欧洲中世纪的计算方法

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本节选自《斐波那契大师:改变数学的人》。所有的引文都在引文页上编目。

FIBONACCI序列的起源

十三世纪初,中世纪的意大利正处于剧烈变革的时期,商业显著增长,经济稳定。该国资本充裕,用于资助建造令人惊叹的哥特式大教堂和众多大学。这些钱大部分来自于对无数商人征收的税款,这些商人经常往返于西边的地中海城市和港口,以及东边的小亚细亚、叙利亚和巴格达之间的广泛贸易。一些无畏的冒险家甚至远赴印度和中国,带回了异国的物资和新奇的思想、信仰和方法。通过贸易和战争接触到世界其他地区的人和来自世界其他地区的人、语言和文化,逐渐导致了欧洲的思想变革。

美国教授R.B.麦克莱农在《比萨的莱昂纳多和他的自由四分法》中解释说,十字军东征 “把欧洲人民从前几个世纪的昏昏欲睡中唤醒”,”使他们与东方更先进的知识发展面对面”。麦克莱农提醒我们,马可-波罗只是 “在那些激荡的日子里真正发现新世界的许多人中最著名的一个”。除了作为商品的载体,商人和政治代表还成为 “网络专家”,组成了某种 “文字网络”,提供了涵盖商业、政治、宗教和文学主题的书面文本的持续交流(Roselaar)。能够获得独特知识资源的宫廷获得了经济上的回报;因此,富裕的宫廷长期资助一些学者,赞助那些从宫廷到宫廷的学者,促进了新思想的传播。知识还通过翻译和抄写书籍的方式进行传播,这些书籍通常是在寺院里抄写的(”过渡”)。通过这种方式传入欧洲的最重要的思想是印度教的数字系统。

印度数字被引进到欧洲

Antonio Cifrondi, Euclid, 17th century, oil

西方数学最有影响的学者也许是希腊数学家欧几里得,他生活在公元前325年左右至公元前265年左右,他的几何学论著《元素》分十三卷(章)写成,包含了当时已知的一切数论。值得注意的是,它包括了对无理数的原始几何学处理,以及第一个已知的线段大段和小段之间的 “极值和平均值的比值 “的书面定义,也就是现在所谓的黄金比(Fitzpatrick)。欧几里得的《元素》一书的意义,从当时只有《圣经》被印刷出来并被研究得比较多(”欧几里得”)就可以看出。另一个重要的进步贡献者是萨勒诺医生君士坦丁,在十一世纪初,他在非洲、亚洲和印度旅行了三十九年,学习东方科学,他的手稿被当作教科书使用了几个世纪(史密斯和卡平斯基)。

印度教数字形式早在手稿记载其到达之前就出现在基督教欧洲,因为商人、旅行者和大使把它们从东方带到了各个欧洲市场。大多数商人相当善于运输和应用新的信息和商业方法,但不太关注记录来源,所以确定印度教数字形式的确切采用日期仍然是一个谜(Smith和Karpinski)。

计算:手指到ABACUS

几个世纪以来,穆斯林世界和欧洲的商人使用手指算术或机械算盘进行计算。最早的这些设备是简单的木板,上面撒满沙子,可以在上面描写数字。希伯来语中表示灰尘的 “阿瓦克 “可能是 “算盘 “这个名字的来源。后来的版本由一块平板组成,上面画有或刻有规则的线条;小卵石被放置在这些线条上,并在这些线条上移动,以表示加法或减法。由于卵石的拉丁语是calculus,这种早期的计算形式就被称为 “微积分”(Devlin,Finding 30)。中世纪的算盘有沿着导线滑动的计数器。一般来说,一个算盘有四根线,每根线上的珠子代表单位。一个算盘足以进行简单的算术运算,但当使用者试图处理更复杂的计算时,就会处于非常不利的地位。由于中世纪的商人大部分时间都是简单的加减法,所以他们只需用手指计算或罗马数字就能搞定。当然,最根本的劣势是缺乏一个地方值系统。Livio 93-94)。

Rechentisch (Holzschnitt vermutlich aus Straßburg) * Scan aus: Karl Menninger: ”Zahlwort und Ziffer. Eine Kulturgeschichte der Zahl”, Dritte Auflage, Göttingen 1979, S. 153

