数学史 · 中文镜像

数学家传记

伯多禄·卡塔迪Pietro Cataldi

出生
1552年4月15日 教皇国博洛尼亚(今意大利)
逝世
1626年2月11日 教皇国博洛尼亚(今意大利)

伯多禄·卡塔迪是意大利数学家,撰写了约30本数学书籍,以及一些其他主题的书籍。

完整传记

伯多禄·卡塔迪的父亲是Paolo Cataldi,他和儿子一样出生在博洛尼亚。卡塔迪在博洛尼亚接受教育,尽管他似乎没有上过那里的大学;相反,他十七岁就开始教数学。请注意特别重要的是,他选择用意大利当地方言而不是当时习惯的拉丁语教学。这使许多人受益于他的教学。1569年至1570年,他在佛罗伦萨的设计学院任教,然后去了意大利中部翁布里亚的佩鲁贾。他既在佩鲁贾大学教数学,于1572年5月12日进行了第一次讲座,也在佩鲁贾的设计学院任教。他在那里待到1584年,然后回到博洛尼亚,在那里获得了哲学和医学博士学位。他在博洛尼亚大学教数学和天文学近四十年,直到去世。

卡塔迪写了大约三十本数学著作,还有一些其他主题的著作。他写了算术方面的著作,在1602年至1617年间分四部分出版了Practica aritmetica (实用算术)。这部著作献给博洛尼亚元老院,但据信他是自费出版的。Carruccio写道[1]:-

卡塔迪通过将免费分发其《实用算术》副本的任务交给各方济各会修道院的上司,分发给修道院、神学院和贫困儿童,以此展现了他的仁慈。

然而,他最著名的是他在完全数连分数方面的工作。他对完全数的贡献是在1603年做出的。欧几里得知道如果2n12^{n} - 1是素数,那么2n1(2n1)2^{n-1}( 2^{n} - 1)是一个完全数。分别取nn = 2、3、5、7,这给出了完全数6、28、496和8128。这些为古希腊人所知,而下一个完全数是在1536年由Hudalrichus Regius找到的,他证明了21312^{13} - 1是素数,给出33350336作为下一个完全数(这此前已被若干数学家发现,但他们的发现只是相对最近才成为常识)。卡塔迪在1603年证明了如果nn是合数,那么2n12^{n} - 1是合数,他还证明了对于n=17n = 17n=19n = 192n12^{n} - 1是素数。他没有使用任何巧妙的技巧,仅仅是通过将每个数除以直到其平方根的所有素数来检验这些数是素数。当然,要做到这一点,他需要一份直到724(21912^{19} - 1的近似平方根)的素数表。事实上,卡塔迪计算了一份直到750的所有素数的表,以及一份直到800的所有数的因数分解表。他分别出版了这些表。通过证明2171=1310712^{17} - 1 = 1310712191=5242872^{19} - 1 = 524287是素数,卡塔迪实际上找到了第六和第七个完全数8589869056和137438691328。他还猜想对于nn = 23、29、31和37,2n12^{n} - 1是素数,但除了nn = 31之外,所有这些结果都被证明是错误的。皮埃尔·德·费马在1640年证明了2231=8388607=47×1784812^{23} - 1 = 8388607 = 47 \times 1784812371=137438953471=223×616318177)2^{37} - 1 = 137438953471 = 223 \times 616318177)是合数。莱昂哈德·欧拉在1732年证明了23112^{31} - 1是素数;这导致了自约130年前卡塔迪的那些完全数以来首次发现一个完全数。莱昂哈德·欧拉还在1738年推翻了卡塔迪猜想的最后一部分,当时他证明了2291=536870911=233×1103×20892^{29} - 1 = 536870911 = 233 \times 1103 \times 2089是合数。

卡塔迪通过使用无穷级数来求数的平方根,这导致了对连分数的早期研究。这项关于连分数的工作出现在Trattato del modo brevissimo di trovar la radice quadra delli numeri (论求数的平方根的极短方法)(1613)中,尽管他在Operetta delle linee rette equidistanti et non equidistanti (论等距与非等距直线)(1603)中宣布了它们。他的方法使一些可追溯到海伦的想法变得精确[1]:-

