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数学家传记

阿基米德Archimedes

出生
公元前287年 西西里锡拉库萨(今意大利)
逝世
公元前212年 西西里锡拉库萨(今意大利)

阿基米德是他那个时代最伟大的数学家。他在几何学方面的贡献彻底改变了这门学科,他的方法预示了积分微积分。他是一个实践者,发明了各种各样的机械,包括滑轮和阿基米德螺旋抽水装置。

完整传记

阿基米德的父亲是Phidias,一位天文学家。除了这一事实,我们对Phidias一无所知,而我们之所以知道这一点,仅仅是因为阿基米德在他的一部著作The Sandreckoner中给了我们这一信息。阿基米德的一位名叫Heracleides的朋友写了一部他的传记,但遗憾的是这部作品已经遗失。如果这部遗失的作品能被找到,哪怕只是在他人著作中找到摘录,我们对阿基米德的认识将会发生怎样的改变啊。

阿基米德是阿基米德,西西里岛人。一些作者报道说,他曾访问埃及,并在那里发明了一种现在称为阿基米德螺旋的装置。这是一种泵,世界许多地方仍在使用。极有可能的是,当他年轻时,阿基米德曾与亚历山大里亚的欧几里得的继承者们一起学习。当然,他完全熟悉那里发展起来的数学,但使这一推测更加确定的是,他亲自认识在那里工作的数学家,并将自己的结果连同私人信息送到亚历山大里亚。他非常看重科农,亚历山大里亚的数学家之一,既高度评价他作为数学家的能力,也把他视为密友。

On spirals的序言中,阿基米德讲述了一个关于他在Alexandria的朋友们的趣事。他告诉我们,他习惯向他们发送他最新定理的陈述,但不给出证明。显然那里的一些数学家曾声称这些结果是他们自己的,所以阿基米德说,在他最后一次向他们发送定理时,他包括两个错误的[3]:-

……这样,那些声称发现了一切却拿不出相应证明的人,就可以被驳斥为假装发现了不可能之事。

除了他著作的序言之外,关于阿基米德的信息来自若干来源,例如普鲁塔克李维等书中的故事。Plutarch告诉我们,阿基米德与国王Hieron II 阿基米德有亲缘关系(例如见[3]):-

阿基米德……在写给国王Hiero的信中,他是Hiero的朋友和近亲……

同样,至少他与国王Hieron II家族的友谊的证据来自这样一个事实:The Sandreckoner被献给了国王Hieron之子Gelon。

事实上,当时的著作中相当多地提到阿基米德,因为他在自己的时代就赢得了声誉,这是这一时期其他数学家很少能达到的。其原因并不是对新数学思想的广泛兴趣,而是阿基米德发明了许多被用作战争机器的机械。当阿基米德遭到由马塞卢斯指挥的罗马人进攻时,这些机械在防御中特别有效。

Plutarch在其关于罗马统帅Marcellus的著作中写道,在公元前212年的围城战中,阿基米德的战争机械是如何被用来对付罗马人的:-

……当阿基米德开始操作他的机械时,他立刻向陆上部队发射各种投射武器,以及巨大的石块,它们以令人难以置信的声响和猛烈之势落下;无人能够抵挡;因为它们把被击中的人成堆地打倒,打乱了他们所有的队列和行列。与此同时,从城墙上方伸出的巨大长杆越过船只,用从高处放下的重物把一些船击沉;另一些船则被一只铁手或像鹤嘴一样的铁喙举到空中,当他们把船拖到船首,并使其在船尾竖立起来后,就把它们沉入海底;或者船只被内部的机械牵引、旋转,撞向城墙下突出的陡峭岩石,船上的士兵遭到巨大伤亡。一艘船常常被举到空中的很高处(目睹此景令人恐惧),并被来回翻滚、不断摇摆,直到水手全都被抛出去,最后它才撞上岩石,或被摔落下来。

