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数学家传记

斐波那契Fibonacci

出生
1170年 (大概)比萨(今意大利)
逝世
1250年 (可能)比萨(今意大利)

比萨的列奥纳多或斐波那契在复兴古代数学方面发挥了重要作用,并做出了自己的重大贡献。《计算书》将印度-阿拉伯位值十进制系统以及阿拉伯数字的使用引入欧洲。

完整传记

斐波那契 Pisano以其绰号斐波那契更为人所知。他是Guilielmo的儿子,也是Bonacci家族的成员。斐波那契本人有时使用Bigollo这个名字,这可能意味着无用之人或旅行者。正如[1]中所述:-

他的同胞是想用这个绰号来表达对一个关心无实用价值问题之人的蔑视,还是这个词在托斯卡纳方言中意为一个游历甚广的人,而他正是如此?

斐波那契出生于意大利,但在北非接受教育,他的父亲Guilielmo在那里担任外交职务。他父亲的工作是代表在布吉亚(后来称为布吉,现在称为贝贾亚)进行贸易的比萨共和国商人。贝贾亚是阿尔及利亚东北部的一个地中海港口。该镇位于苏马姆河河口,靠近古拉亚山和卡本角。斐波那契在布吉亚学习数学,并随父亲广泛旅行,认识到他们所访问国家使用的数学体系的巨大优势。斐波那契在其著名著作Liber abaci(算盘书)(1202年)中写道:-

当我的父亲被他的国家任命为布吉亚海关的公证人,为前往那里的比萨商人服务时,他正在任职,在我还是个孩子的时候就把我叫到身边,考虑到实用性和未来的便利,希望我留在那里,在会计学校接受教育。在那里,当我通过出色的教学接触到印度人的九个符号的艺术时,这门艺术的知识很快便令我欣喜不已,胜过一切,我逐渐理解了它,因为无论在埃及、叙利亚、希腊、西西里还是普罗旺斯,这门艺术所研究的一切,无论其形式如何多样。

斐波那契大约在1200年结束了他的旅行,那时他回到了比萨。在那里,他写了许多重要的著作,这些著作在复兴古代数学技能方面发挥了重要作用,他也做出了自己的重大贡献。斐波那契生活在印刷术出现之前,所以他的书都是手写的,要得到他的一本书的副本,唯一的办法就是让人再手抄一份。在他的著作中,我们仍然拥有Liber abaci (《计算之书》)(1202年)、Practica geometriae (《实用几何》)(1220年)、Flos (《花》)(1225年)和Liber quadratorum (《平方数之书》)的副本。鉴于手抄副本的数量相对较少,我们能有幸接触到他在这些著作中的文字。然而,我们知道他还写过一些其他文本,不幸的是,这些文本已经失传。他关于商业算术的书Di minor guisa (《小方法之书》)已经失传,他对欧几里得Elements第十卷的评注也已失传,该评注包含了对无理数数的数值处理,而欧几里得曾从几何角度对此进行过探讨。

人们可能会认为,在欧洲对学术兴趣不大的时候,斐波那契会在很大程度上被忽视。然而,事实并非如此,对他的作品的广泛兴趣无疑对他的重要性起到了很大的推动作用。斐波那契是Jordanus的同时代人,但他是一位远为精深的数学家,他的成就得到了明确认可,尽管使他同时代人闻名的是实际应用而非抽象定理。

神圣罗马帝国皇帝是腓特烈二世。他于1212年加冕为德国国王,然后于1220年11月在罗马圣彼得教堂被教皇加冕为神圣罗马帝国皇帝。腓特烈二世支持比萨在海上与热那亚的冲突,以及在陆地上与卢卡和佛罗伦萨的冲突,他直到1227年都在巩固他在意大利的权力。国家对贸易和制造实行控制,监督这一垄断的公务员在那不勒斯大学接受培训,腓特烈于1224年为此目的创办了该大学。

