世界数学史

世界数学史数学发展具有阶段性，因此研究者根据一定的原则把数学史分成若干时期。目前学术界通常将数学发展划分为以下五个时期：1．数学萌芽期（公元前600年以前）；2．初等数学时期（公元前600年至17世纪中叶）；3．变量数学时期（17世纪中叶至19世纪20年代）；4．近代数学时期（19世纪20年代至第二次世界大战）；5．现代数学时期（20世纪40年代以来）。序言本世纪初，法国著名科学家普恩凯莱(H．Poincare，1854—1912)就曾说过：“如果我们想要预见数学的将来，适当的途径是研究这门科学的历史和现状．”而了解数学的历史，不仅对有志于数学研究的研究人员来说是十分重要的，就是对高、中、初级各类学校中的数学教育工作者以及更为广大的数学爱好者讲来，其重要意义都是极为显而易见的．长时期以来，我国的数学史工作者，他们的大部分工作，多是属于中国古代数学史方面的．而对于世界数学史的研究工作，相对讲来，起步较晚，数量较小．只到了最近，这种情况才稍有改变．七、八年前，本书的作者们有鉴于此，不揣冒昧，组织起来进行工作．其结果，就是呈现在读者面前的这部著作．在本书中，并没有把中国与外国并列，而是把中国数学放到世界数学之中去写的．宋元数学代表了当时世界数学的较高水平，所以列专章论述；清代数学相对落后，有价值可入史册者，也列入有关章节适当介绍．全书基本上按时间顺序编排，但也考虑到地区和学科．古代数学成果曾先后集中在几个地区，故以地区分章；而现代数学的发展多呈以学科为系统的发展形式，故现代数学多以学科分章或分节．本书的选题、组织的最初工作是由杜石然负责的．各章节的执笔分工如下：张贵新：第一、二、三章；孔国平：第四、八、九、十、十一章；杜瑞芝：第五、六、七章；张祖贵：第十二、十三章；胡作玄：第十四章中的第1—4节．全书的统纂工作，是由孔国平完成的．中国科学院数学研究所李文林教授协助审阅了本书的第九、十、十一章、中国科学院自然科学史研究所刘钝教授协助审阅了第四、八章．他们都提出了有益的修改意见．辽宁师范大学的梁宗巨教授、王青建副教授为本书提供了数学家的肖像和数学著作的书影．吉林教育出版社白国才等社领导以及编辑部的阙家栋、王铁义等先生都做了大量的工作．凡此种种，在此一并致谢．虽经各位作者尽心努力，由于资料、水平所限，疏漏谬误之处当在所难免，敬请各位读者批评指正．杜石然一九九五年二月，序于日本国京都市佛教大学第一章：埃及数学第一节埃及数学产生的背景及研究依据埃及是数学古国，被人们认为是数学产生的最早国家之一，因此，在研究数学历史的时候，必须提及埃及的数学．对埃及数学的产生，曾有过各种不同的看法，例如，希腊的逻辑学家亚里士多德(Aristotle，公元前384—约前322)在其《形而上学》一书中指出：“之所以在埃及能够产生数学，是受到上帝的恩赐．”对此，恩格斯在《反杜林论》中明确指出：“数学是人的需要中产生的，是从丈量土地和测量容积，从计算时间和制造器皿产生的．”事实上，埃及的数学产生，符合恩格斯的精辟阐述．一、埃及数学产生的社会背景埃及位于尼罗河岸，在古代分为两个王国，夹在两个高原中间的狭长谷地，叫做上埃及．处于尼罗河三角洲的地带叫做下埃及．这两个王国经过长时期的斗争，在公元前3200年实现了统一，并建都于下游的孟斐斯(Memphis)．尼罗河经常泛滥，淹没良田．在地界被冲刷的情况下，统治者要按不同数量征粮征税，这样，必须重新丈量土地．实际上，埃及的几何学就起源于此．希腊的历史学家希罗多德(Herodo-tus，约公元前484—前424)在《历史》(HerodotiHistoriae)一书中，明确指出：“塞索特拉斯(Sesostris)①在全体埃及居民中间把埃及的土地作了一次划分．他把同样大小的正方形土地分给所有的人，并要求土地持有者每年向他缴纳租金，作为他的主要税收．如果河水泛滥，国王便派人调查并测量损失地段的面积．这样，他的租金就要按照减少后的土地的面积来征收了．