬斋古今黈（音tǒu）》与《泛说》是两部内容丰富的著作。《泛说》一书今已不存，据《元朝名臣事略》中引文及书名判断，《泛说》是记录李冶对各种事物见解的随感录。《敬斋古今黈》则是李冶的读书笔记，“上下千古，博极群书”，在文史方面颇有独到见解。另外，李冶作过不少诗，其中有五首保存在《元诗选癸集》中。从这些诗来看，李冶的文学造诣相当深。李冶还著有《文集》40卷与《璧书丛削》12卷，均已失传。1279年，李冶病逝于元氏。李冶在数学上的主要成就是总结并完善了天元术，使之成为中国独特的半符号代数。这种半符号代数的产生，要比欧洲早三百年左右。他的《测圆海镜》是天元术的代表作，而《益古演段》则是普及天元术的著作。

随着高次方程数值求解技术的发展，列方程的方法也相应产生，这就是所谓“开元术”。在传世的宋元数学著作中，首先系统阐述开元术的是李冶的《测圆海镜》。李冶一生著作虽多，但他最得意的还是《测圆海镜》。他在弥留之际对儿子克修说：“吾平生著述，死后可尽燔去。独《测圆海镜》一书，虽九九小数，吾常精思致力焉，后世必有知者。庶可布广垂永乎？”

李冶的数学研究是以天元术为主攻方向的。这时天元术虽已产生，但还不成熟，就像一棵小树一样，需要人精心培植。李冶用自己的辛勤劳动，使它成长为一棵枝叶繁茂的大树。

主要贡献

天元术

所谓天元术，就是一种用数学符号列方程的方法，“立天元一为某某”相当于今“设x为某某”是一致的。在中国，列方程的思想可追溯到汉代的《九章算术》，书中用文字叙述的方法建立了二次方程，但没有明确的未知数概念。到唐代，王孝通已经能列出三次方程，但仍是用文字叙述的，而且尚未掌握列方程的一般方法。经过北宋贾宪、刘益等人的工作，求高次方程正根的问题解决了。随着数学问题的日益复杂，迫切需要一种普遍的建立方程的方法，天元术便在北宋应运而生了、洞渊、石信道等都是天元术的先驱。但直到李冶之前，天元术还是比较幼稚的，记号混乱、复杂，演算烦琐。例如李冶在东平（今山东省东平县）得到的讲天元术的算书中，还不懂得用统一符号表示未知数的不同次幂，它“以十九字识其上下层，曰仙、明、霄、汉、垒、层、高、上、天、人、地、下、低、减、落、逝、泉、暗、鬼。”这就是说，以“人”字表示常数，人以上九字表示未知数的各正数次幂（最高为九次），入以下九字表示未知数的各负数次幂（最低也是九次），其运算之繁可见一斑。从稍早于《测圆海镜》的《铃经》等书来看，天元术的作用还十分有限。李冶则在前人的基础上，将天元术改进成一种更简便而实用的方法。当时，北方出了不少算书，除《铃经》外，还有《照胆》、《如积释锁》、《复轨》等，这无疑为李冶的数学研究提供了条件。特别值得一提的是，他在桐川得到了洞渊的一部算书，内有九客之说，专讲勾股容圆问题。此书对他启发甚大。为了能全面、深入地研究天元术，李冶把勾股容圆(即切圆)问题作为一个系统来研究。他讨论了在各种条件下用天元术求圆径的问题，写成《测圆海镜》十二卷，这是他一生中的最大成就。

测圆海镜

《测圆海镜》不仅保留了洞渊九容公式，即9种求直角三角形内切圆直径的方法，而且给出一批新的求圆径公式。卷一的“识别杂记”阐明了圆城图式中各勾股形边长之间的关系以及它们与圆径的关系，共六百余条，每条可看作一个定理（或公式），这部分内容是对中国古代关于勾股容圆问题的总结。后面各卷的习题，都可以在“识别杂记”的基础上以天元术为工具推导出来。李冶总结出一套简明实用的天元术程序，并给出化分式方程为整式方程的方法。他发明了负号和一套先进的小数记法，采用了从零到九的完整数码。除O以外的数码古已有之，是筹式的反映。但筹式中遇O空位，没有符号O。从现存古算书来看，李冶的《测圆海镜》和秦九韶《数书九章》是较早使用O的，它们成书的时间相差不过一年。《测圆海镜》重在列方程，对方程的解法涉及不多。但书中用天元术导出许多高次方程（最高为六次），给出的根全部准确无误，可见李冶是掌握高次方程数值解法的。