阿基米德曾被他的朋友兼亲戚希伦国王说服去建造这样的机械:-

这些机械[阿基米德]的设计和发明,并非作为任何重要的事物,而仅仅是几何学中的消遣;这是为了遵从希伦国王不久前的愿望和要求,即让他将自己令人钦佩的科学思辨的某些部分付诸实践,并通过使理论真理适应感觉和日常使用,使其更易于为一般民众所欣赏。

或许令人悲哀的是,这个时代的人们对战争机械的欣赏程度远胜于理论数学,但人们不得不指出,在公元第二个千年结束时,世界并没有太大的不同。阿基米德的其他发明,如复合滑轮,也在他的同时代人中为他带来了巨大的声誉。我们再次引用普鲁塔克的话:-

[阿基米德]曾[在给希伦国王的一封信中]声称,给定力,任何给定的重量都可以被移动,甚至夸口说——我们被告知,他依靠论证的力量——如果存在另一个地球,他进入其中就能移动这个地球。希伦对此感到惊讶,并恳求他通过实际实验来证实这个问题,展示某个巨大的重量被一个小型机械移动,于是他相应地从国王的军械库中挑选了一艘货船,这艘船没有巨大的劳力和许多人无法从船坞中拖出;他让许多乘客和满载的货物上船,自己则坐在远处,没有费很大的力气,只是手握滑轮的头部并逐渐拉动绳索,他将船沿直线拉动,平稳而均匀,仿佛它在海中一样。

阿基米德虽然因他的机械发明而声名鹊起,但他相信纯数学是唯一值得追求的事业。普鲁塔克再次优美地描述了阿基米德的态度,然而我们稍后将看到阿基米德实际上确实使用了一些非常实用的方法从纯几何学中发现结果:-

阿基米德拥有如此高尚的精神、如此深邃的灵魂和如此丰富的科学知识宝藏,以至于尽管这些发明现在为他赢得了超越人类智慧的声誉,他仍然不屑于留下任何关于此类主题的评论或著作;相反,他摒弃了整个工程行业以及每一种仅仅用于使用和利润的艺术,认为它们是卑鄙和低下的,他将全部的热爱和抱负置于那些更纯粹的思辨中,那里不可能涉及生活的庸俗需求;这些研究,其优越性相对于所有其他研究是无可置疑的,其中唯一的疑问是,所考察主题的美丽和宏伟,以及证明方法和手段的精确性和说服力,是否最值得我们钦佩。

他对几何学的痴迷被普鲁塔克优美地描述为:-

阿基米德的仆人不顾他的意愿带他去浴场,为他清洗和涂油,然而在那里,他仍然会从几何图形中画出来,甚至在烟囱的余烬中也是如此。当他们用油和香料为他涂油时,他用手指在赤裸的身体上画线,以至于他如此忘我,沉浸在几何学研究的喜悦中,进入狂喜或恍惚状态。

阿基米德的成就非常杰出。大多数数学史家认为他是有史以来最伟大的数学家之一。他完善了一种积分方法,使他能够求出许多物体的面积、体积和表面积。米歇尔·沙勒说阿基米德关于积分的工作(见[7]):-

……孕育了无穷的微积分,由约翰内斯·开普勒博纳文图拉·卡瓦列里皮埃尔·德·费马哥特弗里德·威廉·莱布尼茨艾萨克·牛顿构想并完善。

阿基米德能够应用穷竭法,这是积分的早期形式,来获得一系列重要结果,我们在下面描述他的作品时提到其中的一些。阿基米德还给出了π的精确近似值,并表明他能够精确地近似平方根。他发明了一种表示大数的系统。在力学中,阿基米德发现了关于平面图形和立体重心的基本定理。他最著名的定理给出了浸入液体中的物体的重量,称为阿基米德原理

