胡翌霖 | 希臘化時期的三位數學家

2021-02-13 科學的歷程

▲歐幾裡得(公元前330年—公元前275年),古希臘數學家。他活躍於託勒密一世(公元前364年-公元前283年)時期的亞歷山大裡亞,被稱為「幾何之父」,他最著名的著作《幾何原本》是歐洲數學的基礎,提出五大公設,歐幾裡得幾何,被廣泛的認為是歷史上最成功的教科書。

作者 胡翌霖 (清華大學助理教授)

責編 許嘉芩 劉愈

◆  ◆  ◆  ◆  ◆  

歐幾裡得生活於希臘化時代早期,與他大致同時代的還有兩位空前絕後的大數學家,阿基米德和阿波羅尼奧斯。

阿基米德除了在力學上的工作之外,在數學上也有許多成就,他創造大數計法描述非常龐大的數,計算橢球體和拋物線體的體積,用窮竭法把π精確到3.14等等,他還使用了某些堪稱微積分先驅的方法。但阿基米德的著作在古代世界影響較小,其抄本非常偶然地才保存下來,到文藝復興時期才重新受到重視。還有一部重要的作品直到1906才重見天日,它曾經被抄寫在一卷羊皮書上,然後被擦除,重新抄寫了一本祈禱書,20世紀的學者重新復原了其中幸虧並未被擦乾淨的字跡,復原出的作品中包含了兩篇早已失傳的文章。

阿波羅尼奧斯是本輪—均輪模型的創造者,他的《圓錐曲線論》更是影響巨大,他同時為託勒密和克卜勒提供了數學模型。

他還有許多著作都已經佚失了。《幾何原本》和《圓錐曲線論》反映了希臘時期幾何學的最高成就,以至於它們之前的許多著作都失傳了。

阿波羅尼奧斯達到了解析幾何之前研究圓錐曲線的最高成就,在某種意義上他是解析幾何的先驅,但實質上還相差甚遠,阿波羅尼奧斯在研究圓錐曲線時經常使用某些參照線,它們的功能有些類似於坐標軸,但這些參照線更多地仍然是根據具體情況在圖形上作出的輔助線,而不是先於具體圖形就被設立的坐標系。

阿波羅尼奧斯到託勒密之間,在三角學方面有許多發展,我們略過不講,重點講到希臘化晚期的丟番圖(約246—330年)

丟番圖被稱作代數學之父,他與傳統的希臘數學風格迥異,不再基於幾何學,而是用一系列縮寫形式來描述方程與不定方程。

他也開始處理高次冪,4次方被稱作平方平方,5次方是平方立方,都有某些縮寫的表達方式。比如

這個式子可以表達為形如

SS2 C3 x5 M S4 u6

這樣的形式,其中S、C、x、M和u分別代表平方、立方、未知數、減和單元。這裡是用拉丁字母替換了丟番圖的記號,他自己的寫法看起來是下面這樣:

 

但丟番圖沒有把他的研究定位於某種一般性的代數法則的研究,他的著作更多地是一部難題集,回答的都是有明確實例的問題,在方程有多個解時,往往只取其中的一個,甚至對那些無窮多解的不定方程,往往也只給出一個解就完了,當然負根和無理數都不被接受。

丟番圖在古代數學史中顯得獨樹一幟,當然這也可能是因為他前後的著作都失傳了。在中世紀,丟番圖影響不大,代數學的淵源主要來自阿拉伯數學家花拉子米,但到了文藝復興時期,韋達重新闡釋了丟番圖的著作(圖1),推動了現代的符號代數的興起。

▲圖1 丟番圖著作的拉丁譯本(1621年)

花拉子米我們在講阿拉伯科學的時候提過了,在某些方面花拉子米要比丟番圖「落後」,他沒有採用任何縮寫形式,甚至連他本人引進的印度數字都很少使用,全文都是大量的文字敘述。他的代數方法也是基於幾何學的,但如果翻譯成現代符號的話,我們將發現他關注的問題更接近於現代的代數學。

 

▲《過時的智慧——科學通史十五講》

【本文摘自《過時的智慧——科學通史十五講》第十一講 抽象抽象:數學革命,上海教育出版社,2016年7月出版。】

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