《测圆海镜》不仅是我国现存最早的一部天元术著作，而且在体例上也有创新。全书基本上是一个演绎体系，卷一包含了解题所需的定义、定理、公式，后面各卷问题的解法均可在此基础上以天元术为工具推导出来。李冶之前的算书，一般采取问题集的形式，各章（卷）内容大体上平列。李冶以演绎法著书，这是中国数学史上的一个进步。

《测圆海镜》的成书标志着天元术成熟，对后世有深远影响。元代王恂、郭守敬在编《授时历》的过程中，曾用天元术求周天弧度。不久，沙克什用天元术解决水利工程中的问题，收到良好效果。元代大数学家朱世杰说：“以天元演之、明源活法，省功数倍。”清代阮元说：“立天元者，自古算家之秘术；而海镜者，中土数学之宝书也。”

益古演段

《测圆海镜》的成书标志着天元术成熟，它无疑是当时世界上第一流的数学著作。但由于内容较深，粗知数学的人看不懂。而且当时数学不受重视，所以天元术的传播速度较慢。李冶清楚地看到这一点，他坚信天元术是解决数学问题的一个有力工具，同时深刻认识到普及天元术的必要性。他在结束避难生活、回元氏县定居以后，许多人跟他学数学，这使得他需要编写教学用书，《益古演段》便是在这种情况下写成的。《测困海镜》的研究对象是离生活较远而自成系统的圆城图式，《益古演段》则把天元术用于解决实际问题，研究对象是日常所见的方、圆面积。李冶大概认识到，天元术是从几何中产生的。因此，为了使人们理解天元术，就需回顾它与几何的关系，给代数以几何解释，而对二次方程进行几何解释是最方便的，于是便选择了以二次方程为主要内容的《益古集》（11世纪蒋周撰）。正如《四库全书·益古演段提要》所说：“此法（指天元术）虽为诸法之根，然神明变化，不可端倪，学者骤欲通之，茫无门径之可入。惟因方圆幂积以明之，其理尤届易见。”李冶是很乐于作这种普及工作的，他在序言中说：“使粗知十百者，便得入室啖其文，顾不快哉！”

《益古演段》全书64题，处理的主要是平面图形的面积问题，所求多为圆径、方边、周长之类。除四道题是一次方程外，全是二次方程问题，内容安排基本上是从易到难。李冶在完成《测圆海镜》之后写《益古演段》，他对天元术的运用自然会更加熟练。但他却没有像前者那样，完全用天元术解题。书中新旧二术并列，新术是李冶的代数方法——天元术；旧术是蒋周的几何方法——条段法，这是一种图解法，因为方程各项常用一段一段的条形面积表示，所以得名。该书揭示了两者的联系与区别，对我们了解条段法向天元术的过渡、探讨数学发展规律有重要意义。书中常用人们易懂的几何方法对天元术进行验证，这对于人们接受天元术是有好处的。该书图文并茂，深入浅出，不仅利于教学，也便于自学。正如砚坚序中的评价：“说之详，非若溟津黯淡之不可晓；析之明，非若浅近粗俗之无足观。”这些特点，使它成为一本受人们欢迎的数学教材，对天元术的传播发挥了不小的作用。

《益古演段》的价值不仅在于普及天元术，理论上也有创新首先，李冶善于用传统的出入相补原理及各种等量关系来减少题目中的未知数个数，化多元问题为一元问题。其次，李冶在解方程时采用了设辅助未知数的新方法，以简化运算：该书的问题同《测圆海镜》不同，所求量不是一个而是两个、三个甚至四个。按古代方程理论：“二物者再程，三物者三程，皆如物数程之。”应该用方程组来解，所含方程个数与所求量个数一致。但解二次方程组要比解一元方程困难得多。李冶既已完善了天元术程序，便力图提高它的一般化程度，用以解决各种多元问题。他的主要方法是利用出入相补原理（即“一个平面图形从一处移置他处，面积不变。又若把图形分割成若干块，那么各部分面积的和等于原来图形的面积，因而图形移置前后诸面积间的和、差有简单的相等关系。”吴文俊语）及等量关系来减少未知数，化多元为一元，找到关键的天元一。一旦这个天元一求出来，其他要求的量就可根据与天元一的关系，很容易求出了。