腓特烈通过他宫廷中的学者了解到斐波那契的工作,这些学者自斐波那契大约1200年返回比萨以来就与他通信。这些学者包括宫廷占星家斯格特、宫廷哲学家Theodorus Physicus和Dominicus Hispanus,后者向腓特烈建议,当腓特烈的宫廷于1225年左右在比萨集会时,他会见斐波那契。

巴勒莫的约翰内斯,腓特烈二世宫廷的另一位成员,向伟大的数学家斐波那契提出了一些问题作为挑战。其中三个问题由斐波那契解决,他在Flos(花)中给出了解答,并将其寄给了腓特烈二世。下面我们给出其中一个问题的一些细节。

1228年之后,只有一份已知文件提到了斐波那契。这是比萨共和国在1240年颁布的一项法令,其中授予薪水给:-

……严肃而博学的斐波那契 Bigollo大师……。

这份薪水是给予斐波那契的,以表彰他为城市提供的服务,在会计事务上提供建议并教导市民。

Liber abaci(算盘书)于1202年斐波那契返回意大利后出版,献给了斯格特。这本书基于斐波那契在旅行期间积累的算术和代数知识。这本书后来被广泛抄写和模仿,将印度-阿拉伯位置值十进制系统和使用阿拉伯数字引入欧洲。事实上,尽管主要是一本关于使用阿拉伯数字的书,后来被称为算法,但在这部著作中也研究了联立线性方程。当然,斐波那契在Liber abaci(算盘书)中考虑的许多问题与阿拉伯来源中出现的问题相似。

Liber abaci(算盘书)的第二部分包含大量针对商人的问题。它们涉及商品价格、如何计算交易利润、如何在地中海国家使用的各种货币之间转换,以及起源于中国的问题。

Liber abaci (《计算之书》)第三部分中的一个问题引出了斐波那契数和斐波那契数列,而斐波那契今天最为人所铭记的正是后者:-

某人把一对兔子放在一个四面被墙围住的地方。假设每个月每对兔子都生出一对新兔子,而新兔子从第二个月起就能生育,那么一年内这对兔子能繁殖出多少对兔子?

由此得到的数列是 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, ...(斐波那契在Liber abaci(《算盘书》)中省略了第一项)。这个数列中每个数都是前两个数之和,已被证明极为多产,出现在数学和科学的许多不同领域中。Fibonacci Quarterly是一本现代期刊,致力于研究与这个数列相关的数学。

这第三部分还给出了许多其他问题,包括这些类型,以及许许多多其他类型:

一只蜘蛛每天沿墙向上爬若干英尺,每晚又滑回固定的距离,问它需要多少天才能爬上墙顶。
一只速度按算术级数增加的猎犬追赶一只速度也按算术级数增加的野兔,问猎犬追上野兔前它们各跑了多远。
计算两人在若干钱转手后各有多少钱,已知按比例增加和减少的量。

还有涉及完全数的问题、涉及中国剩余定理的问题,以及涉及算术级数和几何级数求和的问题。

斐波那契在第四节中处理了诸如√10这样的数,既使用了有理的近似值,也使用了几何构造。

斐波那契于1228年推出了Liber abaci(《算盘书》)的第二版,并附有一篇序言,其内容正如许多书籍第二版序言的典型做法,声称:-

……书中增加了新材料,删去了多余的内容……

斐波那契的另一部著作是Practica geometriae(《实用几何》),写于1220年,题献给上文提到的Dominicus Hispanus。书中收录了大量几何问题,分为八章,其中的定理以欧几里得Elements欧几里得On Divisions为基础。除了带有严格证明的几何定理外,该书还包含供测量员使用的实用信息,其中有一章讲述如何利用相似三角形计算高大物体的高度。最后一章给出了斐波那契所称的几何精妙之处[1]:——

其中包括由外接的内接圆的直径计算五边形和十边形的边长;也给出了逆运算,以及由面积计算边长。……为完成关于等边三角形的部分,在这样的三角形内作一个矩形和一个正方形,并用代数方法计算它们的边长……

