遊戲人間之七巧板
25-09-2022
 
     
 
 
(一)引言
(二)七巧板來源
(三)七巧圖書籍
(四)益智圖
(五)七巧板在民間
(六)七巧板傳歐美
(七)清少納言智慧板
(八)七巧板在日本
(九)關於七巧板的一個定理
(十)七巧圖邊數和五邊形個數
(十一)悖論
(十二)後語
(十三)附錄
(十四)參考資料

七巧板是我兒時的玩具之一,用全部七塊小板,拼出圖形解答,又或自己拼出圖形,其樂無窮。 那時的七巧板,是木製的,各板塊塗上不同顏色。


木製七巧板

七巧板是由一正方形板塊依下面的圖式切割而成。大家可以用紙板依著圖樣切割自製一副來玩,亦可用紙摺一套,或到玩具店購買。


七巧板的板塊做法

七巧板看來是像個小玩具,其實它的背後,也有很多一般人很少知道的學問和知識。

馬丁.加德納(Martin Gardner)在《美國科學人》月刊1974年8月號的遊戲專欄文章裏說出有關七巧板的幾類玩法, 第一類玩法是按圖形找出解答;第二類玩法是用1套、2套、3套七巧板創作具藝術和有趣的圖形;第三類玩法是解決七巧板組合問題, 例如用七巧板可以拼出多少個凸多邊形?又可以拼出多少個五邊形?七巧板圖形可以有多少條邊? 我認為除了加德納提出的幾類玩法外,兩、三歲的小朋友在玩形狀認識的玩具外,也可以考慮玩七巧板,著小朋友按七巧圖答案拼出圖形, 增加對幾何圖形的認識,也是一個認識圖形的好訓練。


用一套七巧板拼出的圖形例子


用兩套七巧板拼出的圖形例子


用三套七巧板拼出的圖形例子

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七巧板的來源,眾說紛云,有說是從宋代黃伯思(1079年–1118年)的《燕几圖》(1194年[1])和明代嚴澂的《蝶几譜》演變而來。 明代嚴澂將《燕几圖》的長方形案几改為三角形,用13張三角形案几合為蝶翅形,稱為蝶几,可拼出各種圖形, 編成《蝶几譜》一書, 於明萬曆丁巳年(1617年)付梓刊印。《欽定續文獻通考》的〈經籍考〉有這樣的記載:「嚴澂蝶几譜一卷。澂字道徹,常熟人, 大學士訥次子,由蔭生官邵武知府。」《欽定續文獻通考》,清張廷玉等奉敕撰,後嵇璜、劉墉等奉敕撰,紀昀等校訂, 成書於乾隆四十九年(1784年)。嚴澂(1547年–1625年)字道澈,號天池,直隸常熟(今江蘇)人,明末古琴家, 是大學士文靖公嚴訥的兒子,曾做過三年邵武知府。


《欽定續文獻通考》卷一百八十一〈經籍考〉四十一 頁三十三

《欽定四庫全書總目》於乾隆四十六年(1781)初稿完成,全書200卷,收錄書目10254種,內包含了《燕几圖》和《蝶几譜》,並有描述:

燕几圖一卷 兩港總督採進本
「舊本題宋黃伯思撰。考伯思為北宋時人,卒於徽宗初年。……其法,初以几長七尺者二,長五尺二寸五分者二,長三尺五寸者二, 皆廣一尺七寸五分,高二尺八寸,縱橫錯綜而列之,二十體變為四十名,謂之骰子桌,取其六數也。後增一几,易名七星衍, 為二十五體變為六十八名。……」

蝶几譜一卷 江西巡撫採進本
「明嚴澂撰。澂有松絃館琴譜,已著錄是編,因燕几圖而變通之。燕几以方几長短相參,此則以勾之形,作三角相錯,形如蝶翅, 故曰蝶几。其式有三,其制有六,其數十有三,其變化之式,凡一百有餘,較燕几圖頗巧云。」


《欽定四庫全書總目》卷一百十六子部譜錄類存目 頁十一至十二

光緒二十三年丁酉(1897年)姚福均《海虞藝文志》卷五第二頁:「提要譜錄類存目云明嚴徵撰是編,因燕几圖而變通之。 燕几以方几長短相參,此則以勾股之形作三角相錯,形如蝶翅,故曰蝶几。其式有三,其製有六,其數十有三, 其變化之式凡一百有餘,較燕几圖頗巧云。」


《海虞藝文志》卷五第二頁


《燕几圖》 黃長睿撰
(《叢書集成初編燕几圖及其他四種》王雲五主編 商務印書館 民國二十五年十二月(1936))


《蝶几譜》

七巧板何時發明己不可考,惟脫胎於蝶几,而在公元1800年間開始流行於民間是無可置疑的事。

坂垠嚴夫在《益智遊戲精華》〔天地圖書有限公司, 1978年5月版p3–p5〕說:「據說七巧板源自中國,一八○○年前後傳入歐洲, 但細節如何,尚待考證。」

傑里.斯洛克姆(Jerry Slocum)在他的一篇文章〈新舊謎題:一些歷史筆記(Puzzles Old & New: Some Historical Notes)〉裏寫道: 「七巧板(見圖 3)使用七板塊,是一個著名的拼圖謎題。它於 1800 年左右在中國發展開來, 至今仍被用於教授幾何和作為一個激發智力的謎題。 (A well-known dissection puzzle , the Tangram (See Figure 3), uses seven pieces. It was developed in China about 1800 and is still used today to teach geometry and as a stimulating puzzle.)」 〔見《數學輕鬆的一面(The Lighter Side of Mathematics)》Richard K. Guy and Robert E. Woodrow 美國數學協會 (The Mathematical Association of America) 1994 p229–p230〕 斯洛克姆在另一篇文章〈七巧板:世界上第一個拼圖熱潮 (Tangram: The World’s First Puzzle Craze)〉 亦說:「七巧板是 1796 年至 1802 年間在中國發明的七板塊拼圖,經過“中國商船”被帶到倫敦,很快成為英國、歐洲和美國的時尚拼圖熱潮。 (The Tangram, a seven-pieces, put-together puzzle invented in China between 1796 and 1802, was taken to London on “China Trade” ships and soon became a fashionable puzzle craze in England, Europe, and America.)」 〔見《一生的謎題(A Lifetime of Puzzles)》 A K Peters/CRC Press October 2008 p59〕

李約瑟(Joseph Needham)在其巨著《中國之科學與文明(Science and Civilization in China)》第三卷數學卷裏說: 「另一種幾何玩具是一套有多種排列的木板(一塊方形、一塊菱形和五塊大小不同的三角形),據說它是「東方最古老的消遣品」之一。 中國人稱之為「七巧圖」,歐洲人則稱之为為「唐人圖」。這與幾何剖分、静態對策、變位鑲嵌等有關, 也與多少世紀以來中國建築師在窗格子上的豐富的幾何形圖案有關。」 (Another, geometrical, puzzle, the rearrangements of a set of wooden pieces (a square, a rhombus and five triangles of different sizes), said to be ‘one of the oldest amusements of the East’, known to the Chinese as the ‘Seven Subtle Shapes’(chhi chhiao thu) and to Europeans as the ‘tangrams’, is related to geometrical dissections, static games, anallagmatic tessellation, etc. It is also related to the great wealth of geometrical forms employed by Chinese builders through the centuries in the lattice-work of windows.”)


