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数学家传记

海伦Hero of Alexandria

出生
约10年 (可能)埃及亚历山大
逝世
约75年

赫伦或海伦是一位重要的几何学家和力学工作者,发明了许多机器,包括蒸汽涡轮机。他最著名的数学工作是三角形面积用其边长表示的公式。

完整传记

有时被称为海伦,海伦是一位重要的几何学家和力学工作者。也许第一个值得评论的是,海伦这个名字在当时是多么常见,在数学史上,要确定哪些提到海伦的文献是指本文所描述的数学家,哪些是指同名的其他人,是一个困难的问题。我们将在下面讨论其他识别问题。

关于海伦的一个主要困难是确定他生活的年代。对此有两种主要观点,一种认为他生活在公元前150年左右,第二种认为他生活在公元250年左右。第一种主要基于海伦没有引用任何晚于阿基米德的著作。第二种基于一个论证,旨在表明他生活在克劳狄乌斯·托勒密之后,并且,由于帕普斯提到了海伦,所以在帕普斯之前。

这两个论点都已被证明是错误的。有人提出了第三个日期,其依据是相信海伦与Columella是同时代人。Columella是一位罗马士兵和农民,他写了大量关于农业和类似主题的文章,希望培养人们对农业的热爱和对简单生活的喜爱。Columella在大约公元62年写的一篇文本中[5]:-

……给出了平面图形的测量值,这些测量值与海伦使用的公式一致,特别是等边三角形、正六边形(在这种情况下,不仅公式而且实际数字都与海伦的一致)以及小于半圆的圆弓形……

然而,大多数历史学家认为Columella和海伦都使用了更早的来源,并声称相似性并不能证明任何依赖关系。我们现在知道,那些相信海伦生活在Columella时代附近的人实际上是对的,因为奥托·纽格包尔在1938年发现海伦在他的其中一部作品中提到了一次最近的日食,根据海伦提供的信息,他能够将其与海伦在62年3月13日23时发生的一次日食联系起来。

从海伦的著作中可以合理推断,他曾在海伦的博物馆任教。他的作品看起来像是他在那里讲授数学、物理学、气体力学和力学的课程讲义。有些显然是教科书,而另一些可能是尚未整理成最终学生教科书形式的讲义草稿。

帕普斯在他的Mathematical Collection第八卷中描述了海伦的贡献。帕普斯写道(例如见[8]):-

海伦学派的机械学家说,力学可以分为理论部分和手工部分;理论部分由几何学、算术、天文学和物理学组成,手工部分则涉及金属加工、建筑、木工和绘画以及任何涉及手部技能的技艺。

……古人也把奇迹创造者描述为机械学家,其中一些人通过气动力学工作,如海伦在其《气动力学》中所述,一些人通过使用绳索和绳子,试图模仿生物的运动,如海伦在其《自动机》和《平衡》中所述,……或者通过使用水来报时,如海伦在其《水钟》中所述,这似乎与日晷科学有相似之处。

海伦的大量著作流传下来,尽管其中一些的作者身份存在争议。我们将在下面海伦著作列表中讨论一些分歧。这些著作分为几类:技术著作、机械著作和数学著作。流传下来的著作有:

