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数学家传记

刘徽Liu Hui

出生
约220年 中国卫
逝世
约280年 中国

刘徽是一位中国数学家,撰写了《九章算术》的注释。

完整传记

丢番图,常被称为“代数之父”,最著名的是他的Arithmetica,一部关于代数方程解法和数论的著作。然而,关于他的生平基本上一无所知,关于他生活的年代一直有很多争论。

关于丢番图的生卒年代,可以确定几个界限。一方面,丢番图引用了Hypsicles著作中多边形数的定义,因此他的写作时间必定晚于公元前150年。另一方面,亚历山大的亚历山大的席恩,即希帕蒂娅之父,引用了丢番图的一个定义,这意味着丢番图的写作时间不晚于公元350年。然而,这留下了500年的跨度,因此这些信息并未将丢番图的年代缩小很多。

还有另一条信息,多年来一直被接受为能给出相当准确的年代。托马斯·利特尔·希思[3]引用了生活在11世纪后半叶的Michael Psellus的一封信。Psellus写道(托马斯·利特尔·希思在[3]中的译文):-

丢番图更精确地处理了[埃及算术],但极为博学的Anatolius以不同的方式和最简洁的形式收集了丢番图所陈述的学说中最本质的部分,并将他的著作献给了丢番图。

Psellus还在这封信中描述了这样一个事实:丢番图给未知量的幂起的名称与埃及人给出的不同。这封信首次由保罗·塔内里在[7]中发表,在该著作中他评论说,他相信Psellus引用的是现已失传的、可能由希帕蒂娅撰写的丢番图评注。然而,上面给出的引文一直被用来确定丢番图的年代,其依据的理论是:这里提到的Anatolius是生活在3世纪的Laodicea主教,他是一位数学作家和教师。由此推断丢番图大约在公元250年写作,我们给出的他的年代就是基于这一论证。

然而,威尔伯·诺尔在[16]中批评了这一解释:-

但人们立刻会怀疑有什么不对劲:有人竟然会编纂他人著作的节本,然后将其题献给他本人,这似乎很奇怪,而“以不同的方式”这一限定语本身空洞无物,鉴于“最精华”和“最简洁”这些措辞,它本应是多余的。

威尔伯·诺尔对同一段落给出了不同的翻译(表明希腊数学研究对任何非古典希腊语专家而言有多么困难),其含义有显著差异:-

丢番图更精确地处理了[埃及算术],但博学的阿纳托利乌斯收集了那人学说中最精华的部分,以最简洁的方式将其寄给另一位丢番图。

威尔伯·诺尔关于丢番图年代的结论是[16]:-

……我们必须考虑丢番图生活在三世纪之前的可能性,甚至可能早于一世纪的赫伦。

关于丢番图生平我们所知的最多细节(这些可能完全是虚构的)来自约公元500年由梅特罗多鲁斯编纂的《希腊文选》。这部谜题集中有一则关于丢番图的谜题,其中说道:-

……他的童年占其一生的16\large\frac{1}{6}\normalsize分之一;又过了17\large\frac{1}{7}\normalsize分之一他才结婚;再过112\large\frac{1}{12}\normalsize分之一他有了胡子,又过了5年他的儿子出生;儿子活到了父亲年龄的一半,儿子死后4年父亲也去世了。

因此他在26岁时结婚,有一个儿子在42岁时去世,比丢番图本人去世早四年,丢番图去世时84岁。根据这些信息,我们得出他的寿命为84岁。

Arithmetica是一部包含130个问题的文集,给出了确定方程(具有唯一解的方程)和不定方程的数值解。求解后者的方法现在被称为Diophantine analysis。人们认为原书13卷中只有6卷留存下来,并且认为其余各卷在写成后不久就必定已经失传。有许多阿拉伯文译本,例如阿布·瓦法的译本,但只有这6卷的内容出现。托马斯·利特尔·希思在1920年的[4]中写道:-