《中國之科學與文明》 第三卷

清劉獻廷筆記《廣陽雜記》卷三也有一段文字記述︰

「又《十三隻做式圖》一冊,宗夏得之蕪湖市者,不知作者何人,發明何事,有圖無書,惟標名像,非我佳人,莫之解也。宗夏留以俟予, 予見之而魂驚魄惕:此予向者意地中固有之局,何斯人之先得我心邪?其圖以一平方面,截為十三塊,或長方,或半長方,或銳角,或鈍角, 展轉那移,互相軿湊,或為圭形,或為磬形,或為屋宇形,或為橋梁形,或為飛燕形,或為舞蝶形,此宇宙之殊形異相,總不出其範圍矣。 予意取一平方板,從橫界畫,如棋野然,而經緯皆以百分為率,以便算也;然後如其式而截之,增減離合,以度求數,數無遁情矣。 若更於大方之外,增四弧矢,如《周禮》衍羨之法,以證《圍徑》真旨,而《方田》、《少廣》諸章,其餘事耳。嗚呼異哉, 安得遇斯人而與之談度數之學哉!」


清劉獻廷筆記《廣陽雜記》卷三

劉獻廷(1648—1695)字繼莊,別號廣陽子,大興(今屬北京市)人。《廣陽雜記》全書五卷,記載明清雜事、歷代典制,旁及地理、 水利、象緯、律歷、財賦、音韻、醫藥等。劉獻廷在《廣陽雜記》中記述他看到的十三隻拼板圖, 所拼成的圖形頗似《蝶几譜》,但其記述十三塊板「或長方、或半長方、或銳角、或鈍角」則又不似「蝶几」, 顯然這已是拼板遊戲。

清陸以湉(1802年-1865年)在《冷廬雜識》中記載:「宋黃伯恩燕几圖,以方几七,長短相參,衍為二十五體,變為六十八名。 明嚴瀓蝶几譜,則又變通其製,以勾股之形,作三角相錯形,如蝶翅。其式三,其制六,其數十有三,其變化之式,凡一百有餘。 近又有七巧圖,其式五,其數七,其變化之式多至千餘。體物肖形,隨手變幻,蓋遊戲之具,足以排悶破寂,故世俗皆喜為之。」


「七巧圖」 –《冷廬雜識》 卷一 咸豐六年丙辰(1856年)

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可知在清十八世紀初,各類有關七巧圖書籍的刊印,如雨後春筍,七巧板成了婦女兒童的玩意,也成了文人寫畫寫詩的對象。

第一部七巧圖譜在清代嘉慶十七年(1812)出版,由徐恕堂(徐朝俊)編刊,但這書己失傳。

桑下客的《七巧圖合璧》於嘉慶十八年(1813)出版。從道光初年多間書坊翻印,例如道生堂於道光13年癸巳(1833)梓行。

《七巧圖合璧》序言中说,「七巧之戲亦名合巧圖,其源出於勾股法。去歲,雲間徐恕堂摹繪一百六十種刊行,余未及見。 今夏,王子毅園自其鄉携來吳下,又增其弟春生所推廣者,共成二百餘圖示予,余亦袖置之。雨窗無事,因與同人互相尋繹, 覺轉移時(之)妙,層出不窮,又推鄙意得百餘圖,合成一册,不敢秘諸枕中,爰(發)付剞劂,以公同好,是為序。
時在嘉慶昭陽作噩旦月中澣(浣)。桑下客識。」

這裏的「嘉慶昭陽」亦即「嘉慶昭癸酉」(1813年)。

清道光癸未、庚子(1823年、1840年)春雨樓珍玩 福文堂藏板《七巧新譜》亦刊是序。〔文中括號內為《七巧新譜》序中用字〕


《七巧圖合璧》 桑下客序 芳文閣出版 明治16年(1883年)


《七巧新譜》桑下客序 清道光癸未春月重鎸(1823年) 春雨樓珍玩 福文堂藏板

然日本數學家平山諦(Hirayama Akira,1904年8月13日–1998年6月22日)說: 「我手頭的最早文獻是於嘉慶8年(1803年)出版的《七巧圖合璧》」 〔見《東西數學物語》平山諦 代欽譯 上海教育出版社 2005, 恒星社 昭和53年增補2版 p205〕, 將第一本有關七巧圖的書的出現時間推前幾年。 日本另一數學家高木茂男(Shigeo Takagi,1931年–2001年)亦認同現存最老古的七巧圖文獻應是嘉慶八年(1803年)出版的《七巧圖合璧》, 「合璧」有合訂之意,所以在1803年之前就有該類書籍存在。除此書外,還有《七巧原編》(嘉慶十八年,1813年)、 《七巧新譜》(嘉慶二十一年,1816年)、《七巧圖錄》(咸豐三年,1853年)、《遊戲機杼》(咸豐三年,1853年)、 《七巧八分圖》(咸豐十一年,1861年)等,陸續問世〔見高木茂男著的《奇妙數字遊戲》一書 p205〕。


《七巧圖合璧》嘉慶18 年癸酉 (1813年)


《七巧圖合璧》 道光13年癸巳(1833年)

《增補七巧圖完璧》刊印於嘉慶十九年(1814年),作序者梅隱可能是此書的作者。化名養拙居士的《增補七巧圖》 (又傳本名《增訂七巧圖》) 曾重印多次,有嘉慶十九年甲戌(1814年)初版、嘉慶二十年(1815年)和嘉慶二十二年 (1817年)重印版本。 山樵的《七巧新譜》於嘉慶二十一年丙子 (1816年)聽雨樓出版。 從道光初年(道光3 年 癸未年1823年)有多間書坊翻印,如福文堂、丹柱堂等。 道光癸未(1823年)春雨樓福文堂重鎸的《七巧新譜》並附加圖式解答書《七巧圖解》一册。


(左)《七巧新譜》一頁,(右)《七巧圖解》給的解答 嘉慶丙子 (1816年)


(左)《七巧新譜》一頁,(右)《七巧圖解》給的解答 道光癸未(1823年)

這時的七巧板已相當流行於民間,為婦女們閨中暇時玩物。山樵的《七巧新譜》自序云:「而於紅閨多暇,與其雙陸、圍棋、投壼、 蹴鞠諸為頑耍競勝之事,何如將此物鋪向粧臺,玩形摹象;既可束縛芳心,又可啓發智慧之為得乎。」


《七巧新譜》山樵自序 嘉慶二十一年(丙子 1816年) 聽雨樓

梵隱人作《彚增七巧圖》(1838 年),卷尾的解釋說︰「七巧圖,不知昉(始)自何時。然其以七巧名,則亦有說:混沌未開, 渾然一太極也。〇者,陽之動也,●者,陰之静也,☯者,陰陽之互為其根也。動極生靜,靜極生動,於是一水二火三木四金五土, 五行之殽列無窮也。圖之用七,其以五行合陰陽而言之歟?雖然曷巧乎爾,巧在天者,報以七襄;巧在人者,齊以七政,即是圖而繹之。」


《彚增七巧圖》卷尾解說

清代的文學家裘良白在他所著的《以當一瓻》(又名《新增集對七巧圖》)一書的自序中, 將七巧板與另一古老的益智玩具九連環並論,他寫道:「古徵裨海九製連環,今借璇衡七裁巧板。」 據說他用了七天的時間以七巧板擺出日月山川、世間萬物。


《以當一瓻》 裘良白自序


《以當一瓻》書中部份圖式

錢芸吉字遠青,秋芬室乃她的書房名稱。芸吉花一生收集千五百多七巧圖,去世後其丈夫和子女將她原來收集到的七巧圖整理成書, 分成八個部分十六卷共六册,於咸豐十一年(1861年)出版《七巧八分圖》。序中即認為七巧板的來源與勾股定理有關,亦講述成書之因。 書中記錄錢芸吉收集了1500多個七巧圖形:日月山川、鳥獸魚蟲、文字器物等,這也正是七巧板的魅力所在。

《七巧八分圖》序云:「七巧圖傳世久矣,源出勾股,義蘊精深,端倪層出不窮,應貞之講義,若蘭之迴文,同臻奇巧。 室人錢氏芸吉字遠青,觀察甘涼諱廷熊之女公子也愛其圖,而纂成編,嘗謂余曰:此我與兄小槎伴讀時,記誦之暇,輒演此式。 前人行世之坊本或百餘而成卷,或數百而成帙,予采輯者,半而撰者,過之歷十數年而成,命之八分者,以其如易之參互錯綜, 變化莫測,今計成千五百餘圖,然何敢謂得其筌論包舉靡遺耶?倘有心者更能推衍,以盡其變,蔚成鉅觀,俾後之視予, 亦猶余之視昔,非即生生不已之道乎?君盍以予所纂者校正之言猶在耳,詎知來歸四年而遽逝矣。一藝之優,造物之忌才若斯, 而況其大者乎?兵燹之餘所著,秋芬室詩草散軼過半,而此册倖存,但莫辨其何者為沿襲,何者為新撰,爰彙其圖以俟審識者。 余長女琴媛重錄其稿,願出資刊行,謂其母半生心血之所寄,不可泯滅,予亦憫物,故人亡而其書恐與之俱亡也。 因嘉吾女之意訂正,以壽諸梨棗,庶不沒作者編輯撰成之苦心云爾。
咸豐十一年歲在重光作噩如月中浣廬陵王其沅次霞撰。」


《七巧八分圖》序 –王其沅 秋芬室撰輯 商務印書館(1933年重版,1918年初版)


《七巧八分圖》內頁(左)編輯資料及圖形 (右)王念慈為母錢芸吉寫的題誌

另外還出版了《七巧八分圖補遺》一册,凡補圖二百零二,分十二類,曰六書類、星家類,樂舞類、文房類、武備類、衣飾類、舟車類、 器皿類、宮室類、山石類、庶物類、蕃生類。序中亦闡述成書之因。