方程理论新进展

李冶由于摆脱了几何思维束缚，在方程理论上取得了四项进展：

第一，他改变了传统的把常数项看作正数的观念，常数项可正可负，而不再拘泥于它的几何意义。

第二，李冶已能利用天元术熟练地列出高次方程。在这里，未知数已具有纯代数意义，二次方并非代表面积，三次方程也并非代表体积。

第三，李冶完整解决了分式方程问题，他已懂得用方程两边同乘一个整式的方法化分式方程为整式方程。

第四，李冶已懂得用纯代数方法降低方程次数。当方程各项含有公因子xn（n为正整数）时，李冶便令次数最低的项为实，其他各项均降低这一次数。

此外，李冶还发明了负号，他的负号不同，是数字上画一条斜线。而在国外，德国人是在15世纪才引入负号的。李冶还发明了一套相当简明的小数记法，在李冶之前，小数记法离不开数名，如7.59875尺记作七尺五寸九分八厘七毫五丝。李冶则取消数名，完全用数码表示小数，纯小数在个位处写0，带小数于个位数下写步，如0.25记作○=|||||，这种记法在当时算是最先进的。直到17世纪，英国数学家J·纳普尔（1550—1617）发明小数点后，小数才有了更好的记法。

思想

对数学的看法

和秦九韶一样，李冶并不认为算学是“九九贱技”，认为“小数之假所以为大道所归”，也就是说“道”既来源于“小数”（技艺），又借“小数”而体现。他曾经在《益古演段》序中说过：“安知轩隶之秘不于是乎始？”（谁知道轩辕隶首得道的秘诀不是始于数学呢？）也许通过对数学这种“小数”的追求也可以达到“技进乎道”的境界。

李冶对当时基于道教和理学的数学神秘主义不以为然。在《测圆海镜》的序文中，李冶认为自然之数（数字）虽然不可穷尽但数学的道理（自然之理）是可以推导的，而数学的道理如同黑暗中的光亮一般，只要明白了道理，就可以明白数学的奥妙。

文学思想

李冶也是一位著名的文学家，与好友元好问并称“元李”。由于其著作集《文集》已失佚，后世对他主要的文学思想的了解主要来源于他的《泛说》与《敬斋古今黈》。

李冶文风严谨。他曾说：“文章有不当为者五，苟作一也，徇物二也，欺心三也，蛊俗四也，不可以示子孙五也。”在《敬斋古今黈》中，他提出了自己的文学主张。他首先认为，写文章应当立足实际，但也要善于联想，不应当穿凿附会，无中生有。李冶还认为，写文章应当善于借鉴吸收前人的精华，为己所用，但他同时也嘲笑盲从古人的态度。对于诗文鉴赏，李冶认为诗文的气质重于文采，重在骨格。

人性论

李冶在《敬斋古今黈》中阐述了自己对人性的看法。他认为孟子的“性善论”只能说明“万物皆有效善之质”，即向善的可能性，而事实上是否向善，则取决于后天的环境。他认为对人的欲望，不可过于约束，也不可不加限制，约束之心太过，就犹如拔苗助长，而放任不理就犹如不耕耘一样，都无法有好的效果。

其他著作

李冶在晚年还写过《敬斋古今黈》与《泛说》两部内容丰富的著作。《泛说》四十卷一书今已散佚，根据《元朝名臣事略》中的引用文段来看，是一本随感录，记录李冶对世间事物的见解。《敬斋古今黈》是一本读书笔记。另外，李冶生平亦作诗不少，《元诗选癸集》保存有五首。此外李冶还有《文集》四十卷、《璧书丛削》十二卷，均已失传。

影响

天元术并非李冶的独创，而是从金代起便在中国北方开始萌芽。据祖颐在《四元玉鉴后序》中的记载，李冶以前研究天元术的学者至少有蒋周、李文一、石信道、刘汝谐、李德载等等，但并未提到李冶。而除李冶之外，其它早期天元术的著作也已经失传。1303年朱世杰的《四元玉鉴》问世，其中将天元术扩展为含有天元、地元、人元和物元的“四元术”，即四元高次方程组的解法，将天元术发展到了一个新的高度。