在这项工作中,一个数的平方根是通过使用无穷级数和无限连分数来求得的。它代表了对无穷算法发展的显著贡献。

卡塔迪通过首先取整数a使得a2<N<(a+1)2a^{2} < N < (a+1)^{2}来计算数NN的平方根。余数则是r=Na2r = N - a^{2}。他对N√N的第一次近似是

Na22a\Large\frac{N - a^2}{2a}Na22a+1\Large\frac{N - a^2}{2a+1}r2a\Large\frac{r}{2a}\normalsizer2a+1\Large\frac{r}{2a+1}\normalsize

他给出

a1=Na22aa_1 = \Large\frac{N - a^2}{2a}r1=a12Nr_{1} = a_{1}^{2} - N
a2=Na122a1a_2 = \Large\frac{N - a_1^2}{2a_1}r2=a22Nr_{2} = a_{2}^{2} - N
a3=Na222a2a_3 = \Large\frac{N - a_2^2}{2a_2}r3=a32Nr_{3} = a_{3}^{2} - N
……

让我们通过令 a=4a = 4(因此 42<18<(4+1)24^{2} < 18 < (4+1)^{2})来计算 N=18N = 18 的这个序列。

a=4,a = 4,
a1=4.25,a_{1} = 4.25,
a2=4.2426470,a_{2} = 4.2426470,
a3=4.2426406871240,a_{3} = 4.2426406871240,
a4=4.24264068711928514640506887,a_{4} = 4.24264068711928514640506887,
a5=4.2426406871192851464050661726290942357090156261317a_{5} = 4.2426406871192851464050661726290942357090156261317

注意,经过 5 次迭代后,结果已经精确到 47 位。

18=4.2426406871192851464050661726290942357090156261307√18 = 4.2426406871192851464050661726290942357090156261307

卡塔迪计算了√18的渐近分数,并意识到这些渐近分数交替地大于和小于√18。我们注意到,他没有使用今天所谓的“简单连分数”,而他的方法总能给出一个周期为1的平方根的连分数。他写道:-

现在让我们考虑另一种求根的方法,即通过在前一法则的分数分母上逐行相加来继续。但为了更大的便利,我将假设一个其根容易求出的数,并假设根的第一部分是一个整数。那么设18为所提出的数,如果我假设第一个根是4284 \large\frac{2}{8}\normalsize,即4144\large\frac{1}{4}\normalsize,这将超出116\large\frac{1}{16}\normalsize,即分数14\large\frac{1}{4}\normalsize的平方。

这里4284\large\frac{2}{8}\normalsizea1a_{1},而116\large\frac{1}{16}\normalsize的超出部分是r1r_{1}。因此第一个渐近分数是174\large\frac{17}{4}\normalsize。他找到xx,使得42(8+x)4\large\frac{2}{(8+x)}\normalsize具有√18的四舍五入最小值,他观察到这当且仅当a+xa + x具有√18的四舍五入最小值时成立,所以x=28x = \large\frac{2}{8}\normalsize。卡塔迪继续:-

第二个根将通过上述方法求得为4. & 28\large\frac{2}{8}\normalsize. & 14\large\frac{1}{4}\normalsize,即4.4. & 833\large\frac{8}{33}\normalsize,即21089\large\frac{2}{1089}\normalsize太小。这源于将整个分数833\large\frac{8}{33}\normalsize乘以1132\large\frac{1}{132}\normalsize,其中整个分数小于作为添加分数的14\large\frac{1}{4}\normalsize

因此第二个渐近分数是14033\large\frac{140}{33}\normalsize。卡塔迪继续计算第三个渐近分数为577136\large\frac{577}{136}\normalsize。然后他计算(577136)218=118496(\large\frac{577}{136}\normalsize )^{2}-18 = \large\frac{1}{18496}\normalsize并指出第三个渐近分数超出1118496\large\frac{11}{18496}\normalsize。他继续计算直到达到第十五个渐近分数。注意第三个渐近分数给出√18精确到5位小数,而第十五个渐近分数886731088897209004522016\large\frac{886731088897}{209004522016}\normalsize给出√18精确到23位小数。让我们指出,卡塔迪使用的符号与现代符号非常相似,因为他写道

