帶你走進鮮為人知的古埃及紙草書,神秘超前的數學知識應用

2020-12-06 中學數學精準輔導

世界上最早的數學從公元前2500年的古埃及就開始了。古埃及人最早使用象形文字,自公元前2500年左右起,開始使用象形文字的縮寫——僧侶文,後來又發明了拼音字母,形成了象形文字和拼音文字並用的狀況。

肥沃的尼羅河谷,孕育了輝煌燦爛的古埃及文明。古埃及人用一種名叫漢莎紙草的東西來記錄他們的經驗和知識,其中就包括很多數學知識。

漢莎紙草並不是今天我們所用的紙,古埃及人沒有發明造紙術,漢莎紙草是一種形如蘆葦的水生植物,可以在上面寫字,故名紙草書。因為紙草會幹裂成粉末,所以只有很少的紙草書能保存到今天。

古埃及人用僧侶文寫成的 「紙草文」,其中主要有兩種:一種是成書於公元前1850年左右的莫斯科紙草文;另一種是約成書於1650年的蘭德紙草文, 1858年,由蘇格蘭的埃及學家蘭德在埃及購買,包括85個問題,後為英國博物館獲得。阿梅斯紙草書,又稱蘭德紙草書。

在紙草書中,我們可以看到古埃及人的傑出成就。在數學上他們找到計算正方形、長方形、等腰梯形等平面圖形的面積計算公式,稜錐、稜台等立體圖形的體積計算公式。而且還發現,古埃及人是通過圖形變換,化等腰梯形為矩形,得出了等腰梯形的面積等於上、下底之和的一半乘高的結論。

至今仍然巍峨屹立的一座座金字塔,最能體現古埃及人在幾何學方面的成就。其中最大的胡夫金字塔呈正四稜錐體,底面正方形邊長約為230.5米,塔高約146.6米。科學家們通過精密儀器測量,驚奇地發現,金字塔底面四邊長的相對誤差不超過2釐米,四底角的相對誤差不超過12」。這些都說明了當時的埃及幾何學知識和測量技術已經相當高超。

古埃及人的數學知識包括記數法、算術、代數和幾何四個方面。

我們對於古埃及數學知識的了解,很大程度就是因為這些保存至今的紙草書。

古埃及文明的產生和發展同尼羅河密不可分,所以古希臘歷史學家希羅多德(Herodotus,公元前484—公元前425)說:「埃及是尼羅河的贈禮。」

古埃及有一套跟古巴比倫不同的數學系統。比如,他們有一套獨特的乘法計算方法。假設要計算238×13。古埃及人的做法是先把較大的數(238)分解為1和一系列2的不同整數冪(2^n)(2、4、8、16,等等)的和,然後把每一個2^n對13做乘法。這很容易做到,因為

,所以每一個2^n的結果都是前一個結果的兩倍。表三是這個方法的詳細步驟。

表三的第一列數字是分解238。把所有可能的數字都列出來,使它們的和等於238,有些數字是不需要的,用橫槓劃掉。第二列是第一列的數乘以13後的結果,所有第一列中劃掉的數字,乘以13以後的結果也劃掉。最後把所有沒被劃掉的數字都加起來,就是計算的結果。類似的算法至今仍然在有些地方流傳。

比如「蘭德紙草書」的第41題:圓柱形的穀倉,直徑為d,高為h,穀倉的體積V是多少?紙草書給出的答案是:

根據我們熟悉的圓柱體積公式

,我們可以導出古埃及人使用的近似圓周率,它和真正的圓周率之間的誤差不到1%。

令人驚訝,在古代蘭德紙草書上,有這樣一些最初令人費解的數據:

經過分析,不難看出,這些數字是7的一至五次冪及其和.因此,最初設想是作者可能用房子、貓等象徵性術語表示一次幕、二次黴等.

這個問題還被收集在斐波那契(Fibonacci,「Bonaccio之子Leonardo",1175-1250)著的《算盤書》中,作者做了如下有趣的改寫:

「在通往羅馬的道路上有七個老歸人.每個人趕著七頭驟子;每頭驟子馱七隻口袋;每隻口袋裝七個麵包;每個麵包配七把餐刀;每把餐刀有七層刀鞘.試問:在去羅馬的路上,一共有多少老婦人、騾子、口袋、麵包、餐刀和刀翰?"

據說,這個古老問題收編到《算盤書》以前,就已經流傳了近3000年.

後來,有人將這個古老問題編成了英國童謠:

「我赴聖地愛弗西(lves),

途遇一人攜七妻,

每要七袋手中提,

每袋七貓數整齊,

每貓七仔緊相依,

妻與布袋貓與仔,

幾何同時赴聖地?

1970年,當時著名的德國數學史家學康託爾(M.Cantor,1829-1920)對此題做了似乎更合理、更有趣的解釋:

「有一份財產包括七間房子;每間房子有七隻貓;每隻貓捉了七隻老鼠;每隻老鼠吃了七棵麥穗;每棵麥穗可以長出七赫克特糧食,試問這份財產共有多少房子、貓、老鼠、麥穗和糧食(以赫克特計)?"

在另一部古代紙草記錄「柏林紙草書」裡,還有一類問題,對於當時的人們來說,它們非常複雜。比如這個問題,用現在的代數語言描述是這樣的:

這類問題,我們今天是把第二個等式,也就是

,直接代入第一個方程,求得之後再開平方。古埃及人卻不這樣做。他們先假定x=1,這樣,

。比100小倍,所以真正的x是1的8倍。

大約在公元前7世紀的某一天,一位腓尼基人來到埃及,跟隨祭司們學習幾何數學和哲學。這位腓尼基人出生在古希臘人的殖民地愛奧尼亞地區的城邦米利都,也就是今天的土耳其城市米雷特。這個人名叫泰勒斯(Thales,約公元前624—約公元前547)。古希臘最後一位哲學家普羅克洛斯(Proclus,公元412—公元485)對他有較為詳細的介紹,說泰勒斯在埃及看到了幾何學的重要性,就把這門學問帶到了希臘。他是人類歷史上第一位提倡理性主義精神和普遍性原則的人,被稱為「哲學史上第一人」。泰勒斯是一個多神論者,認為世間充滿了神靈,萬物都有生命。自從泰勒斯從埃及回到希臘,那裡的科學,特別是數學就朝著嶄新的革命性的方向突飛猛進地發展。

傳說畢達哥拉斯(Pythagoras,約公元前570—公元前495)早年也拜訪過泰勒斯,並聽從了他的勸告,前往埃及做研究。

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