《七巧八分圖補遺》序 – 王其沅(錢芸吉夫) 秋芬室撰輯 商務印書館 (1933)

此後亦有不少七巧圖書出版,有毛應觀的《七巧六書圖》(道光九年(1829年))、雙桂齋主人的《七巧圖字略》(道光十一年(1831年))、 戴昌的《七襄新譜》(道光二十二年(1842年))、鍾國泰的《七巧五言律詩絕句》(道光二十二年(1842年))。 周承基的《七巧集成》(道光二十六年(1846年))全書八卷,其中第四卷載錄周承基以七巧拼排〈飛花園主人示二子書〉,每半頁六字, 共六十一頁半,合738字。

嚴恒的《七巧書譜》出版於光緒三十一年丁巳(1905年),其跋述書成之因,云:「七巧板不詳所自始,近人著《辭源》稱之曰「智慧板」, 信文房之雅玩也。但舊本圖式大都不外山水、人物、廬井、舟車以及各種日用器具,從未有製為字形,配為儷語累數十百言,愈出而愈奇者。 有之,自吾族祖父笠舫公始。公之為此圖也,字則兼取行草,姿勢變化,俯仰向背,各極其妙。文則義寓勸懲,聯辭偶意, 與昔人所輯格言聯璧恉趣相近。雖與坊行舊本同為游戲之作,而是書深遠矣。書成於咸豐丁巳,刻於光緒壬辰。子均族弟,公之孫也, 今年又印行之,距書成之歲甲子恰一周云。丁巳夏日族孫修謹跋。」咸豐丁巳,即咸豐七年(1857年),光緒壬辰,是光緒十八年(1892年), 而今年又印之,距書成之歲甲子恰一周云,是為民國六年丁巳(1917年)。


《七巧書譜》跋 聽月山房


《七巧書譜》圖式

《信手拈來》光緒二十七年辛丑年(1901年)刊,共百二十圖,每幅均印有作者所題成語、諺語等。 周作人在《書房一角》之〈七巧圖〉一文中稱此書「隽雅可喜」,「均有詩味畫趣」。《信手拈來》的自序署桐鄉馮汝琪,云: 「侗齋遭庚子之亂,自恨所學非所用,為世詬病,每思覆醬瓿物一無可傳,惟《信手拈來》一册,乃廣七巧圖之作。北來此册, 幸未遭刧,爰付剞劂,聊存豹之一斑。竊謂古之碩彥宏儒,研究經史,往往其名磨滅不彰,反不如雕蟲小技,得邀賞識者以悅人耳目…。」 馮汝琪,浙江省桐鄉縣人,清朝政治人物,進士出身。光緒三十年,會試第163名;殿試登進士三甲81名。光緒三十四年,升任法部編置司郎中。


《信手拈來》序及圖式 清光緒二十七年(1901年) 馮氏德聚堂刻本

紀梓楨的《七巧補遺文物合編》於民國十九年(1930年)出版,字圖部分幾乎全采錄《七襄新譜》內容。

連仰山的《中英字母七巧圖》初版於民國二十年(1931年)由商務印書館印刊 ,民國二十二年(1933年)印第一版。


《中英字母七巧圖》連仰山 自序


《中英字母七巧圖》圖形 連仰山 民國二十二年(1933年)第一版

周柏的《奇巧圖說》祇存一抄本,現藏上海圖書館,似未曾刊刻,抄本看來工整,可能是抄稿,甚至是原稿。


《益智圖》上卷–巢睫山人小影


《益智圖》– 十五巧板


《益智圖》序 – 廣陵沁庵氏


《益智圖》自序 – 巢睫山人

光緒十六年庚寅(1890年)《睫巢鏡影》有秦敬樹的〈秦跋〉對《益智圖》作出評價。得友之肋,解讀如下:

「睫巢主人静者也,静者心多玅(妙),曩見所刊《益智圖》固已心折。玄春始獲識荊予武林,承以近著鏡影數種見示, 樹受而讀之,其靜觀談快,如啖哀梨詩鐘,則雲機月杼,自出新意,視吾儕百衲琴之作,直土梗矣。回文酒令,諸搆(構)鈎心鬥角, 巧佯化工益,知君遊心於彼,合氣於漠漢,風塵鞅掌中而瞓昧然,無不静者也。區區塵網奚足縳之哉。光緒庚寅天孫渡河夕林屋秦敬樹謹識」


《睫巢鏡影》秦跋 光緒十六年庚寅(1890年)

光緒十一年乙酉(1885年)又出版了《益智續圖》和童叶庚夫人祝梅君的《益智字圖》,光緒十六年庚寅(1890年) 他又出版《益智燕几圖》和解答書《益智燕几圖副本》。隨後於光緒十八年壬辰(1892年)童叶庚又出版了一本《益智圖千字文》, 用十五巧板拼出南朝梁(502年–557年)周興嗣所作的一首長韻文經典認識入門書《千字文》的一千個字。

十五巧板不僅流傳於民間,是學者和孩子們的遊戲,也流傳到宮廷,朝內皇室成員也鍾愛十五巧板。 美國傳敎士教師艾薩克.泰勒.海德蘭(Issac Taylor Headland,1859–1942年)曾寫道:「它是兒童的玩具, 是成年人的益智遊戲,但是它被所有階層使用,從皇太后公主到普通人家裏的小男孩和小女孩。」

恭親王(1833-1898年),道光皇帝(1821-1850年在位)的第六子,1861年至1884年負責中國的外交事務。 恭親王是一個《益智圖》愛好者,擁有一套小、完美成型的象牙製品,裝在帶滑動蓋的黃銅盒中。 1893年,恭親王還在童叶庚的《益智圖千字文》題上「操觚新格」字並寫「大清光緒十九年歲癸巳夏六月題, 巢睫散人創製益智圖千字文卷首。
朗潤園主人恭親王」。


《益智圖千字文》– 恭親王的題字「操觚新格」

童叶庚在他的《益智圖千字文》跋中講述了一段有趣的故事:

  去秋以《益智圖》撫陰騭文。有客昂然來,見之曰:「子能撫千字文乎?」余謝不能。客莞然曰: 「子之圖限以十五片。字之體盈千而不同。有二三筆者,有二三十筆者。畫少則圖版嫌多,將如何消納之?筆畫多, 則圖版嫌少,將如何假借之?舉凡一波三折之勢,於盡求之圓規方矩之中,不綦難乎?我固知子不能也。」今夏遁暑, 不忘客言。玩索圖版,試為摹擬。穆然而思,豁然而通,斐然而成。或從真,取其端重;或從行,取其流利;或從草, 取其奇妙。字合千文,書分三體,歷半載而脫藳(稿)。客跫然復來。出書示之,就展閱畢,目眩然而不瞚,舌撟然而不下。 既而幡然曰:「子真智者!益我多矣!六書一道,自蔡中郎飛白之後,未嘗見一奇構。今得是格,令人耳目一新! 使後來掭觚家舉一反三則千變者,何難萬變!將視斯圖為右軍之筆陣矣。」余赧然曰:「獎許過情,何敢當哉。閒居作此, 自樂其樂,雖經千慮,得失自知。其中不愜意者尚多。倘天假之年,或能改削完善,當就有道而正焉。」客色然而喜, 蹶然而興,飄然而去。
光緒壬辰歲嘉平月  巢睫散人自識


《益字圖千字文》跋 – 巢睫散人

中國末代皇帝溥儀(1906–1967)幼年時在紫禁城也玩過益智圖。他這套十五塊益智圖被拼成正方形置放在一個方盒中, 盒蓋上刻有「益智圖」字,保存在故宫博物院內。


益智圖 – 故宮博物院藏


《益智圖》


《益智續圖》


《益智燕几圖》


《益智燕几圖副本》 商務印書館 1933年國難後第一版


《益智燕几圖副本》跋 – 祝梅君


《益智字圖》 – 祝梅君


《益字圖千字文》


《益智圖千字文》及《智永真書千字文》節字對比


廣告:益智圖千字文商務印書館發行 東方雜誌 第十六卷 第一號 (1919年)


「天然巧合」 吳友如 (1892年)

嘉慶二十一年丙子(1816年)清奉新趙敬襄的《趙太史竹岡齋九種》–《 竹岡雜綴續 》第四十九頁的 〈七巧圖序〉就論述七巧圖與中國古數學、西方數學對圖形分割和組合之義。


《趙太史竹岡齋九種》–《 竹岡雜綴續 》第四十九頁的〈七巧圖序〉 (1816年)

同治六年丁卯(1867年)《古藤書屋詩鈔 》的《錦江集》中有詩〈題七巧圖〉詠七巧圖。


〈題七巧圖〉 《古藤書屋詩鈔》– 錦江集 同治六年丁卯 (1867年)