4. & 28\large\frac{2}{8}\normalsize. & 28\large\frac{2}{8}\normalsize. & 28\large\frac{2}{8}\normalsize. & 28\large\frac{2}{8}\normalsize

其中 & 就是我们的 +,而 . 表示其后的内容要加到分母上。卡塔迪 只用了数值例子,但他清楚地知道,如果把这些收敛项写成 p1q1\Large\frac{p_{1}}{q_{1}\normalsize}p2q2\Large\frac{p_{2}}{q_{2}\normalsize}p3q3\Large\frac{p_{3}}{q_{3}\normalsize}、……,那么它们满足基本关系

pn.qn1pn1.qn=(1)n.rn.p_{n} . q_{n-1} - p_{n-1} . q_{n} = (-1)^{n} . r^{n}.

他的其他著作包括献给大公科西莫二世的 Transformatione geometrica (几何变换)(1611),以及一本研究火炮射程问题的书,其中包含博洛尼亚的日出和正午时刻表(1613)。1618年,他出版了 Operetta di ordinanze quadre (关于平方规则的工作),研究代数的军事应用。1612年,他出版了一本关于化圆为方的书 Trattato della quadratura del cerchio dove si esamina un nuovo modo di quadrarlo per numeri. Et insieme si mostra come, Dato un rettilineo, si formi un curvilineo equale ad esso Dato. Et di più alcune transformationi di curvilinei misti fra loro (论化圆为方,其中考察了一种用数来化圆为方的新方法。同时说明如何给定一条直线,作出与它等长的曲线。以及一些混合在一起的曲线变换)。卡塔迪 以对最近出版的同一主题著作的评论开始这部作品,即 Pellegrino Borello 的 Regola e modo facilissimo di quadrare il cerchio (化圆为方的一条规则和一种非常容易的方法)(1609)。奥古斯塔斯·德摩根A Budget of paradoxes 中写道:-

[卡塔迪 Antonio Cataldi 的《化圆为方论》。博洛尼亚,1612] 声称从雷焦的 Pellegrino Borello 的求积开始,后者认为圆恰好是3个直径加上直径的 69484\large\frac{69}{484}\normalsize。卡塔迪 采用 Van Ceulen 的近似值,努力寻找几乎表示该比值的整数。他当时还没有“连分数”,这是他第二年在他关于平方根的著作中给出的一种表示方式。他只有 Van Ceulen 的三十位中的二十位,这些他取自 克里斯托佛·克拉乌……

卡塔迪 接着考察更一般的问题:构造面积等于若干给定曲边图形面积的正方形和矩形。他用收集在书末的图表说明了这些图形。

卡塔迪 还出版了 欧几里得Elements 的一个版本。他研究 欧几里得 的第五公设,试图在 Operetta delle linee rette equidistanti et non equidistanti (论等距与非等距直线)(1603)中证明该公设是其他公设的推论。他的方法如下。他如下定义等距直线:

同一平面内的一条给定直线称为与另一条直线等距,当从第一条直线上任意两个不同点向第二条直线所作的两条最短线段相等。

然后他继续正确地推导出了第五公设。但等一下,我们知道第五公设不能从前四条推导出来,因为非欧几何就是这样产生的。某处一定有一个错误,那么它在哪里呢?事实上,它就在卡塔迪给出的等距的定义中,因为这个定义,即我们上面引用的,假设给定的直线是与第二条直线保持恒定距离的点的轨迹,并且还假设它是一条直线。这两个假设的相容性(当然)等价于第五公设。如果你仍然觉得这有点难以理解,只需考虑球面上的一个大圆(这是两点之间的最短距离,因此在这个几何中就是直线)。现在考虑一条与给定大圆等距的线。这将不是一个大圆,因此不是两点之间的最短距离,所以在这个几何中不是直线的类似物。

卡塔迪试图在博洛尼亚建立一所数学科学院,但没有成功。尽管失败了,他在遗嘱中留下钱在自己的房子里建立一所学校,但这似乎也没有实现。

参考文献

正文里的方括号编号指向这里,悬停即可直接看到条目。书目保留原文——译了书名反而查不到文献。

延伸资源

原站列出的延伸阅读与外部数据库,照原样保留,目标多为英文页面。

相关专题

原站的交叉引用。指向本站已镜像专题的留在站内,其余仍指回原站。