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数学家传记

卡拉吉Al-Karaji

出生
953年4月13日 巴格达(今属伊拉克)
逝世
约1029年

卡拉吉是一位伊斯兰数学家,他撰写了关于早期数学家工作的著作,可以被视为第一个将代数从几何运算中解放出来,并用今天代数核心的运算类型取而代之的人。

完整传记

我们必须做的第一个评论是关于卡拉吉的名字。它既以卡拉吉出现,也以al-Karkhi出现,但这并不是同一个阿拉伯名字的两种不同音译的简单问题。其意义在于,Karaj是伊朗的一座城市,如果这位数学家的名字是卡拉吉,那么他的家族肯定来自那座城市。另一方面,Karkh是巴格达最初的郊区之一,是在原城市南门外发展起来的。al-Karkhi这个名字将表明这位数学家来自巴格达郊区。

历史学家对于哪种解释是正确的似乎存在分歧。al-Karkhi的版本是由Woepcke提出的(见[7]或[8]),但卡拉吉,即今天文本中最常使用的版本,是由della Vida在1933年提出为最可能的。Rashed评论道(见[1]或[5]):-

在我们目前的知识状态下,delle Vida的论点是合理的,但并非决定性的。根据所查阅的手稿,要决定支持哪一个名字远非易事。

当然,我们知道卡拉吉一生大部分时间生活在巴格达,他的主要数学著作都是在那座城市生活期间写成的。他关于代数的重要著作Al-Fakhri是献给巴格达统治者的,也是在巴格达写成的。然而,在他职业生涯的某个后期阶段,卡拉吉离开了巴格达,去往被描述为“山地国家”的地方生活。他似乎在那时放弃了数学,专注于诸如钻井之类的工程课题。

不同作者对卡拉吉在数学发展中的重要性看法相当不同。其原因,与对花拉子米的不同看法颇为相似,取决于人们赋予其数学风格的意义。一些人认为他的工作仅仅是对早期数学家思想的重新加工,而另一些人则认为他是第一个将代数从几何运算中完全解放出来,并用算术类型的运算取而代之的人,而这些运算正是今天代数的核心。

Crossley [3]对卡拉吉的贡献显得相对不以为然(尽管他准确地描述了内容):-

[卡拉吉]给出了算术运算的规则,包括(本质上)多项式的乘法。……卡拉吉通常为他的规则给出一个数值例子,但除了给出几何图形之外,没有给出任何形式的证明。他常常明确地说,他给出的解法是丢番图风格的。他不处理高于二次的方程,除非是那些可以容易地化为至多二次方程、然后开根的方程。quadratics中的解法明确基于欧几里得定理……

Woepcke在[7]中(另见重印本[8])是第一位认识到卡拉吉工作重要性的历史学家,后来的历史学家大多同意他的解读。他将其描述为以下内容的首次出现:-

……代数演算理论……。

Rashed(见[5],其中包含Rashed来自[1]的文章以及Rashed关于卡拉吉的其他著作)同意Woepcke的解读,并且在强调卡拉吉的重要性方面也许走得更远。他写道:-

……卡拉吉阐述的一个多少有些明确的目标,是找到实现代数的自主性和特异性的手段,从而能够尤其拒斥代数运算的几何表示。

再引用一段Rashed对卡拉吉贡献的描述:——

卡拉吉的工作在数学史上占有特别重要的地位。……在花拉子米和其他阿拉伯代数家的代数概念和方法的启发下,对丢番图算术著作的发现和解读,使卡拉吉在代数中实现了一种新的出发……

那么,这种代数中的新出发是什么呢?也许最好由al-Samawal来描述,他是卡拉吉的继承者之一,他将其描述为[5]:——

……用所有算术工具对未知量进行运算,就像算术家对已知量进行运算一样。

卡拉吉在Al-Fakhri中取得的成就是首先定义了单项式x,x2,x3,...x, x^{2}, x^{3}, ...1x,1x2,1x3,...\Large \frac 1 {x}\normalsize, \Large \frac 1 {x^2}\normalsize, \Large \frac 1 {x^3}\normalsize, ...,并给出了其中任意两者乘积的法则。因此,他在这里取得的成就是定义了这些项的乘积,而完全不涉及几何。事实上,他几乎给出了公式

xnxm=xm+nx^{n}x^{m} = x^{m+n} 对所有整数 nnmm

但他未能给出定义 x0=1x^{0} = 1,因此只差了一点点。

在给出了单项式乘法和除法的规则之后,卡拉吉 接着考察了“复合量”或单项式之和。对于这些,他给出了加法、减法和乘法的规则,但没有给出一般情况下的除法规则,只给出了复合量除以单项式的规则。他能够给出求复合量平方根的规则,这并非完全一般,因为它要求系数为正,但这仍然是一项了不起的成就。

卡拉吉 在他的论证中也使用了某种形式的数学归纳法,尽管他当然没有给出该原理的严格阐述。基本上,卡拉吉 所做的是为 n=1n = 1 演示一个论证,然后基于他对 n=1n = 1 的结果证明 n=2n = 2 的情形,再基于他对 n=2n = 2 的结果证明 n=3n = 3 的情形,并继续到大约 n=5n = 5,然后指出人们可以无限地继续这个过程。虽然这不是真正的归纳法,但它是理解归纳证明的重要一步。