光緒二年丙子(1876年)《餘墨偶談》卷七續集的〈七巧圖〉 對七巧圖歷史和拼七巧圖之妙有所描述,謂「故雖小道,亦有可觀」。


《餘墨偶談》卷七續集的〈七巧圖〉光緒二年丙子(1876年)

光緒二年丙子(1876年)《 荻芬書屋文稾 》〈詩情畫意册序〉序 第四十頁闡述巢睫山人的益智圖之來,乃由七巧圖之七數, 因易經之理,擴為十五而成。云:「巢睫山人廣七巧圖之七為十有五,命所著書日益智圖。跡其巧思綺合,宛轉關生, 有左右逢原之妙,顧或比附其數,挺諸太極兩儀,四象八卦,以張之僕,謂載籍以來,類此者甚夥。」


「詩情畫意册序」《 荻芬書屋文稾 》序 第四十頁(1876年)

1960年在中國新疆吐鲁番的阿斯塔那古墓群中的唐代古墓中出土了古畫〈伏羲女媧圖〉,後來有人用兩副七巧板拼成〈伏羲女媧圖〉七巧版。


圖左是古畫〈伏羲女媧圖〉,圖右是由兩副七巧板拼成的〈伏羲女媧圖〉

下面是用十五巧板拼出來的圖形,大家可以試試找出拼法。



歐洲最早出版的七巧圖書籍是1805年的《新的中國兒童益智遊戲(Neues chinesisches Rätselspiel für kinder)》, 隨後在1818年美國、德國、英國、法國、意大利、奧地利也有書籍陸續出版。意大利的遊戲書籍說 「在中國這遊戲稱之謎解副刊(Al gioco cinese chiamato il rompicapo appendice)」裏介紹七巧板這遊戲和玩法, 並及中國歷史,謂「真是不那麽野蠻(which is really not so barbaric)」,在中國任何地方都有人玩這遊戲 (見《七巧板中國古代形狀遊戲(Tangram The Ancient Chinese Shapes Game) 》 約斯特.埃爾弗斯 (Joost Elffers)著, R.J. 哈林岱爾(R. J. Hollingdale) 譯 ,Penguin Books 1976 p13, p16)。歐洲出版過有關七巧板的論文,例如, 1818年萊比錫(Leipzig )《工業畫報(Magazin für Industrie) 》刊登過一篇圖文並茂的文章和一篇數學論文 〈歐幾里德幾何的新數學證明,能給青年清晰和熟悉的觀念,沒有其數學工具能像這被一般稱為中國謎戲的三角形板塊那麽好 (New Mathematical Demonstrations of Euclid rendered clear and familiar to the minds of youth, with no other mathematical instruments than the triangular pieces, commonly called the Chinese Puzzle)〉。 1817年一位教師W.威廉姆斯(W. Williams)就用七巧板作為教具,解答了一系列幾何問題。

七巧板之流行於歐美,是基於翻譯《七巧圖合璧》和其後出版的七巧圖書籍。初時歐美抄錄中國書內的圖形,由於對中國圖形不甚理解, 往往錯誤照抄,也删掉了文字說明;隨後創作英文字母、阿拉伯數字和一些新的圖形,這也就擴大了七巧遊戲的領域。 1815年,船長M.唐納森(M. Donaldson)將這些謎題和桑下客的《七巧圖合璧》和解答的書籍帶到美國,七巧圖也就在美國流行起來, 在美國出版的 《時尚中國謎題(Fashionable Chinese Puzzle)》 就是一個例子,是《七巧圖合壁》的抄本。


《時尚中國謎題》


在美國和英國售賣七巧板和書的廣告

1820年法國出版了一本與當時的遊戲書完全不一樣的《法國新拼板遊戲(Neuveau Casse-tête français)》, 不僅圖形新穎,並且還在圖形上添加色彩,使得那些圖形看來就像一幅活潑生動的畫。


《法國新拼板遊戲》其中一頁


早期意大利書《新中國遊戲)》弗蘭澤特(Franzetti)1817年

在十九世紀下半葉以前,法國、德國及荷蘭都以七巧板作為一種純粹的拼圖遊戲,大約到了1860年,七巧板遊戲漸成了主導, 也被改成今天的板塊狀形式。1818年這遊戲還是以書本的形式來介紹,現在已是將板塊放在盒子裏,圖和解說就印在卡片上出售。


七巧板是家庭趣味解題遊戲 – 1820年

到了十九世紀末和二十世紀初,兩位遊戲專家也是七巧板狅熱愛好者把他們的全部精力都投入於對這遊戲的探索: 有1903年山姆.洛伊德(Sam Loyd)的書《唐第八卷書之第一部(The Eighth Book of Tan Part I)》和亨利.歐內斯特.杜德尼 (Henry Ernest Dudeney)在《河濱雜誌(The Strand Magazine)》1908年11月號卷 XXXVI (No.215 p581–p585) 的謎題專欄文章〈七巧板的故事(Tales with Tangrams)〉。洛伊德為七巧圖提供了許多自創的新圖形,在《唐第八卷書之第一部》 他提到中國人李洪章(Li Hung Chang)曾說過:「孔子創造很多有關七巧板的典故,七巧板是兒童認物認形,青年們鍛練智慧, 成年人學習數學,藝術家獲得設計,詩人啟發靈感,讓人明智思考過去、現在和未來的遊戲。」


洛伊德《唐第八卷書之第一部》


洛伊德《唐第八卷書之第一部》其中一頁


洛伊德的《七巧圖(The Tangram Book)》斯坎頓公司(Scanton Life Ins. Co.) 1917


杜德尼在《河濱雜誌》的文章

近年在這方面出版的書籍,直接或間接都依靠洛伊德和杜德尼的工作。當多佛出版公司( Dover Publications Inc.) 於1968年出版洛伊德的《唐第八卷書之第一部》書後,英國《數學公報(The Mathematical Gazette)》 ( Volume 54 Issue 387 February 1970 p80) 也把這書介紹給教師們。


《唐第八卷書之第一部》 1969年1月1日版


《數學公報》介紹伊洛德的《唐第八卷書之第一部》

洛伊德在書中也提出一個七巧板創於四千年前之說,七巧圖用金字書寫在羊皮紙(printed in gold-leaf upon parchment)上。 在《唐第八卷書之第一部》出版後,一躍而成為謎題界的經典之作,連杜德尼也以為洛伊德的「四千年說」為真, 以至在他的文章和出版的書中經常提及,例如上面介紹的雜誌、《數學娛樂(Amusements in Mathematics)》和 《老式具挑戰性謎題(Good Old Fashioned Challenging Puzzles)》。如此再經過杜德尼這專家宣傳, 就使得洛伊德的「四千年說」人皆盡知,連美國著名謎題專家馬丁.加納德也在他的《第二輯數學謎題 (The Second Book of Mathematical Puzzles and Diversion)》( p210–p214) 一篇文章〈機械拼圖(Mechanical Puzzles)〉 說七巧板是幾千年來的一款東方消遺玩意。


《第二輯數學謎題》書中〈機械拼圖〉章( p210–p214)

看來「四千年說」似是定論,但近來己有所改變。先是羅納德. C.里德(Ronald C. Reed) 在他的書 《七巧板330拼圖(Tangrams 330 Puzzles)》 中指出「在公元前2000年,中國人還處於文學成就主要是以粗糙象形文字刻於龜甲上的階段, 他們甚至沒有進步到可以在細竹條上書寫 - 例如,像儒家經典最初的記錄方式(大約公元前500年) (In 2000 B.C. the Chinese were still at the stage in which their literary achievements mainly consisted of crude pictographs scratched on tortoise shells; they had certainly not progressed even to writing on thin strips of bamboo - the way in which Confucian classics, for example, were originally recorded (around 500 B.C.))」。 當然里德的說法是正確的。大家想想,從幾千年前至今的中國是把文字刻寫在銅器、龜甲、竹簡、木册、絹帛和紙上, 根本沒有以羊皮紙金字的書籍。加納德在《科學》(Scientific American August 1974 Vol231 No.2 p98–p103B) 專欄中收回「七巧板是幾千年來的一款東方消遺玩意」的說法(In this department for September, 1959, I called tangrams the oldest of dissection games and said that the Chinese had been amusing themselves with it for several thousand years. This is totally wrong.), 杜德尼的「四千年說」是純粹自製的傳說。加納德這篇文章也收錄在他的《時間旅行和其他數學困惑 (Time Travel and Other Mathematical Bewilderments)》書中。