我想，正是由于有了这样的做法，埃及才第一次有了几何学，而希腊人又从那里学到了它．”希腊数学家德谟克利特(Democritus，约公元前460—前357)也曾指出：“我不得不深信，几乎埃及人都会画证明各种直线的图形，每个人都是拉绳定界的先师．”所谓拉绳定界的先师(harpedonaptai)大概是指以拉绳为主要工具的测量师．埃及人为了发展农业生产，必须注意尼罗河的泛滥周期，在实践中，积累了许多天文知识和数学知识．譬如，他们注意到当天狼星和太阳同时出没之时，就是尼罗河洪水将至之兆．并把天狼星的两个清晨上升的间隔当作一年，它包含365天．把一年分成12个月，每个月是30个昼夜．并逐步摸索出用日晷来测量时间．大约在公元前1500年，埃及人就已经使用了水钟——漏壶，它是底部有洞的容器．把这个容器灌满水，水从下面的孔里流完的这段时间作为计算时间的单位．所有这些都蕴含了计算．建造著名的金字塔，可推知是公元前四、五千年前的事．根据对其结构、形状的研究，可推测古代埃及人掌握了一定的几何知识，致使底两个边与正北的偏差，一个仅仅是2'30''，一个是5'30''．这类的实际建筑，推动了埃及数学计算的发展．综上，社会的生产、生活的实际需要，促使埃及数学的产生与发展．二、研究埃及数学的依据古埃及人创造出了几套文字，其中一套是象形文字．“象形文字”这个词源于希腊文，意思是神圣的文字．直到基督降生的年代，埃及在纪念碑文和器皿上还刻有象形文字．自公元前2500年左右起，开始使用象形文字的缩写，称作僧侣文(hieraticwriting)．1．兰德纸草书埃及的数学原典就是由象形文字书写而成，其中，对考察古埃及数学有重要价值的是“兰德纸草书”，这部纸草书①是在埃及古都——底比斯(Thebes)的废墟中发现的．1858年由兰德(A．H．Rhind)购买，尔后，遗赠给伦敦大英博物馆．因此，叫做兰德纸草书．这种纸草书长约550厘米、宽33厘米，摹本出版于1898年．这部纸草书是根据底比斯人统治埃及时(约公元前1800年以后)写成的，著者阿梅斯(Ahmes)曾写道，此书是根据埃及王国时代(公元前2000—前1800)的材料写成的②．这部纸草书的出现，对埃及的文化产生了重要影响，对数学的发展和传播起到了一定的作用．阿梅斯认为，这是一部“洞察一切事物的存在，彻底研究一切事物的变化，揭示一切秘密……”的经典．实际上，只是传授“数”的秘密和分数计算．全书分成三部分，一是算术；二是几何；三是杂题．共有85题．记载着埃及人在生产、生活中遇到的实际问题．例如，对劳动者酬金的分配；面积和体积的计算；不同谷物量的换算等等．其中，也含有纯数学知识问题．例如，分数的难题计算等等．2．莫斯科纸草书记载着古埃及数学的另一部古典书籍是莫斯科纸草书，此书是由俄罗斯收藏者于1893年获得的．约20年后，即1912年转藏于莫斯科图书馆①．这部纸草书长约550厘米、宽8厘米，共记载着25个问题．由于卷首遗失，书名无法考证．俄罗斯历史学家古拉叶夫(Б．А．Гураев，1868—1920)于1917年和斯特卢威(В．В．Струве，1891—1964)于1930年对莫斯科纸草书进行了研究，后-者完成了出版工作，对进一步研究埃及的数学提供了方便．总之，研究埃及数学主要是依据如上两部书，当然，也可能还有其它的有关资料，有待于进一步发现与考证．第二节埃及数学的主要内容根据埃及纸草书的记载，古埃及人对算术、代数、几何等数学知识已经有了初步认识，并能做简单地应用．现简要介绍如下：一、算术古埃及人所创建的数系与罗马数系有很多相似之处，具有简单而又纯朴的风格，并且使用了十进位制，但是不知道位值制．古埃及人是用象形文字来表示数的，例如根据史料记载，上述象形文字似乎只限于表示107以前数．由于是用象形文字表示数，进行相加运算是很麻烦的，必须要数“个位数”、“十位数”、“百位数”的个数．但在计算乘法时，埃及人采取了逐次扩大2倍(duplication)的方法，运算过程比较简便．