卡拉吉 使用这种归纳法形式所依据的结果之一,来自他关于 二项式定理二项式系数帕斯卡三角形 的工作。在 Al-Fakhri 中,卡拉吉 计算了 (a+b)3(a+b)^{3},在 Al-Badi 中,他计算了 (ab)3(a-b)^{3}(a+b)4(a+b)^{4}。帕斯卡三角形的一般构造由 卡拉吉 给出,其工作记载于 al-Samawal 后来的著作中。在 Rashed 和 Ahmad 的译本中(例如见 [5]),al-Samawal 写道:-

现在让我们回顾一个原理,用于知道这些次数彼此相乘的必要次数,对于任意分成两部分的数。卡拉吉 说,为了成功,我们必须把“一”放在一张桌子上,把“一”放在第一个“一”下面,把第一个“一”移到第二列,把第一个“一”加到它下面的“一”上。这样我们得到“二”,我们把它放在移过来的“一”下面,并把第二个“一”放在“二”下面。因此我们有“一”、“二”和“一”。

为了看出 1,2,1 的第二列如何对应于 a+b 的平方,al-Samawal 继续描述 卡拉吉 的工作,写道:-

这表明,对于每个由两个数组成的数,如果我们把每个数自身相乘一次——因为两个端项是“一”和“一”——并且如果我们把每个数与另一个数相乘两次——因为中间项是“二”——我们就得到这个数的平方。

这是用帕斯卡三角形对二项式定理的精彩描述。描述一直延续到给出(a+b)5(a+b)^{5}的二项式系数,但我们只引用卡拉吉如何从第二列构造第三列:-

如果我们把第二列中的“一”移到第三列,然后把第二列中的“一”加到它下面的“二”上,我们得到“三”,写在第三列的“一”下面。如果我们再把第二列中的“二”加到它下面的“一”上,我们得到“三”,写在“三”下面,然后我们在这个“三”下面写“一”;这样我们就得到了第三列,其数字为“一”、“三”、“三”和“一”。

插图:Karaji.gif ↗
卡拉吉构造的表格看起来像侧放的帕斯卡三角形。

卡拉吉得到的其他结果包括前nn个自然数之和、前nn个自然数的平方和以及这些数的立方和。他证明了前nn个自然数之和为12n(n+1){1\over2}n(n + 1)。他还给出(在Rashed和Ahmad的译本中,例如见[5]):-

从一按自然顺序相继的各个数的平方和等于这些数之和加上每个数与其前一个数乘积之和。

用现代记号表示,这个结果是

i2=i+i(i1)\sum i ^{2} = \sum i + \sum i (i - 1)

卡拉吉还考虑了前nn个自然数的立方和,写道(在Rashed和Ahmad的译本中,例如见[5]):-

如果我们想将按自然顺序相继的数的立方相加,我们将它们的和自乘。

用现代记号表示

i3=(i)2\sum i ^{3} = (\sum i)^{2}

卡拉吉证明了(1+2+3+...+10)2(1 + 2 + 3 + ... + 10)^{2}等于13+23+33+...+1031^{3} + 2^{3} + 3^{3} + ... + 10^{3}。他首先证明(1+2+3+...+10)2=(1+2+3+...+9)2+103(1 + 2 + 3 + ... + 10)^{2} = (1 + 2 + 3 + ... + 9)^{2} + 10^{3}来做到这一点。他现在可以对(1+2+3+...+9)2(1 + 2 + 3 + ... + 9)^{2}使用同样的规则,然后对(1+2+3+...+8)2(1 + 2 + 3 + ... + 8)^{2}等等,得到

(1+2+...+10)2( 1 + 2 + ... + 10)^{2}
=(1+2+3+...+8)2+93+103= (1 + 2 + 3 + ... + 8)^{2} + 9^{3} + 10^{3}
=(1+2+3+...+7)2+83+93+103= (1 + 2 + 3 + ... + 7)^{2} + 8^{3} + 9^{3} + 10^{3}
= . . .
=13+23+33+...+103.= 1^{3} + 2^{3} + 3^{3} + ... + 10^{3}.

最后我们应该提到丢番图对卡拉吉的影响。丢番图Arithmetica的前五卷在约870年由ibn Liqa翻译成阿拉伯文,这些被卡拉吉研究过。Woepcke在Al-Fakhri([7]或[8])的导言中写道,他发现:-

……丢番图第一卷中超过三分之一的问题、第二卷从第八个问题开始的问题,以及第三卷几乎所有的问题,都被卡拉吉收录在他的文集中。

卡拉吉还自己发明了许多新问题,但即使是丢番图的那些问题,也肯定不是未经进一步发展就被直接采用的。他总是试图推广丢番图的结果,并寻找更普遍适用的方法。

卡拉吉不仅对代数有贡献。论文[9]讨论了他的一些几何工作。这出现在题为On measurement and balances for measuring of buildings and structures的一章中。卡拉吉定义了点、线、面、体和角。他还给出了测量平面和立体图形的规则,经常使用拱作为例子。他还给出了称量不同物质的方法。

参考文献

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