《科學美國人》1974年8月號

劉易斯.卡羅爾(Lewis Carroll) 在自己的藏書中也有一本書《時尚中國謎題(The Fashionable Chinese Puzzle)》, 也與費城版的七巧板書相似。英國遊戲專家杜德尼後來知悉這書,認為七巧板是拿破倫(Napoleon)在被放逐聖赫勒拿 (St Helena)時每天花幾小時來鍛練耐性和腦力的遊戲。費城版書本內都有這述說,但並不表示這真有其事, 因為拿破倫在他的自傳中只提及他在流放時興趣於桌球、棋和翻轉棋( reversi 或黑白棋),沒有說到拼七巧圖。 雖然如此,我們不能否定拿破倫有玩七巧圖。

七巧圖傳到歐美國家後都受到重視。《美國教育雜誌(The American Journal of Education)》1859年3月–6月號卷VI No. XVI–No.XVII p.452 的文章認為七巧板可作為幾何教育的教具,推薦給四歲至十二歲的兒童,先從簡單幾塊三角板續步增加至全部七巧板塊,依著七巧圖形, 拼出解答,訓練兒童的觀察、分析和圖形切割能力。


《美國教育雜誌》1859年 3月–6月號 VolVI_NoXVI - NoXVII p452

美國雜誌《伊利諾伊州教師(Illinois Teacher )》(編輯S. A. Briggs, 芝加哥Chicago)1864年8月號卷10的一篇文章對 「Tangram」這詞作闡釋,並介紹七巧圖。


《伊利諾伊州教師》1864年8月號卷10


《弗里曼雜誌(Freeman's Journal)》 19 June 1817 中推銷七巧板的廣告

大約在1818年當精美的七巧板拼圖傳到丹麥和兩本有關書籍的出版後,七巧板遊戲也就流行起來。 一名哥本哈根大學的學生寫了一本關於中國遊戲的歷史和流行的書,人們對這七巧圖謎題的興趣猛增。 另一本書《新中國遊戲(Det nye chinesiske Gaadespil)》包含《唐第八卷書之第一部》書中的339個七巧圖形, 也有助於七巧板在丹麥的普及。

在德國,七巧板的流行較晚一點,主要是翻譯中國傳入的《七巧圖合璧》。1981年工業家弗雷德克.阿道夫.里希特(Friedrich Adolf Richter) 給德國民眾介紹七巧板,他稱這遊戲「錨拼圖(Anchor Puzzle)」,人們用石或陶來製造七巧板。


《柏林報紙(Berlinische Zeitung)》1822年 七巧圖廣告

益智圖發明以後,風靡一時,不僅在十九世紀末傳到海外,還出版了相關書籍,當時被稱為「十五塊魔術積木(fifteen magic blocks)」。 人們認為用這些「積木」不僅可以拼出各種器物、用品、人物,它也可作為幾何教育的輔助教具。

1901年伊薩克.泰勒.海德蘭(Issac Taylor Headland)著的《中國男孩和女孩(The Chinese boy and girl)》書中有一章節 〈積木遊戲 – 幼稚園(Block games - Kindergarten)〉講述作者和一位在玩十五巧板的學童的互動, 他拼出很多與中國文學有關的事件和人物的益智圖形,夾在文字間,篇排得很特別。


《中國男孩和女孩》書封面和〈積木遊戲 – 幼稚園〉章節部分


清少納言智慧板


清少納言智慧板的圖形切割法

大家可以用紙板按上圖的切割法或摺紙,做出一副清少納言智慧板來玩。

下面是清少納言智慧板圖形例子,請用自己做的清少納言智慧板拼出解答:



《雜藝叢書》(日本大正 4年二月 1915年)的〈清少納言智惠の板序〉中寫道︰「記清少納言,見古書,多見富於智慧,使人心愉快之事, 其中,有命名為智慧之板,表現圖之智慧卷(清少納言の記せる古き書を見侍るに、智ふかくして人の心目をよろこばしむること多し、 其中に智恵の板と名づけ、圖をあらはせるひとつの巻あり)」,下款題「寛保二年戌八月 含靈軒述」,所以大家就認為是含靈軒所著。


《清少納言智惠の板》序(手寫) – 含靈軒


《雜藝叢書》–〈清少納言智惠の板序〉

日本數學家平山諦(Akira Hirayama)在他的著作《東西數學物語》亦寫道:

  寛保2年(1742年) 有一個以「含靈軒」的匿名寫了一本小册子,書中說:「記清少納言,見古書,多見富於智慧,使人心愉快之事, 其中,有命名為智慧之板,表現圖之智慧卷,當閱讀此書時,幼稚兒女,因智之深淺,自然取萬物之形,作各種器物之圖,確為微妙也。 雖則,其圖為往昔之器物之形,又為靈上御持之物,故今日之兒女不知其心,故,重新複製其圖之器物,記其近似之形。」 (見《東西數學物語》平山諦著 代欽譯 上海教育出版社 2005, 恒星社昭和53年增補2版 p202)。

不過平山諦認為《 清少納言智慧板》的真正作者是環中仙( Kanchusen)。 環中仙生殁不詳,是活躍於享保年間的人士,而且當時以環中仙、 多賀谷環中仙(Tagaya Kanchusen)、環中仙元陳(Kanchusen Genchen )和 環中仙伊三(Kanchusen Isan) 不同名義,著作多本數學書, 因此平山諦有這種推測。

這些著作內容涉及數學、數學遊戲和魔術等範疇:

《初心算法早傳授》上、下、加 – 共3卷 環中仙撰 享保11年正月(1726年)


《初心計算法早傳授》卷上

《和國智惠較》(或《和國智惠角力》或《和國智惠角方》) 2 卷 環中仙撰(享保 12 年,1727 年)


《和國智惠較》

《珍術さんげ袋》2卷 環中仙い三撰 享保10 年左右(1725年)


《珍術さんげ袋》序 環中仙い三

《続さんげ袋》 2 卷 多賀谷環中仙撰 明和元年(1764年)11月

《唐士秘事海》 2 卷 多賀谷環中仙撰 享保18年(1733年)


《唐士秘事海》序 多賀谷環中仙

《璣訓蒙鑑草》3卷 多賀谷環中仙撰 享保15年(1730年)


《璣訓蒙鑑草》序 環中仙

下圖是《璣訓蒙鑑草》梅卷末尾的廣告,有兩頁,可見環中仙的書大部分都是含靈軒出版的。平山諦認為是因為被環中仙選中, 才以含靈軒的名義出版的。它缺乏決定性因素,但似乎很有可能。


《璣訓蒙鑑草》 – 梅卷末載含靈軒發行書刊目錄廣告 享保15年(1730年)

寬保三年癸亥(1743年)中根彥循的《勘者御伽雙紙》,是本數學遊戲書。


《勘者御伽雙紙》序

《勘者御伽雙紙》卷上第十八章〈裁合物の事〉有一個圖形分割和重組問題:豎劍將一個1:2的長方形分割成6塊, 可重組出正方形、三角形、梯形和其他形狀。其中的鱗片形狀、袴腰(腰板)和拔釘器在名稱和形狀上與 《清少納言智惠の板》書中的名稱和形狀非常相似。


《勘者御伽雙紙》第十八章〈裁合物の事〉


《勘者御伽雙紙》〈裁合物の事〉章的圖形分割組合問題

在那時期,將圖形分割重組,是數學遊戲內容之一。

清少納言智慧板拼出正方形的方法有二,也可拼出中空的正方形(釘貫),這與七巧板只能拼出一個正方形和不能拼出中空的正方形不同之處。 另外題為「鱗形」中空直角等腰三角形,原書繪畫完美,但在實際嘗試時,底部中央有突出部分。有關類似錯誤情況的圖形也不少, 例如問題中的「蓮花」圖,實際組合時花與萼並不貼合,不像書中給出的解答那般完整接合,細微處被忽略了; 「神鏡」在問題中是八角形而在解答是六角形,且鏡柄也較長;還有「鴛鴦」的臉型在問題和解答裏是不同的。




圖「蓮花」、「神鏡」、「鴛鴦」和解答

從一些文獻記載中,可以了解到清少納言智慧板在被發明後,也成了當時民間婦女和兒童們的流行玩具。

在齋藤幸成的《武江年表》記錄了延享年間(1744年–1747年)的事,「智慧板 – 即使是現在,它也是一個供孩子們玩耍的板子。 (智惠筏(ちゑいかだ) – 今も子供のもて遊ぷちゑの板なり)」平山諦:「智慧笩,今日之兒童遊戲,為七巧板也。」 (見《東西數學物語》 平山諦 代欽譯上海教育出版社 2005, 恒星社昭和53年增補2版)