  1. On the dioptra涉及theodolites和测量。它包含一章关于天文学的内容,给出了一种利用在每座城市观测到月食的当地时刻之差来求海伦与罗马之间距离的方法。克劳狄乌斯·托勒密似乎不知道这种方法,这一事实使历史学家们错误地认为海伦生活在克劳狄乌斯·托勒密之后;
  2. The pneumatica 分两卷,研究由空气、蒸汽或水压驱动的机械装置。下面将更详细地描述;
  3. The automaton theatre 描述了一个由绳索、鼓和重物驱动的木偶剧院;
  4. Belopoeica 描述了如何建造战争器械。它与 费隆 的著作以及 维特鲁威 的著作有一些相似之处,后者是生活在公元前 1 世纪的罗马建筑师和工程师;
  5. 关于弩炮的The cheirobalistra被认为是弩炮词典的一部分,但几乎可以肯定不是海伦所写;
  6. Mechanica 分为三卷,为建筑师而写,下文有更详细的描述;
  7. Metrica 给出了测量方法。我们在下文给出更多细节;
  8. Definitiones 包含 133 个几何术语的定义,从点、线等开始。在 [15] 中,威尔伯·诺尔 令人信服地论证了这部著作实际上出自 丢番图 之手;
  9. Geometria似乎是Metrica第一章的一个不同版本,完全基于例子。虽然基于海伦的工作,但人们认为它不是他写的;
  10. Stereometrica 测量三维物体,至少部分基于 Metrica 的第二章,同样基于例子。它同样被认为基于 海伦 的工作,但被许多后来的编者大大修改;
  11. Mensurae 测量了各种各样的不同对象,并与 StereometricaMetrica 的部分内容相关,尽管它主要必定是较晚作者的工作;
  12. Catoptrica讨论镜子,一些历史学家将其归于克劳狄乌斯·托勒密,尽管现在大多数人似乎相信这是海伦的真作。在这部著作中,海伦指出视觉源于眼睛发出的光线。他认为这些光线以无限速度传播。

让我们更深入地考察海伦的一些工作。他的论著Metrica的第一卷讨论了三角形、四边形、3至12边的正多边形、圆锥、圆柱、棱柱、棱锥、球体等的面积。还给出了一种方法,用于近似一个数的平方根,这种方法在2000年前就为巴比伦人所知。海伦以如下形式给出(例如见[5]):-

由于720没有其边有理的,我们可以如下获得其边,差异非常小。由于下一个后继的平方数是729,其边为27,将720除以27。这得到262326\large\frac{2}{3}\normalsize。将27加到这上,得到532353\large\frac{2}{3}\normalsize,取一半即265626\large\frac{5}{6}\normalsize。因此720的边将非常接近265626\large\frac{5}{6}\normalsize。事实上,如果我们将265626\large\frac{5}{6}\normalsize乘以自身,乘积是720136720\large\frac{1}{36}\normalsize,所以平方中的差异是136\large\frac{1}{36}\normalsize。如果我们希望使差异比136\large\frac{1}{36}\normalsize更小,我们将取720136720\large\frac{1}{36}\normalsize而不是729(或者更确切地说,我们应该取265626\large\frac{5}{6}\normalsize而不是27),并以同样的方式进行,我们将发现得到的差异远小于136\large\frac{1}{36}\normalsize

海伦 还在 Metrica 第一卷中证明了他著名的公式:-

如果 A 是边长分别为 a、b、c 的三角形的面积,且 s=12(a+b+c)s = \large\frac{1}{2}\normalsize (a + b + c),则
A2=s(sa)(sb)(sc)A^{2} = s (s - a)(s - b)(s - c)

Metrica 第二卷中,海伦 考虑了球、圆柱、圆锥、棱柱、棱锥等各种三维图形的体积测量。他的序言很有意思,部分原因是关于 阿基米德 工作的知识似乎并不像人们可能预期的那样广为人知(例如见 [5]):-

在测量了曲面——无论是直线形的还是非直线形的——之后,接下来就应当处理立体,这些立体的表面我们已在上一卷中测量过,包括平面和球面、锥面和柱面,以及不规则曲面。处理这些立体的方法,鉴于其令人惊讶的性质,被某些记述其起源的传统说法的作者归之于 阿基米德。但无论它们属于 阿基米德 还是另一个人,都有必要对这些结果作一概述。

Metrica 第三卷讨论按给定比例分割面积和体积。这是 欧几里得 在其著作 On divisions of figures 中研究过的问题,而 海伦 的第三卷与 欧几里得 的工作有许多共同之处。同样在第三卷中,海伦 给出了一种求一个数的立方根的方法。特别是 海伦 求出了 100 的立方根,而 [9] 的作者们给出了 NN 的立方根的一般公式,海伦 似乎在他的计算中使用了这个公式:

a+bdbd+aD(ba)a + \Large \frac {b d}{b d + aD} \normalsize(b - a),其中a3<N<b3,d=Na3,D=b3Na^{3} < N < b^{3}, d = N - a^{3}, D = b^{3} - N