乘法：古埃及人采用反复扩大倍数的方法，然后将对应结果相加．例如兰德纸草书(希特版)第32页，记载着12×12的计算方法，是从右往左读的．右边用现代数字表示，这就是倍增法(duplatio)．由下表可知，计算的方法是把12依次扩大2倍，那么12×12为12的4倍加上12的8倍，恰是12的12倍，并把要加的数在右侧(现代阿拉伯数字在左侧)标记斜线，算得结果144．在更早的时期，埃及人也曾采用“减半法”来计算乘法．首先是将一乘数扩大10倍，然后再计算10倍的一半．例如纸草书(卡芬版)第6页，计算16×16，是按如下方法计算的，即减半法(mediatio)．/116/10160/580合计256这种乘法的计算方法是古代人计算技能的基础，是非常古老的方法．希腊时期的学校曾讲授过埃及人的计算方法，到了中世纪，还讲授“倍增法”和“减半法”．除法：埃及人很早就认识到除法是乘法的逆运算，并蕴含在实际计算之中．例如，计算1120÷80(见兰德纸草书第69页)．180/108002160/4320合计1120以上求解的基本思路是10倍的80加4倍的80，恰好是1120，即1120中含有14个80．分数：古埃及人对分数的记法和计算都比现在复杂得多．例如，他分叫做“第三部分”．例如，这样，通过二个部分与第三部分；三个部分与第四部分的结合来表示出一个整体．现在的西欧，有时也用第三(third)、第四(fourth)、第五(fifth)等语言来表达三分之一、四分之一这类分数的含义．按此规律理解，五分之一可认为与四个部分结合成一个整体的第五部分．从语言的角度，五分之二(twofifths)就无法表达了．随着分数范围的不断扩大，计算方法的不断改进，埃及人用“单位分数”(分子是1的分数)来表示分数：对一般分数则拆成“单位分数”表示①．例如，(用现代符号表示)二、代数在兰德纸草书中，因为求含一个未知量的方程解法在埃及语中发“哈喔”(hau)音，故称其为“阿哈算法”．“阿哈算法”实际上是求解一元一次方程式的方法．兰德纸草书第26题则是简单一例．用现代语言表达为：古埃及人是按照如下方法计算的：12，则12即是所求的量．这种求解方法也称“暂定前提”(falseassumption)法，即：首先，根据所求的量而选择一个数．在兰德纸草书第26题中，选择了4．因为实际上，这个问题用列方程的方法很容易计算．设所求量为x，则：解之得：x＝12．在用“阿哈算法”求解的问题中，也含有求平方根的问题，柏林纸草书中有如下的问题：方形，两个正方形面积的和为100，试计算两个正方形的边长．”不妨从“暂定的前提”出发，首先取边长为1的正方形，那么另一方形的边长分别为8和6．如果列成现代的方程式求解，是很简单的．所以，两个正方形的边长分别为8和6．埃及人对“级数”也有了简单的认识，在纸草书中，用象形文字写出一列数7，49，343，2401，16807，并与之对应一列词：“图画”，“猫”，“老鼠”，“大麦”，“容器”，最后，给出和数为19607．实际上，这是公比为7的等比数列．对此，有的数学史家解释为：“有7个人，每人有7只猫，每只猫能吃7只老鼠，而每只老鼠吃7穗大麦，每穗大麦种植后可以长出7容器大麦．”从这个题目中，可以写出怎样的一列数，它们的和是多少？这种题目就涉及到求数列和的问题．三、几何埃及人创建的几何以适用工具为特征，以求面积和体积为具体内容．他们曾提出计算土地面积、仓库容积、粮食堆的体积、建筑中所用石料和其它材料多寡等法则．埃及人能应用正确的公式来计算三角形、长方形、梯形的面积．把三角形底边二等分，乘以高；同样，把梯形两平行边之和二等分，乘以高分别作为三角形和梯形的面积．另外，埃及人还能对不同的面积单位进行互相换算．在埃及埃特夫街的赫尔斯神殿的文书中，记载着很多关于三角形和四边形面积计算问题，如图1．1．但是，他们把四边形二对边之和的一半与另二对边和的一半之积作为其面积，这显然是不对的，只是长方形时，这才是正确的计算公式．埃及人曾采用s＝(8d/9)2(其中s