《武江年表》

明治41年(1908年)的《古事類苑》(1262頁)亦有清少納言智慧板是兒童玩具,也是作為禮物送給兒子的記載。 在「智惠板」節有兩段引自《大江俊矩記》和《武江年表五》的記述:

《大江俊矩記》記述1804年時有一個人將智慧板作為新年禮物送給兒子。

  《大江俊矩記》享和四年(文化元年,1804年)正月六日丙申,美濃屋伊介,年玉絹糸一包、子供兩人へ手遊、智惠板一箱、將棊盤一箱。

(享和四年(文化元年,1804年)正月六日丙申,美濃屋伊介,將新年禮物絹系一包、智慧板一箱、將棋一箱,給兩個兒子玩。)

《武江年表五》記載延享二年江戶流行俳句集《時津風》和智惠板。

  《武江年表五》此年間(延享)記事 – 延享二年の 春,江戶の流行物を集めたる句集あり、時津風と題す、時々 庵門人反故齋果然といへる人の編也,畫は寄合書きなリ其內を撰て目次のみを左にゑるす、中略。 智惠笩(ちゑいかだ) – 今も子供のもて遊ぷちゑの板なり。

(記此年(延享)之事 – 延享二年春,曾有過江戶流行事物俳句集,題目為《時津風》, 時時庵門人名叫反故齋果然的人所編寫,撰寫者僅寫出目錄放在左側。智慧板,即使是現在, 也是一個供孩子們玩耍的板子。)


《古事類苑》(1262頁)


《俳諧時津風》 – 圖取自〈清少納言知惠の板〉《數學史研究》1999年7–9月

在那之後,似乎在明治時代臨近之前一直享受著的「清少納言智慧板」,它似乎也在明治時代繼續存在, 這是因為它也出現在樋口一葉於明治28年(1895年)12月寫的小說〈青梅竹馬(たけくらべ)〉中:

「他要是不来,我也不高興先玩幻燈了。伯母,你們鋪子裡有智慧板賣没有?老虎棋也行,甚麽都行,老閑着真無聊!」美登利說。
(彼の人が来なければ幻燈をはじめるのも嫌、伯母さん此處の家に智慧の板は賣りませぬか、 十六武蔵でも何でもよい、手が閑で困ると美登利の淋しがれば)


《一葉全集》 樋口一葉〈青梅竹馬〉5章(明治28年)

昭和3年2月(1928年)浪速叢書第五的《攝陽奇觀(五)》 卷42謂先前是以清少納言智慧板拼出人物花鳥器財等, 到寛政年間(1789年–1800年)就用新製作的十九枚智慧板來拼出圖形。下圖是《攝陽奇観(五)》 卷42第59頁, 是清少納言智慧板和38個圖形解答,大部分與《清少納言智慧板》相同,但有些在名稱上有變化, 形狀或組裝方式也不一樣。第60頁是當時新發明的十九枚智慧板。 


《攝陽奇觀(五)》 卷42 p59–60


十九枚智慧板圖形


十九枚智慧板 – 《智恵乃いた (ちえのいた)》 新日本古典籍總合データベース

江戶時代後期(約1780年),浮世繪師喜多川歌麿(Kitagawa Utamaro)的畫作〈角玉屋内 誰袖 きくの しめの〉描繪了兩位女士在玩拼板圖, 細看之下,似乎是玩十九枚智慧板,這說明智慧板在當時是十分流行的。


喜多川歌麿的畫作〈角玉屋内 誰袖 きくの しめの〉

中國的七巧板在1800年代傳到歐美,也同樣傳到日本。就如前文所述,日本數學家平山諦說:「我手頭的最早文獻是於嘉慶8年(1803年) 出版的《七巧圖合璧》」。當時有關七巧圖的書籍不斷傳到日本重刻收藏。

我找到最早傳入日本的七巧圖書是碧梧居士的《七巧圖合璧》(電子版)嘉慶十八年(1813年)癸酉新鐫巒翠居藏板, 由積書堂梓刻印,天保十年己亥(1839年)發行。在桑下客序之後,有睡道人序謂:「本邦有智慧板之戲,憶余童穉時, 嘗置為弄具,近日購得舶來檀几,其形略與此相類,始知彼邦亦有此戲,而未知其名。前川秋香適扺自崎陽,舉而問之, 始知名呼「七巧板」,然未知其有定式也。秋香歸後,手寫此圖以贈余,余試之,錯綜排列轉移變化,愈出愈奇,視之余幼時所弄者, 殊覺雅觀可愛,因示之社友。」

明治十六年癸未(1883年)芳文閣亦有刻印《七巧圖合璧》,此刊本缺〈睡道人序〉。


〈睡道人序〉–《七巧圖合璧》

其後清光緒四年戊寅(1878年)重刻同治元年(1862年)版童叶庚《益智圖》上、下卷,商務印書館民國六年丁巳(1917年) 重印光緒十五年己丑(1889年)版童叶庚《益智燕几圖》、《益智燕几圖副本》(即《益智燕几圖》解答)、 光緒四年戊寅(1878年)版童叶庚《益智圖》上、下卷、光緒六年庚辰(1880年)版童昶、童昂、童晏《益智續圖》上、下卷, 民國七年戊午(1918年)重印光緒二十四年戊戌(1898年)版《益智圖千字文》八册等書籍,都傳到日本。

七巧板傳到日本後,也在兒童婦女間流行起來,受到教育界的重視,亦有人重編有關七巧圖的書籍,亦有在編寫遊戲書籍時, 將七巧板與清少納言智慧板、十九枚智慧板一同收納書中。

明治28年2月(1895年)寸舟漁史編奥沢信行發行的《教育遊戯七巧板》,是本七巧圖書籍,繪列的七巧圖形多取自《七巧圖合璧》, 未附解答,以待玩者尋找。捉雲道人的〈序〉中云:「兒童之ラ學業ノ餘暇ニ玩ンカ其開智通理。」


〈序〉捉雲道人 – 《教育遊戯七巧板》


《教育遊戯七巧板》

七巧板是分割組合玩具,有教育的意義。明治18年乙酉(1885年)飯島半十郎編纂了《幼稚智恵のみちひき》兩卷, 上卷對七巧板的製作和幾何特性作詳細分析,並分類繪列圖形,有幾何圖形、魚獸、諸鳥、器具、家屋橋樑、船艦、 人物、數字和英文字母圖形;下卷是圖形的解答。《幼稚智恵のみちひき》一書也收錄在昭和52年(1977年) 《明治保育文獻集》第四卷中。


《幼稚智恵のみちひき》上卷–序和圖式


《幼稚智恵のみちひき》上卷(左)、下卷(右)

松浦政泰在明治40年(1907年)出版的《世界遊戲法大全》都有介紹七板的歷史和中國、西方的圖形,七巧板除了是玩具外, 也可作為數學敎育的輔助教具。


七巧板 – 《世界遊戲法大全》 松浦政泰 明治40年(1907年)


(左)十九枚智慧板和(右)益智圖(十五巧板) – 《世界遊戲法大全》 松浦政泰 明治40年(1907年)

昭和4年(1929年)藤五代策著東京培風館發行的《學校家庭手技及手工教材》第55至58頁〈板排〉和〈智慧板排〉 兩章節分別介紹「七巧板」和「清少納言智慧板」,亦繪列出幾款圖形。


〈板排〉和〈智慧板排〉–《學校家庭手技及手工教材》

2 + 股2 = 弦2


勾股定理

大家都知道七巧板成於四方形,也認識到如何拼出長方形和三角形,但「用一副七巧板能拼出多少個凸多邊形呢?」 這個數學問題由一位日本數學家於1930–40年代提出,中國浙江大學兩位學生王福春和熊全治(譯音)[2] (Fu Traing Wang and Chuan-Chih Hsiung)於1942年用一個十分創新的方法,將這個幾何問題,用代數方法來解決。 他們的〈關於七巧板的一個定理(A Theorem on the Tangram)〉的證明文章刊於《美國數學月刊(The American Mathematical Monthly) 》 1942年第49卷第9號十一月刊第596–599頁,也收錄在《熊全治數學文選集(Selected Papers of Chuan-Chih Hsiung)》書 中( 世界科學( World Scientific )出版 2001 第10–13頁)。著名的美國數學遊戲專家馬丁.加德納(Martin Gardner) 就稱讚他們的證明方法是有獨創性的。(見加德納的文章〈Concerning mechanical puzzles and how an enthusiast has collected 2000 of them〉–《科學美國人(Scientific American)》 1959年9月號 第238頁:「 Two mathematicians at the National University of Chekiang - Fu Traing Wang and Chuan-Chih Hsiung published a paper in 1942 on just this problem. Their approach was ingenious.」)