9中指出,这是一个非常精确的公式,但是,除非将错误归咎于一位拜占庭抄写员,他们得出结论,海伦可能借用了这个精确的公式,却不理解如何一般地使用它。

Pneumatica是一部奇特的作品,分为两卷,第一卷有43章,第二卷有37章。海伦从流体内压力的理论考量开始。其中一些理论是正确的,但毫不奇怪,有些则相当错误。接着描述了一整套或许最好被描述为儿童机械玩具的东西[1]:-

能分别或按固定比例倒出酒或水的诡计罐,会唱歌的鸟和发声的喇叭,在祭坛上点火时就会移动的木偶,被提供水时就会喝水的动物……

尽管这一切对一位科学家来说似乎非常琐碎,但看来海伦是在利用这些玩具作为向学生教授物理学的载体。这似乎是一种尝试,使科学理论与当时学生所熟悉的日常物品相关联。

相当引人注目的是,书中描述了100多种机器,例如灭火机、风琴、投币式机器,以及一种称为汽转球的蒸汽动力发动机。海伦的汽转球与喷气发动机有许多共同之处,在2中描述如下:-

汽转球是一个空心球体,其安装方式使其能够在一对空心管上转动,这些空心管从一个大锅中向球体提供蒸汽。蒸汽从球体上从其赤道处突出的一个或多个弯曲管中逸出,使球体旋转。汽转球是已知的第一个将蒸汽转化为旋转运动的装置。

海伦写了许多重要的力学论著。它们给出了提升重物的方法,并描述了简单的机械装置。特别是Mechanica相当紧密地基于阿基米德的思想。第一卷考察如何按照给定形状的给定比例构造三维形状。它还考察了运动理论、某些静力学问题以及天平理论。

在第二卷中海伦讨论了用杠杆、滑轮、楔子或螺旋提升重物。其中讨论了平面图形的重心。第三卷考察了用雪橇等手段运输物体的方法、起重机的使用,并探讨了榨酒机。

另有一些著作被归于海伦名下,其中一些我们存有残篇,另一些则仅有提及。存有残篇的著作包括一部关于Water clocks的四卷本著作,以及Commentary on Euclid's Elements,后者必定至少涵盖了Elements的前八卷。被提及但无任何痕迹存留的海伦著作,包括阿什凯隆的欧托基奥斯提到的CamaricaOn vaultings,以及帕普斯提到的ZygiaOn balancing。此外,在Fihrist这部十世纪伊斯兰文化概览中,还提到了海伦的一部关于如何使用星盘的著作。

最后,考察各位作者对海伦的质量和重要性所表达的看法是很有意思的。奥托·纽格包尔写道[7]:-

对数学楔形文字文本的解读清楚地表明,希腊数学中大量“赫伦式”类型的内容不过是巴比伦数学传统延续1800年后的最后阶段。

有些人认为海伦是一个无知的手工匠人,他抄袭了自己书中的内容却不理解自己所写的东西。这种指责尤其针对Pneumatica,但Drachmann在[1]中写道:-

……在我看来,这种流畅而相当散漫的风格表明,此人精通自己的主题,正在向一群对此了解甚多、或可能被期望了解甚多的听众作快速概述。

一些学者认可海伦作为测量员的实践技能,但声称他的科学知识微不足道。然而,Mahony在[1]中写道:-

根据最近的学术研究,他现在看来是一位受过良好教育且常常富有独创性的应用数学家,同时也是从巴比伦人、经阿拉伯人、到文艺复兴时期欧洲的连续实用数学传统中的一个重要环节。

最后托马斯·利特尔·希思在[5]中写道:-

海伦的手册实用性如此之大,它们自然应该大受欢迎,同样自然的是,其中最受欢迎的至少应该被后来的作者重新编辑、修改和增补;这对于像欧几里得的《几何原本》那样,在希腊、拜占庭、罗马和阿拉伯教育中几个世纪以来一直常规使用的书籍来说是不可避免的。

参考文献

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延伸资源

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