毕达哥拉斯(Pythagoras)这个名字,大多数人都是从同名的定理中听说的。这位古希腊的数学家和哲学家曾经提出一个理念:要想理解世界,就必须先懂得数学。他还发现了数字的很多奇妙性质,而且认为这些发现无论有没有实际的用途,其本身都具备巨大的价值。亚里士多德的学生亚里士多塞诺斯(Aristoxenus)曾经说道:“他极其重视算术研究工作,并把这些研究从实用的商业领域中划分出来,单独加以推进。”
毕达哥拉斯出生于希腊的萨摩斯(Samos)岛,这个岛的海上力量在当时很强大。虽然生长于显赫的家族中,但比起财富,他更愿意追求智慧。年轻的时候,他曾经去米利都(Miletus)求教于泰勒斯(Thales,希腊哲学的奠基人,参见本书9.2节),而后者则建议他去埃及学习那里的数学秘技。
在毕达哥拉斯游学海外期间,波斯帝国征服了埃及。他跟随波斯军队向东到达巴比伦(Babylon,在现今的伊朗),学到了巴比伦人的数学和天文知识。那个时候,他或许碰到了由印度而来的旅行者。根据已知的资料,他当时接触并开始提倡诸如灵魂轮回(transmigration of souls)、素食论(vegetarianism)和禁欲论(asceticism)等理念这些理念通常来说是与印度宗教有所联系的,而在他之前,它们则完全不为希腊人所知。
返回希腊后,毕达哥拉斯开始在意大利南部的希腊殖民地克罗顿(Croton)发展,有一群男女弟子跟随他学习理念,并过着苦行式的生活。他们把主要的精力都用来研究天文、几何、数论及音乐这四门学科。在其后的两千年里,欧洲的教育一直以这四术(quadrivium)为中心。这四门学科是彼此相关的:星体的运动可以与几何对应起来,而几何又以数字为基础,此外数字还可以衍生出音乐。实际上,毕达哥拉斯是首个发现纯八度音(octave)在频率上有数学规律的人。他的弟子说他可以“听见天界的乐音”。
毕达哥拉斯死后,其弟子遍布该区域内的其他希腊殖民地,并取得了许多数学成果。由于他们是秘密传授知识的,因此很多成果可能已经散失了。而且他们为了防止彼此之间产生冲突,会把所有的数学发现都归功于毕达哥拉斯本人,这导致我们很难分辨其中的某个结果到底是由谁发现的。
尽管毕达哥拉斯学派(Pythagorean)的社团在几百年后就消失了,但是他们的学说依然具有一定的影响力。直到17世纪,还有像莱布尼兹(Leibniz,微积分的创立者之一)这样的人宣称自己是毕达哥拉斯主义者。
由于毕达哥拉斯及其追随者都是秘密从事研究的,因此他们的著作没能流传下来。然而我们可以根据同时代的人所留下的记录,来了解该学派的数学成就。其中的某些成果记录在了由杰拉什的尼科马库斯(Nicomachus of Gerasa)于公元1世纪所写的《算术入门》(Introduction to Arithmetic)一书中。这些成果包括与数字的几何属性有关的一些论断,由此可见,毕氏学派把数字和特定的形状联系了起来。
三角形数(Triangular number)是指可以通过下面这样的几何图案来表示的数,这些图案会把由前n个正整数所表示的各行堆积起来:
长方形数
(Oblong number)是指可以排列为下列图案的数字:
由此很容易看出,第n个长方形数可以由包含n×(n+1)个元素的矩形来表示:
此外,由于每一个长方形数都显然是相应三角形数的2倍,而三角形数又是前n个正整数之和,因此可以得出:
于是,我们就通过对几何图案所做的观察,得到了前n个正整数的求和公式:
他们还观察到一个几何现象,即所有的奇数都可以表示成磬折形(gnomon)的图案(gnomon这个词在希腊语中的意思是角尺,此外它也可以指日晷中用来产生投影的日规):
把前n个磬折形拼起来就可以产生一种熟悉的形状,也就是正方形(square):
通过上述图形我们可以得到另外一个公式,也就是前n个正奇数的求和公式:
习题3.1 用几何方法来证明:任何三角形数乘以8再加1,就是正方形数(square number)。(此问题来自普鲁塔克(Plutarch)的《Platonic Questions》。)