《科學美國人》 1959年9月號 第238頁

在討論王福春和熊全治的「關於七巧板的一個定理」的證明前,先要對七巧圖的分類有些少認識。

七巧圖中的各組塊只通過頂點與頂點或頂點與 邊相連接起來的,稱為非常規的七巧圖(Improper tangram)。 七巧圖中的各組塊是由 邊與邊相連接起來的, 稱為常規的七巧圖(Proper tangram)。拼成的圖形最多有23邊。


〈More on tangrams〉–《美國科學人》1974年9月號 p187–p191


非常規七巧圖(左),常規七巧圖(右),各有23邊

常規七巧圖中,有些是各組塊是經由有理邊(圖中小三角形的二邊為有理邊)與有理邊相連接、無理邊(圖中小三角形的斜邊是無理邊) 與無理邊相連接起來,且每條邊的邊段都要吻合相接,而且圖中無洞,羅納德.C.里德(Ronald C. Read) 稱之為正規七巧圖 (Regular tangram,里德稱之Snug tangram,見里德的書《Tangrams 330 Puzzles》)。


(左)七塊七巧板塊,(右) 正規七巧圖 – 有18條邊的小狗

一個平面閉合的圖形,如果在圖形內的任意兩點連成一直線而線上每一點都在圖形內,便是凸圖形;而在七巧圖上,只要圖上每一角都少於180° ,便是凸多邊形(Convex polygon)。


(左)凹圖形;(右)凸多邊形

這〈關於七巧板的一個定理〉文章裏的定理為︰

      七巧板能做出的凸多邊形只有13個。

王福春和熊全治將七巧板看成由十六個小的等腰三角形構成,稱基本三角形,為方便證明起見,邊和斜邊分別稱為有理邊和無理邊, 然後證明多邊形的邊數不大於8,再討論凸多邊形可看成是內接於某矩形的情況,找出20個凸多邊形,其中只有13個是能用七巧板做出來。 在王福春和熊全治提出的文章證明中,沒有輔以圖形來說明。


七巧板和16個基本三角形

在他們證明這定理前,先證明下述的引理:

(i)  若16個基本三角形組合成一個凸多邊形,則任一基本三角形的有理邊不會和另一基本三角形的無理邊重合。

(ii)  由16個基本三角形組成的凸多邊形,其每條邊要麽全是由基本三角形的有理邊組成,要麽全是由基本三角形的無理邊組成。 此外,如果把由基本三角形的有理邊組成的邊叫做凸多邊形的有理邊;把由基本三角形的無理邊組成的邊叫做凸多邊形的無理邊, 則一般而言,凸多邊形的有理邊和無理邊是交替出現的。只當凸多邊形的某個角是直角這種特殊情況下, 這個角的相鄰兩邊才要麽都是有理邊,要麽都是無理邊。

(iii)  由16個基本三角形組的凸多邊形,其邊數不超過8。

設凸多邊形的邊數是 n ,則其內角和是    (n - 2) π
因為由基本三角形合成的凸多邊形的內角,只能是    π/4,π/2 和 3π/4 ,所以
   (n - 2) π ≤ (3π/4) n
因而    n ≤ 8

(iv)  如果16個基本三角形組成一凸多邊形,則該凸多邊形可內接於一個矩形,且該凸多邊形的所有有理邊或者所有無理邊就是該矩形的邊。

最後是證明定理。


我們可先假設這凸多邊形是個八邊形,由引理(ii)和引理(iv),這八邊形ABCDEFGH內接於矩形PQRS,其所有有理邊BC、DE、FG、HA 在矩形的邊 PQ、QR、RS、SP上。在AB、CD、EF、GH 邊上由 a、b、c、d 個基本三角形的無理邊做成;PQ 和QR 邊長分別與 x 和 y 個基本三角形的有理邊長一樣。

七巧板的面積是8 (因為基本三角形面積是1/2)。

於是有       1/2 a2 + 1/2 b2 + 1/2 c2 + 1/2 d2 = xy - 8
即       a2 + b2 + c2 + d2 = 2xy - 16

此外還有以下限制條件:

      a + b ≤ x , c + d ≤ x , a + d ≤ y , b + c ≤ y

然後找出適合這些條件的 a、b、c、d、x、y 的整數值。

大家可以參考王福春和熊全治〈關於七巧板的一個定理〉的證明,或參閱吳鶴齡著的《七巧板、九連環和華容道 – 中國古典智力遊戲三絕》一書, 在此就不詳述了。

王福春和熊全治總結這16個基本三角形可能做出的凸多邊形解答如下:


a、b、c、d、x、y 的整數值

表中所列而註有 * 的凸多邊形是不能用16基本三角形合成的七巧板做出來的,而其餘的13個就是可以由七巧板拼成的凸多邊形, 其中包括四個6邊形、兩個5邊形、六個4邊形和一個三角形,而每款凸多邊形可以有多於一種拼法。大家當然希望論文作者能夠給出這些圖形, 但很遺憾的是沒有。作者在文中說道:「但篇幅不允許把他們包括進來(but space does not permit their inclusion here )。」


〈關於七巧板的一個定理 〉–《美國數學月刊 》1942年十一月

現在依據上面表列的數值,給出這13個凸多邊形如下,圖中括號內的數字是( x y : a b c d)之值。


能用七巧板拼成的13個凸多邊形

不能用七巧板拼出的凸多邊形如下:


不能用七巧板拼出的凸多邊形

用一副七巧板拼出的圖形的邊數目是多少呢?那麽用七巧板能拼出多少個五邊形呢?這兩個問題由數學家哈里.林德格倫(Harry Lindgren) 於1968年在休閒數學雜誌 7 月號 (The Journal of Recreational Mathematics July 1968)的文章〈七巧板(Tangram)〉 中提出。邊數問題,七個七巧板塊總共有23條邊,所以正規或非正規七巧圖形邊數不超過23。至於正規七巧圖的邊數, 我們先定義「邊段(side segment)」(或「基礎邊」),即基本三角形的邊,如此七巧板中的小三角形、 正方形和平行四形的邊數和邊段數是一樣的;而中三角形和大三角形的邊數和邊段數就不一樣,中三角形和大三角形的邊段數分別是4 和6 。 一個七巧板組成的圖的邊段數就是它的邊由於正規連接而可能被劃分為若干段的段數。在拼組正規七巧圖的過程中,每當把2 個板塊連接時, 至少總有2 條邊段會被封閉在圖形內而不會出現在圖的周邊上。拼組正規七巧圖時,有6 次連接,即是至少有12條邊段不會出現在圖的周邊上, 而七塊板塊共30 條邊段,就算是正規七巧圖的邊全是由邊段組成,我們可以得到結論:正規七巧圖的邊數最多是18(上面小狗圖)。

三角形和四邊形都一定是凸多邊形,但五邊形就不一定了。馬丁.加德納在《科學美國人》1974年9號 「數學遊戲 」 專欄首次披露了德里解決五邊形這個問題的方法和18個五邊形的結果,其中包括兩個凸五邊形、16個非凸五邊形, 其中兩個非凸五邊形是非正規(即常規)的(下圖中右下方兩個)。


用七巧板能拼出的18個五邊形

其後多位讀者發現加納德的證明有些缺陷,並給出更多的圖形。1975年,東京的竹內(Dr. I. Takeuchi)博士用電腦程式確認有53個五邊形。 1976年,在沒有留意到竹內的工作下,美國馬薩諸塞州的邁克爾.比勒(Michael Beeler)也用電腦程式得到同樣結果,並把圖形繪出來, 加納德把比勒的結果放到他的《時間旅行和其他數學困惑(Time Travel and Other Mathematical Bewilderments) 》一書的一篇文章內。


用七巧板拼出53個五邊形

至於用清少納言智慧板能拼出多少個凸多邊形的問題,也可用王福春和熊全治的方法,得出可以拼出16個的結論。


用清少納言智慧板可以拼出16個凸多邊形


悖論的例子

下面的圖看來面積相等,但右面兩個卻多了空位。


另一悖論的例子

下面是清少納言智慧板的例子:圖左的一對看似一樣,但右側的圖形包含了一個空心三角形;圖右的一對很像,右側的卻有個三角形突出。


清少納言智慧板悖論例子

後語

七巧板凸多邊形的問題,由兩位中國數學家給出解答和證明,論文和作者名字都以英文寫出,故此中文名只能靠音譯。有人譯為王福純和向全啟, 我就選取王福春和熊全治的譯名。在網上可以找到王福春和熊全治的資料,沒有王福純和向全啟的, 而巧巧的是王福春於1938年至1946年間在浙江大學,熊全治於1936年畢業於浙江大學並留校參與研究工作,於1945年聖誕經印度赴美國。 他們兩人有一段時間在浙江大學共事。另外,有說是一位日本數學家提出這個問題,王福春於1929年至1937年間在日本東北帝國大學作研究, 其間有1930年至1932年應邀回國任教於齊魯大學,而王福春也是位七巧板愛好者。日本的平山諦於1930年畢業於東北帝國大學,曾任中學教師, 1941年在東北帝國大學任講師,1968年退休,是位數學家、和算史研究家,也是數學遊戲專家。會否是王福春從平山諦那裏得知這問題, 而將這問題帶回中國?