Flos(《花》)中,斐波那契给出了10x+2x2+x3=2010x + 2x^{2} + x^{3} = 20一个根的精确实用的近似值,这是巴勒莫的Johannes向他提出挑战要求解决的问题之一。这个问题并非巴勒莫的Johannes所创,而是取自奥马尔·海亚姆的代数书,在那里是通过一个圆与一条双曲线的交点来求解的。斐波那契证明该方程的根既不是整数也不是分数,也不是分数的平方根。他接着写道:——

由于无法用上述其他任何方法解此方程,我便设法将解法化为一种近似。

斐波那契没有解释他的方法,随后用六十进制记法给出了近似解1.22.7.42.33.4.40(这是以60为基写出的,因此等于1+2260+7602+42603+...1 + \large\frac{22}{60}\normalsize + \large\frac{7}{60^{2}\normalsize} + \large\frac{42}{60^{3}\normalsize} + ...)。它换算成十进制为1.3688081075,精确到九位小数,这是一项了不起的成就。

Liber quadratorum写于1225年,是斐波那契最令人印象深刻的作品,尽管并非他最著名的作品。书名意为《平方数之书》,它是一本数论著作,其中除其他内容外,还考察了寻找毕达哥拉斯三元组的方法。斐波那契首先指出,平方数可以构造为奇数之和,本质上描述了使用公式n2+(2n+1)=(n+1)2n^{2} + (2n+1) = (n+1)^{2}的归纳构造。斐波那契写道:-

我思考了所有平方数的起源,发现它们源于奇数的规则递增。因为1是一个平方数,由它产生第一个平方数,即1;加上3得到第二个平方数,即4,其根为2;若在此和上加上第三个奇数,即5,将产生第三个平方数,即9,其根为3;如此,平方数的序列和级数总是通过奇数的规则相加而上升。

为了构造毕达哥拉斯三元组,斐波那契进行如下操作:-

因此,当我想找到两个平方数,其和产生一个平方数时,我取任意奇平方数作为这两个平方数之一,并通过将从1开始直到但不包括该奇平方数的所有奇数相加来找到另一个平方数。例如,我取9作为所提到的两个平方数之一;剩余的平方数将通过加上9以下的所有奇数,即1、3、5、7来获得,其和为16,是一个平方数,当加到9上时得到25,是一个平方数。

斐波那契还证明了许多有趣的数论结果,例如:

不存在x,yx, y使得x2+y2x^{2} + y^{2}x2y2x^{2} - y^{2}都是平方数。

x4y4x^{4} - y^{4}不可能是平方数。

他定义了congruum的概念,即形如ab(a+b)(ab)ab(a + b)(a - b)的数,如果a+ba + b是偶数,以及如果a+ba + b是奇数则为此数的4倍。斐波那契证明了同余数必须能被24整除,他还证明了对于满足x2+cx^{2} + cx2cx^{2} - c均为平方数的x,cx, c,则cc是同余数。他还证明了平方数不可能是同余数。

正如[2]中所述:-

……仅(《平方数之书》)一书就使斐波那契跻身于丢番图与17世纪法国数学家Pierre de 皮埃尔·德·费马之间数论的主要贡献者之列。

斐波那契的影响比人们所期望的更为有限,除了他在传播印度-阿拉伯数字的使用和兔子问题方面的作用外,斐波那契对数学的贡献在很大程度上被忽视了。正如[1]中所解释的:-

直接影响仅由《计算之书》和《实践》中那些用于引入印度-阿拉伯数字和方法并有助于掌握日常生活问题的部分所施加。在这里,斐波那契成为了计算大师和测量员的老师,正如从卢卡·帕西奥利的《大全》(算术、几何、比例和比例性概要)中可以了解到的那样……斐波那契也是“Cossists”的老师,后者得名于'causa'一词,该词在西方首先由斐波那契使用,以代替'res'或'radix'。他对一般数或系数的字母表示法首先由弗朗索瓦·韦达改进……

斐波那契在数论方面的工作在中世纪几乎完全被忽视,实际上无人知晓。三百年后,我们发现同样的结果出现在弗朗西斯科·马若利科的著作中。

上方的肖像来自一幅现代版画,据信并非基于可靠的来源。

参考文献

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