缺失的各卷显然在很早的时期就已失传。保罗·塔内里认为希帕蒂娅的注释只延伸到前6卷,而她没有触及其余7卷,部分因此之故,这7卷先是被遗忘,然后失传。

然而,伊朗马什哈德的Astan-i Quds图书馆(圣祠图书馆)中的一份阿拉伯文手稿有一个标题,声称它是卒于912年的Qusta ibn Luqa对丢番图所著Arithmetica第IV至VII卷的译本。F Sezgin在1968年作出了这一引人注目的发现。在[19]和[20]中,Rashed将这份阿拉伯文译本中的四卷与已知的六卷希腊文卷进行比较,并声称该文本是丢番图失传各卷的译本。然而,Rozenfeld在评论这两篇文章时并不完全信服:-

评论者熟悉这份手稿的阿拉伯文文本,并不怀疑这份手稿译自写于亚历山大的希腊文文本,但丢番图的⟦E1⟧的希腊文各卷将代数问题与数论中的深刻问题结合在一起,而这些卷只包含代数材料,二者之间的巨大差异使得这份文本很可能不是丢番图所写,而是出自他的某位注释者(也许是希帕蒂娅?)之手。

现在该来看看希腊数学中这部最杰出的代数著作了。这部著作考虑了许多关于线性方程和二次方程的问题的解法,但只考虑这些问题的正有理的解。对于会导致负解或无理数平方根的方程,Diophantus 认为它们是无用的。举一个具体的例子,他把方程4=4x+204 = 4x + 20称为“荒谬的”,因为它会导致无意义的答案。换句话说,一个问题怎么会得出 -4 本书这样的解呢?没有证据表明 Diophantus 意识到二次方程可以有两个解。然而,他总是满足于有理数解而不要求整数解,这一事实比我们今天可能意识到的更为精深。

丢番图考察了三种类型的二次方程 ax2+bx=c,ax2=bx+cax^{2} + bx = c, ax^{2} = bx + cax2+c=bxax^{2} + c = bx。丢番图之所以有三种情形,而今天只有一种情形,原因在于他没有零的概念,并且通过在上述三种情形的每一种中都把给定数 a,b,ca, b, c 视为正数,避免了负系数。

然而,Diophantus 还考虑了许多其他类型的问题。他解决了诸如成对的联立二次方程之类的问题。
考虑y+z=10,yz=9y + z = 10, yz = 9。Diophantus 会通过构造一个关于 x 的单一二次方程来求解。令2x=yz2x = y - z,于是,将y+z=10y + z = 10yz=2xy - z = 2x相加,得到y=5+xy = 5 + x,然后相减得到z=5xz = 5 - x。现在

9=yz=(5+x)(5x)=25x29 = yz = (5 + x)(5 - x) = 25 - x^{2},所以x2=16,x=4x^{2} = 16, x = 4

得到y=9,z=1y = 9, z = 1

在第 III 卷中,丢番图解决了求使两个线性表达式同时成为平方数的值的问题。例如,他展示了如何求 xx,使 10x+910x + 95x+45x + 4 都为平方数(他求得 x=28x = 28)。其他问题寻求 xx 的一个值,使得 xx 中某些类型的次数不超过 6 的多项式为平方数。例如,他在第 VI 卷中解决了求 xx 使 x33x2+3x+1x^{3} - 3x^{2} + 3x + 1 为平方数的问题。同样在第 VI 卷中,他解决了诸如求 xx 使 4x+24x + 2 同时为立方数且 2x+12x + 1 为平方数之类的问题(对此他很容易地求得答案 x=32x = \large\frac{3}{2}\normalsize)。

Diophantus 研究的另一类问题,这次是在第四卷中,是求给定界限之间的幂。例如,要在54\large\frac{5}{4}\normalsize和 2 之间找到一个平方数,他把两者都乘以 64,发现 100 这个平方数在 80 和 128 之间,从而得到原问题的解2516\large\frac{25}{16}\normalsize。在第五卷中,他解决了诸如把 13 写成两个各自大于 6 的平方数之和的问题(他给出了解6604910201\large\frac{66049}{10201}\normalsize6656410201\large\frac{66564}{10201}\normalsize)。他还把 10 写成三个各自大于 3 的平方数之和,找到了这三个平方数

1745041505521,1651225505521,1658944505521\large\frac{1745041}{505521}\normalsize , \large\frac{1651225}{505521}\normalsize , \large\frac{1658944}{505521}\normalsize