阿基米德留存下来的著作如下。On plane equilibriums(两卷)、求积 of the 抛物线On the sphere and cylinder(两卷)、On spiralsOn conoids and spheroidsOn floating bodies(两卷)、Measurement of a circleThe Sandreckoner。1906年夏,哥本哈根大学古典语文学教授J L Heiberg发现了一份10世纪的手稿,其中包含阿基米德的著作The method。这为我们了解阿基米德如何发现他的许多结果提供了极为宝贵的线索,在进一步详述现存各卷的内容之后,我们将在下文讨论这一点。

阿基米德撰写其著作的先后顺序并不确定。在上文列出这些著作时,我们采用了托马斯·利特尔·希思在[7]中提出的年代顺序,但The Method除外,托马斯·利特尔·希思将其置于On the sphere and cylinder之前。论文[47]探讨了关于阿基米德著作另一种年代顺序的论据。

论著On plane equilibriums运用几何方法阐述了力学的基本原理。阿基米德发现了关于平面图形重心的基本定理,这些定理载于该著作中。他尤其在第1卷中求出了平行四边形、三角形和梯形的重心。第2卷则完全致力于求抛物线弓形的重心。在Quadrature of the parabola中,阿基米德求出了被任意弦截出的抛物线弓形的面积。

On the sphere and cylinder第1卷中,阿基米德证明了球面面积是大圆的四倍,求出了球面上任意弓形的面积,证明了球的体积是外接的圆柱体积的三分之二,并且球面面积(包括底面在内)是外切圆柱表面积的三分之二。关于阿基米德可能如何借助无穷小得出其中某些结果,[14]中有很好的讨论。在该著作第2卷中,阿基米德最重要的结果是说明如何用一个平面去截给定的球,使得两弓形体积之比为预先给定的比值。

On spirals中,阿基米德定义了螺线,给出了联系矢径长度与其所转过的角度的基本性质。他给出了关于螺线的切线的结果,并求出了螺线各部分的面积。在著作On conoids and spheroids中,阿基米德考察了旋转抛物面、旋转双曲面,以及将椭圆绕其长轴或短轴旋转所得的椭球面。该著作的主要目的是研究这三类三维图形弓形的体积。有人声称该著作的某些结果缺乏严格性,但[43]中饶有兴味的讨论将此归因于现代的重构。

On floating bodies是阿基米德阐述流体静力学基本原理的著作。他最著名的定理——给出浸入液体中物体的重量,称为Archimedes' principle——就包含在这部著作中。他还研究了各种形状和不同比重的浮体的稳定性。在Measurement of the Circle中,阿基米德证明了π的精确值介于310713\large\frac{10}{71}\normalsize3173\large\frac{1}{7}\normalsize之间。他是通过用具有96条边的正多边形外切和内接一个圆而得到这一结果的。

The Sandreckoner是一部非凡的著作,其中阿基米德提出了一种数系,能够用现代符号表示高达8×10638 \times 10^{63}的数字。他在这部著作中论证说,这个数字足够大,可以计算能够装入宇宙的沙粒数量。这部著作中还有重要的历史评论,因为阿基米德必须给出宇宙的尺寸,才能计算它可能包含的沙粒数量。他指出阿里斯塔克斯提出了一个以太阳为中心、包括地球在内的行星围绕它旋转的系统。在引用关于尺寸的结果时,他陈述了归功于欧多克索斯、菲迪亚斯(他的父亲)和阿里斯塔克斯的结果。还有其他来源提到阿基米德关于到天体距离的工作。例如,在[59]中,奥斯本重建并讨论了:-

……一种关于天体距离的理论,被归于阿基米德,但唯一存世的手稿[出自罗马的Hippolytus,约公元220年]中数字的讹误状态意味着这些材料难以处理。

Method中,阿基米德描述了他发现许多几何结果的方式(见[7]):-

……某些事情最初通过一种机械方法对我变得清楚,尽管它们后来必须用几何学来证明,因为用上述方法对它们的研究并未提供真正的证明。但当然,当我们事先通过该方法对问题有所了解时,提供证明要比在没有任何先前知识的情况下找到它更容易。