明代算学比起宋元时期并没有什么进展，尤其是天元术因为艰深难懂而少人研究，几近失传。明代顾应祥曾经撰写《测圆海镜分类释术》，在序中称“细考《测圆海镜》，如求城径即以二百四十为天元，半径则以一百二十为天元，既知其数，何用算为？似不必立可也。……每条下细草，虽径立天元一，反复合之，而无下手之处，使后学之士茫然无门路之可入。……每章去其细草，立一算术，……各以类分之，语义稍繁者，略加芟损，名曰《测圆海镜分类释术》。（仔细考查《测圆海镜》，求直径时就令二百四十为天元，求半径的话则令一百二十为天元，既然已经知道了天元的大小，为什么还要设天元呢？似乎没有必要”，完全没有明白天元术中天元为未知数的含义。他认为书中“每道题的演算中，虽然设立天元，但反复查看，觉得无从下手，后来的学习者茫然摸不到门道）”，因而将《测圆海镜》中关于立天元列方程的演算全部删去，只留下用开方术解方程的过程，以方便后人学习。李俨认为宋金元发展起来的天元术至此已被遗忘。

十八世纪时，随着西洋算学传入中国，李冶等人的天元术著作才被后来的数学家重新发现。清朝梅瑴成（梅文鼎之孙）曾经研读顾应祥的《测圆海镜分类释术》，对其中的天元之术感到不解，后来在研习西方的“借根方”法时发现所谓的“借根”就是“立天元”（都是设未知数），方才重新开始认识天元术。之后，《四元玉鉴》等其它天元术著作也被重新认识。后来的《四库全书》中收录了李潢家藏本的《测圆海镜》。1798年，清代大藏书家鲍廷博刊印的《知不足斋丛书》中收录了李锐校勘的《测圆海镜细草》十二卷。之后又有焦循和李锐在研究了《测圆海镜》、《益古演段》和《术数九章》后写的《天元一释》和《开方通释》两书，用较为明白的语言详细解释了李冶的天元术和秦九韶的正负开方术。至此，天元术和现代的方程论逐渐融合，而十八世纪末期以后方程论的研究也开始蓬勃发展。之后的相关作品包括1861年朝鲜数学家南秉哲著的《海镜细草解》、1873年张楚钟的《测圆海镜识别详解》、1896年刘岳云出版的《测圆海镜通释》、1898年叶耀元《测圆海镜解》，还有李善兰的《测圆海镜解》等等。

现代研究

二十世纪以来，李冶作为中国历史上重要的数学家，其思想和著作被许多学者所研究。李俨、钱宝琮、梅荣照都曾经对李冶和他的著作进行过研究和考证。孔国平的《李冶传》是第一本全面论述李冶生平及学术成就的专著。白尚恕、李迪、郭书春、沈康身、洪万生等对李冶都有深入的研究。李冶和杨辉、秦九韶、朱世杰一起被认为是宋元时期的四大数学家。

1982年法国林立娜（K. Chemla）以测圆海镜为题的论文获得巴黎大学博士学位。

名字的考证

关于李冶的名字，《元朝名臣事略》、《元史本传》、《永乐大典》、《四库全书总目》、《皕宋楼藏书志》等都写作李冶。柯劭忞在《新元史》中说李冶本名治，后改成冶。清朝的施国祁认为李冶真名应该是李治，而被称为李冶是后来以讹传讹之误。缪荃孙在《藕香零拾》中也为这种说法提出三条佐证：首先元代王恽的《中堂记事》中有“李治，授翰林学士，知制诰，同修国史”的记载，与李冶的经历相吻合。其次，元好问的《金故少中大夫程震墓碑》中由李冶题额，上面刻的是李治而不是李冶。最后，元好问在为李冶父亲写的墓志铭上有写其三个儿子的名字，其中李冶的名字被写为李治。他的兄弟名字分别是李澈和李滋。按照汉人起名的习惯，李冶作为三兄弟之一，姓名也应该是五行带水的。余嘉锡在《四库提要辨证》中亦详加考证，说明李冶原来应该叫李治，但后来改为冶。