代数学兴起于约4000年前的古巴比伦(位于现今的伊拉克境内)。因为古巴比伦人喜好书记,也因为他们用由砖石陶土做成的碑匾立柱来记录而流传下来,我们才得知这一切。
古巴比伦以空中花园闻名,如今已经尘归尘土归土。它的数学反而绵延更久。
古巴比伦文字是用一种形状特殊的尖笔刻在润湿的陶土上,然后印出的楔形图案。他们使用的这套书写系统如今被称为楔形文字,在多种文明中传承了千余年。古巴比伦人对文字很上心,现存有超过50万块的陶土碑匾。到了1860年,人们已经知道许多陶土碑匾上包含数字符号,但是仍未对之产生关注。
我们对古巴比伦数学家并不了解,但是有一个人的大名与楔形文字紧密相连,他就是奥地利数学家奥托·诺伊格鲍尔。正是此人解读了陶土上的算式,整合了古巴比伦代数,并在20世纪30年代和40年代以出版图书的方式告诉了人们他的发现。诺伊格鲍尔在德国生活,他的工作备受尊崇,是1933年哥廷根数学研究所最杰出的成果。然而,当他被要求宣誓效忠由纳粹党控制的政府之日,就立刻离职去国,先到丹麦,后到美国,去研究古巴比伦代数。
我们使用的是10进制系统,也就是说一个四位数比如2074表示2个千(没有百位数)、7个十和4个一。用10进制计数,我们只要用10个不同的字符(包括0)就可以了:0,1,2,3,4,5,6,7,8,9。
数完了这些,我们在数的左边加个1,再数10个数:10,11,12,…,19。
数完了这些,我们增大左边的1,再数10个数:20,21,…
我们推测10进制的由来是我们有10根手指,如果我们用它们来计数,超过10的时候就得用点别的什么东西。
但是,古巴比伦人可没有局限于10。他们使用60进制,不过他们的数字进制系统里没有0。
他们的数字进制系统是这样子的。
因为我们的数字进制系统与古巴比伦数字进制系统的渊源,如今,我们仍把1小时分成60分钟,1分钟分成60秒。
诺伊格鲍尔挖掘出的代数在某些方面还是相当先进的。古巴比伦数学家对勾股定理(参见 此处 )已经熟稔,还会解二次方程(参见 此处 方框),尽管他们并没有任何形式的数学符号,甚至连等号都没有。他们的计算都是用文字和数字写出的,有点像密码。我们现在要想解出数学问题,可以将公式里的字母替换成适当的数,然后用计算器进行各种计算。在古巴比伦可完全不是这样。你可没有笔记簿,只有一摞刻着全套数学符号的石板。你得在上面找类似这个问题场景的题目,然后用自己的数按步骤进行替换。你可以自己做一些简单计算,但是像求平方和开平方这样的问题还得查这套板子。你还得搞一套乘法表。跟现在的小学生不同,他们的乘法表不用背诵啦:古巴比伦人用的可是60进制的数字系统哦,他们的乘法表有59行和59列哦!
15世纪的一本书上所绘的《圣经》中的巴别塔。这一类书阐述了如何计算基督教节庆的日期——使用古巴比伦代数。
这块古巴比伦楔形文字石板包含二次方程的247个问题。古巴比伦学生一定视力极佳。
第一步:把方程化为标准形式,也就是 ax 2 + bx + c =0的形式。所以,形如 x 2 +2 x =4+2 x 的方程要进行改写。
x 2 +2 x =4+2 x
两边同时减去2 x ,得 x 2 =4。
两边同时减去4,得 x 2 -4=0。
第二步:因式分解。
( x +2)( x -2)=0
第三步:选择 x 的取值,使得第一个括号里得零。
(-2+2)(-2-2)=0
也就是(0)(-4)=0,即 x =-2是方程的一个解。
第四步:选择 x 的取值,使得第二个括号里得零。
(2+2)(2-2)=0
也就是(4)(0)=0,即 x =2是方程的另一个解。
第五步:如果二次方程难于因式分解,那么可以使用 二次求根公式 。
求解7 x 2 +3 x -11=0,得
即
也就是 x ≈-1.486或者 x ≈1.057。
古巴比伦数学有个古怪之处,模板只给出了答案,没指出从哪儿入手解读。所以,学生都得掌握如何针对手头的问题选择合适的案例。因为古巴比伦人没有负数的概念,所以他们假定本来有多个解的二次方程只有唯一解。
一个典型的古巴比伦问题是这样的:“矩形的长比宽多10,面积是600,那么长和宽各是多少?”(古巴比伦人本来用的是60进制,这里已经改写成10进制了。)
现在,我们这样列式子。
然后进行求解。
改写(1)式
x =10+ y
代入(2)式
(10+ y ) y =600
展开
10 y + y 2 =600
化成二次方程的标准形式
y 2 +10 y -600=0
用标准二次求根公式(参见 此处 ),代入 a =1, b =10, c =-600可得
也就是
y =–30, x =–20
或
y =20, x =30
然而,古巴比伦人是套用他们的案例模板来解决的。他们是这样做的。
长和宽的差距是多少?(10)
折半(5)
平方(25)(古巴比伦学生利用平方根表查找)
加上面积(625)
开方(25)(译者注:矩形边长取正值)
这个平方根加上长宽差值的一半就是长(30),减去长宽差值的一半就是宽(20)。
古巴比伦的建筑和工程根源于先进的数学知识,因此才有了坚固而宏伟的建筑。
吉萨金字塔展现出了古埃及人对数学的把握。
在古巴比伦之前的数千年里,有许多先进文明可圈可点,然而就我们所知,无人可望古巴比伦之项背。古巴比伦数学的一个便利之处在于,他们使用自己发明的进位制数字系统,这就胜过了早期(和若干晚期)文明。进位制就是指符号根据它的位置可以取不同的值。我们现在使用的数字系统也是进位制的。246,426和642这几个数的含义完全不同,尽管它们用的数码是一样的。我们之所以可以“解码”,是因为我们知道每个数位的含义:首位是“百”,次位是“十”,末位是“一”。这样下来,阅读和计算数字都很便捷。古巴比伦数学家怎样计算数字已不可考。就我们所知,他们是没有含变量的通解这一概念的。所以对他们而言,方框里的(1)式和(2)式没有意义。所以,虽然说他们熟悉勾股数(又叫毕氏三元数,即满足 a 2 + b 2 = c 2 的整数组,比如3,4,5和5,12,13),在他们的“文档”里也包含了这样的一些例子,但距离人们能用一个简洁的公式表达这个思想,还有几个世纪之遥啊。
毕达哥拉斯以他的著名公式整合了3,4,5(参见 此处 )。
参见:
► 代数学东渐