也许阿基米德几何结果的辉煌最好由Plutarch来总结,他写道:-

在整个几何学中不可能找到更困难、更复杂的问题,或更简单、更清晰的解释。有些人将此归因于他的天赋;而另一些人则认为,难以置信的努力和辛劳产生了这些表面上轻松而不费力的结果。你无论进行多少研究都无法成功获得证明,然而,一旦看到,你立刻相信你本会自己发现它;他沿着如此平滑、如此迅捷的路径引导你达到所需的结论。

托马斯·利特尔·希思补充了他对阿基米德工作质量的看法[7]:-

这些论著无一例外都是数学表述的丰碑;对攻击计划的逐步揭示、命题的巧妙排序、对一切与目的并非直接相关之物的严格剔除、整体的完美收束,其完美程度如此令人印象深刻,以致在读者心中唤起一种近乎敬畏的情感。

书中提到了阿基米德现已失传的其他著作。帕普斯提到了一部阿基米德关于半正多面体的著作,阿基米德本人提到了一部他在Sandreckoner中提出的关于数系的著作,帕普斯提到了一部On balances and levers,而Theon提到了一部阿基米德关于镜子的著作。关于更多失传著作的证据在[67]中有所讨论,但这些证据并不完全令人信服。

阿基米德于公元前212年,在第二次布匿战争中罗马人攻占阿基米德时被杀,此前他用战争机械抵御罗马人的一切努力均已失败。Plutarch叙述了流传到他那里的关于他被杀故事的三个版本。第一个版本:

阿基米德……命中注定般地正专注于用图形解决某个问题,他的心思和目光都固定在他所思考的对象上,他全然没有注意到罗马人的入侵,也没有注意到城池已被攻陷。在这种全神贯注的研究与沉思中,一名士兵出其不意地走到他面前,命令他跟随自己去见Marcellus;他不愿在把问题论证清楚之前就去,士兵大怒,拔出剑来将他刺穿。

第二个版本:

……一名罗马士兵拔剑向他冲来,要杀死他;而阿基米德回过头来,恳切地请求他稍等片刻,以免他当时正在研究的东西留下未决和不完整;但士兵丝毫不为他的恳求所动,当即杀死了他。

最后,普鲁塔克听说过的第三种版本:-

……当阿基米德正把数学仪器、日晷、球体和角尺运送给马塞卢斯,用这些东西可以目测太阳的大小,一些士兵看见他,以为他携带的容器里装着金子,就杀了他。

阿基米德认为他最重大的成就是关于一个圆柱外接一个球体的那些成果,他要求把这一图形连同他关于两者之比的结果刻在他的墓碑上。西塞罗于公元前75年在西西里,他写道他如何寻找阿基米德的坟墓(例如见[1]):-

……发现它四周被围住,覆盖着荆棘和灌木丛;因为我记得,正如我所听说的,墓碑上刻着某些打油诗句,其中说一个球体连同圆柱被放在他的坟墓顶上。于是,在向四周仔细察看之后……我注意到一根小柱子稍稍高出灌木丛,上面有一个球体和圆柱的图形……。奴隶们被派进去带着镰刀……当通往那个地方的通道被打开后,我们走近我们面前的基座;铭文可以辨认出大约一半的诗行,因为后面部分已经磨损了。

也许令人惊讶的是,阿基米德的数学著作在他去世后不久相对鲜为人知。正如克拉格特在[1]中所写:-

欧几里得的《原本》不同,阿基米德的著作在古代并不广为人知。……确实……阿基米德的个别著作显然在亚历山大里亚被研究过,因为阿基米德经常被亚历山大里亚的三位杰出数学家引用:海伦帕普斯亚历山大的席恩

直到公元六世纪阿什凯隆的欧托基奥斯出版了一些阿基米德著作的版本并附有评注之后,这些非凡的论著才得以更广泛地流传。最后,值得一提的是,今天用来判断阿基米德各种论著版本与原文接近程度的标准,是确定它们是否保留了阿基米德的多利亚方言。

参考文献

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