托马斯·利特尔·希思考察了数论的结果,Diophantus 显然知道这些结果,但尚不清楚他是否有证明。当然,这些结果可能已在 Diophantus 写的其他书中得到证明,或者他可能由于实验证据而觉得它们“显然”为真。这类结果包括[4]:-

……形如4n+34n + 34n14n - 1的数不可能是两个平方数之和;

……形如24n+724n + 7的数不可能是三个平方数之和。

丢番图似乎也知道每个数都可以写成四个平方数之和。如果他确实知道这一结果,那将确实非同寻常,因为就连陈述了这一结果的皮埃尔·德·费马也未能给出证明,直到约瑟夫·拉格朗日利用莱昂哈德·欧拉的结果才证明了它。

尽管丢番图没有使用复杂的代数符号,但他确实引入了一种代数符号体系,用缩写表示未知量及未知量的幂。正如1中Vogel所写:-

丢番图首次引入、无疑也是他自己设计的这套符号,提供了一种简短且易于理解的表达方程的方式……由于对“等于”一词也采用了缩写,丢番图从文字代数向符号代数迈出了根本性的一步。

从我们引用的例子中可以清楚看到一点,那就是丢番图更常关注具体问题,而非一般方法。原因在于,尽管他在符号体系上取得了重要进展,但他仍然缺乏表达更一般方法所需的记号。例如,他只有表示一个未知量的记号,当问题涉及不止一个未知量时,丢番图只能被迫用文字表达“第一未知量”、“第二未知量”等。他也缺乏表示一般数nn的符号。在我们写作12+6nn23\Large\frac{12 + 6n}{n^{2} -3}的地方,丢番图只能用文字写成:-

……一个六倍的数加上十二,再除以该数的平方超过三的差。

尽管记号有所改进,且⟦N1⟧引入了这些记号,代数仍有很长的路要走,才能简洁地写出并解决真正一般的问题。

⟦N1⟧另一部著作On polygonal numbers的残篇流传了下来,这是毕达哥拉斯及其追随者极为感兴趣的主题。在[1]中称,这部著作包含:-

……几乎没有原创内容,[并且]因其使用几何证明而立即与《算术》区分开来。

⟦N1⟧本人提到另一部著作,它由一组称为The Porisms的引理组成,但这部书已完全失传。我们确实知道The Porisms中包含的三个引理,因为⟦N1⟧在Arithmetica中提到了它们。其中一个引理是:两个有理数的立方差等于另外两个有理数的立方和,即给定任意数a, b,则存在数c,dc, d使得a3b3=c3+d3a^{3} - b^{3}= c^{3} + d^{3}

另一部现存著作Preliminaries to the geometric elements曾被归于海伦名下,最近在[16]中得到了研究,其中提出将其归于海伦是不正确的,这部著作应归功于⟦N1⟧。文章[14]的作者认为,他可能又辨认出了⟦N1⟧的另一部著作。他写道:-

我们推测丢番图有一部失传的理论著作,题为《算术基础教程》。我们的论断基于一位匿名拜占庭评论者的一条注疏。

直到1463年约翰·缪勒写道之前,欧洲数学家并不知道丢番图的Arithmetica中的珍宝:-

还没有人把丢番图的十三卷从希腊文译成拉丁文,而全部算术的精华就隐藏在其中……

拉法耶尔·蓬贝利在1570年翻译了这部著作的大部分,但从未出版。拉法耶尔·蓬贝利确实借用了丢番图的许多问题用于他自己的Algebra。丢番图Arithmetica最著名的拉丁文译本出自1621年的克劳德-加斯帕·巴歇·德·梅齐里亚克,而皮埃尔·德·费马研究的正是这个版本。当然,皮埃尔·德·费马受到了这部著作的启发,而这部著作近年来因其与费马大定理的联系而闻名。

我们在本文开头指出,丢番图常被视为“代数之父”,但毫无疑问,许多解线性方程和二次方程的方法可以追溯到巴比伦数学。为此,Vogel写道[1]:-

……丢番图并不像人们常说的那样是代数之父。然而,他那非凡的、尽管不成系统的丢番图问题集是一项独特的成就,直到很久以后才得到充分赏识和进一步发展。

参考文献

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