另一個有趣的事是中國的七巧板和日本的清少納言智慧板的來源,日本人認為是各自發明的。有關清少納言智慧板的書始於1742年, 到十八世紀七巧圖一類的書籍也傳到日本。日本的清少納言智慧板是婦女們的玩意,有關的書籍卻不多。中國七巧圖書籍大概在1803年出版, 其後七巧板這遊戲在中國大放異彩,有關書籍出版不絕,也是文人作畫作詩的對象,其後還傳到歐洲美國,成為流行遊戲, 並創新不少圖形和出版有關書籍。七巧圖書籍在日本受重視,也多次付梓重刻。

附錄

(一)拼圖解答

用一套七巧板拼出的圖形例子解答





用兩套七巧板拼出的圖形例子解答



用三套七巧板拼出的圖形例子解答



伏羲女媧圖解答



益智圖解答



清少納言智慧板拼出的圖形例子解答



悖論的例子解答



另一悖論的例子解答



清少納言智慧板悖論例子



(二)各類型拼板

材料取自酒見康廣(Yasuhiro Sakemi)的文章〈「数学」におけるシルエットパズル教材の活用 (Effective Use of a Silhouette Puzzle in Teaching Mathematics)〉


正方形型拼板謎


長方形型拼板謎


多角形型拼板謎


曲線形型拼板謎

【註】

[1] 因黄伯思卒于北宋徽宗初年,但《燕几圖》自序中說此書成於紹熙甲寅十二月丙午,即南宋光宗五年(公元1194年), 這並不符邏輯。如紹聖(北宋哲宗年號)誤作紹熙,則紹聖四年起於甲戌,盡於丁丑,其中並無甲寅年。往前算, 甲寅为北宋神宗熙寜七年;往後算,甲寅為南宋高宗紹興二十四年(應為紹興四年),都與黄伯思的生平無關。另外,伯思字長睿, 而《燕几圖》自序末題:「雲林居士黄長睿伯思序」這裏以字為名,以名為字,全部顛倒,難合常理, 也許是南宋人假托伯思大名而撰。然而,作者署名的問題並不影響《燕几圖》在家具史以及圖像文化史上的崇高地位。 見「從神奇的《燕几圖》看宋代的 “智者之變”」
http://www.cncrafts.org/NewsShow.aspx?aid=951)。

〔宋代的幾次甲寅歳:熙寧七年(1074 甲寅)、紹興四年(1134 甲寅)、紹熙五年(1194 甲寅)〕

[2] 因為文章和作者名字都以英文書寫,所以只能音譯王福春和熊全治,亦有譯王福純和向全啓,不過在網上可找到王福春和熊全治的資料, 而且他們在1940年代都在浙江大學;卻沒有關於王福純和向全啓的。

參考資料

(1) 〈七巧板 – 會變化的平面〉–《有趣的數學遊戲》 林苑明譯 銀禾文化事業有限公司 1987年9月 p137–p148
(2) 〈七巧板〉、〈益智圖〉–《遊藝百寶箱》 朱育珉 江更生 湖南文藝出版社 1986年5月 p213–p262
(3) 第七章 〈七巧板之謎〉、第八章〈 益智盤〉–《奇妙數字遊戲》 高木茂男 文人譯 正業書局 民國67年1月(1978)
   p77–p104
(4) 〈千姿百態七巧板〉–《七巧板、九連環和華容道 – 中國古典智力遊戲三絕》 吳鶴齡 科學出版社 2004
(5) 〈雞蛋遊戲(1)〉–《趣味智力遊戲全集》 余超群 武陵出版社 民國73年6月(1984) p117–p133
(6) 〈七巧與十五巧〉–《數學遊戲》 鄭肇楨 商務印書館 1980年9月 p153–p162
(7) 〈七巧與十五巧〉–《數學萬花筒 (1)遊戲篇》 九鼎出版社 民國75年3月(1986) p153–p162
(8) 〈拼板遊戲〉–《數學萬花筒 (3)奇幻篇》 九鼎出版社 民國75年3月(1986) p96–p104
(9) 第4章 第2節 〈七巧板〉–《東西數學物語》 〔日本〕平山諦著 代欽譯 上海教育出版社 p201–p207
(10) 〈清少納言知惠の板〉–《 雜藝叢書》 早川純三郎 國書刊行會 大正4年2月25日 (1915) p84–p.98
https://dl.ndl.go.jp/info:ndljp/pid/945792
(11) 〈清少納言知惠の板とタンダラム〉 高木茂男–《數學史研究》 通卷162號 1999年7–9月 p29–p41
http://www.wasan.jp/sugakusipdf/162.pdf
(12) 〈裁合物の事〉–《勘者御伽雙紙 上卷》 中根彥循著 中根 保之丞 法軸 編 天王寺屋市郎兵衛(京都) 寛保3年(1743)
   p17–p25 ( https://dl.ndl.go.jp/info:ndljp/pid/3511864
(13) 〈複式知恵の板 〉–《世界遊戲法大全》 松浦政泰 博文館 明治40年12月(1907)
   p83–p92 ( https://dl.ndl.go.jp/info:ndljp/pid/860315
(14) 〈「数学」におけるシルエットパズル教材の活用〉酒見康廣 中村學園大學短期大學部 研究紀要 第51號 
   2019年 p221–p225( https://core.ac.uk/download/pdf/234605889.pdf )
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(16) 〈A Theorem on the Tangram〉 Fu Traing Wang and Chuan-Chih Hsiung –《Selected Papers of Chuan-Chih Hsiung》
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(17) 〈A Theorem on the Tangram〉 Fu Traing Wang and Chuan-Chih Hsiung –《The American Mathematical Monthly》 Vol.49 No.9 (Nov., 1942) p596–p599 ( https://ur.booksc.me/book/48712381/ddfc60
(18) 〈Finding all convex tangrams〉 T. G. J. Beelen Eindhoven University of Technology(2017)
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https://cff.helm.lu/downloads/CFF72-Tangrams-Early-History.pdf
(20) 〈Tangrams, Part 1〉, 〈Tangrams, Part 2〉–《Time Travel and Other Mathematical Bewilderments》 Martin Gardner
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http://www.wasan.jp/archive/sitikozu.pdf
(27) 《七巧圖合璧》 碧梧居士 芳文閣 明治癸未版(日本明治十六年)(1883)
https://dl.ndl.go.jp/info:ndljp/pid/854421
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https://kotenseki.nijl.ac.jp/biblio/100238922/viewer/1?ln=en
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https://ia601200.us.archive.org/17/items/chichiaohsinpuch00unse_2/chichiaohsinpuch00unse_2.pdf
(30) 《益智燕几圖》・《益智圖》・《益智續圖》 童叶庚 平山文庫 1923年
https://kotenseki.nijl.ac.jp/biblio/100240014/viewer/1?ln=en
(31) 《益智圖》 光緒戊寅(1878)版 藤原集書 同治元年(1862)
http://base1.nijl.ac.jp/iview/Frame.jsp?DB_ID=G0003917KTM&C_CODE=THKW-18142
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https://en.wikisource.org/wiki/The_Chinese_Boy_and_Girl
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(42) 《Sam Loyd’s book of tangrams》 Sam Loyd Dover Publication Inc. 1968
(43) 江戸ちゑかた (江戶千方) 解答と問題の解說 ( http://www.chronos.co.jp/kenno/edo-chiekata.cgi
(44) 清少納言知恵の板 問題の解說 ( http://www.chronos.co.jp/kenno/seisyonagon.html
(45) 清少納言知恵の板( https://www.puzzle-ch.com/chienoita/list.php?mode=&page=0
(46) 熊全治的自傳( https://www.nandazhan.com/xueshu/lquanzhi.htm
(47) 王福春(民國時浙江大學數學系教授) (https://baike.baidu.hk/item/%E7%8E%8B%E7%A6%8F%E6%98%A5/63672
(48) 平山諦( https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%B9%B3%E5%B1%B1%E8%AB%A6
 

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