在人类使用书面符号进行数学计算之前,他用图像来表示数字和数学运算。手指符号在计算时特别方便,也很受欢迎,但要成功地利用它,需要大量的练习来培养技巧和灵活性。尽管如此,由于它是一种可靠的计算方法,用手指计算的技能在不同的社会中被保留下来,代代相传(”计算”)。几个世纪以来,手指计算促进了跨越语言障碍的交流。为了教育大众,学者们将手指计算的表述抄写在书中;已知最早的抄写是由英国本笃会修士贝德(Venerable Bede,约673-735年)所写。在他的《De Ratione Temporum》一书中,他提供了 “关于用手指计算的完整解释和这种计算方法的规则”。他文中的图画表明,一个人用双手能够表示从1到9999的所有数字(《计算》)。即使在印度-阿拉伯数字问世后,用手指计算仍然很流行,因为它既能进行更高的计算,又能进行计数、加减法。学者们认为手指计算是如此重要,以至于计算手册如果不包含显示各种手指位置的图画,就会被视为不完整(”计算”)。

计算。手指和印度阿拉伯数字

Venerable Bede, De Temporum Ratione (725), Paris BN, MS Lat. 7418, f. 3v

后一个事实解释了为什么莱昂纳多-皮萨诺的第一本书《自由的阿巴奇》(Liber Abaci)中包含了关于 “数字必须如何握在手中 “的指导(德夫林,发现89)。在第一章的末尾,他包括了一套复杂的指算系统,作为 “新的 “位值系统计算的辅助工具。古老的指算方法并没有被算盘所废黜,也没有真正在中欧被推到后台,直到十三世纪印度-阿拉伯数字书面计算的胜利(《计算》)。

算盘或手指计算的问题是,这些方法需要大量的练习才能达到准确和速度。此外,由于 “这两种方法都没有留下计算记录”,所以没有办法纠正错误或检查准确性。

在交易时,需要能够定期检查记录和审计交易,著有《寻找斐波那契:探寻重新发现被遗忘的改变世界的数学天才》(31)的数学史学家基思-德夫林解释说。亟需一种更好的方法。在巴格达,在研究和翻译希腊和印度教数学文献的阿拉伯学者中,有一位杰出的数学家Abu Abdallah Muhammad ibn Musa Al-Khwˆarizmˆı(约780年至约850年)。到了十二世纪中叶,Al-Khwˆarizmˆı的两本书都被学者们翻译成了拉丁文。这些书成为欧洲人学习新数学的重要资源。但Al-Khwˆarizmˆı的方法不允许人们纠正错误,因为它 “涉及到取消和重写,这使得在计算完成后无法跟踪计算过程”(Devlin,Finding 76-80)。虽然Al-Khwˆarizmˆı在九世纪就写过关于印度教-阿拉伯数字的文章,但他的作品的翻译直到十二世纪才出现在欧洲。然而,即使在那时,印度教-阿拉伯数字直到15世纪才完全取代罗马数字的日常和商业使用。当一个地区采用印度-阿拉伯数字时,往往只有数学家、测量员和科学家使用;即使在阿拉伯土地上也是如此(Devlin,Man 42)。

Arabic Numerals
Evolution of Hindu-Arabic Numerals, Source: Wikimedia

用印度教-阿拉伯数字计算与算盘的使用共存,直到13世纪初。事实上,人们不愿意完全抛弃罗马数字的原因之一,可能就是因为它们 “很适合在算盘上使用”。在十世纪被封为教皇西尔维斯特二世之前,奥里亚克的格伯特是一位学者和教师,他发明了一种新的算盘,被称为格伯天算盘。他的算盘的计数器上标有印度教-阿拉伯教的数字(”过渡”)。一些十二世纪的阿拉伯论著的译本,关于algorism–通过九位数和零(Merriam-Webster)进行计算的艺术–介绍了用罗马数字进行的计算,而其他译本则使用印度-阿拉伯数字。十三世纪初,出现了一些 “非常有影响力的关于算法的论文”,这些论文 “比十二世纪的译本更熟悉新的数字系统”(”过渡”)。然而,不同地区的数字形式差异很大,欧洲没有一个地方只使用印度教-阿拉伯数字。在Al-Khwˆarizmˆı之后不久,伟大的埃及数学家阿布-卡米尔(Abu Kamil,约850-930年),《代数书》的作者,有时会对问题进行研究,直到他找到所有可能的解决方案;对于一个问题,他计算并记录了2676种解决方案!(Sesiano)。(Sesiano)。这种独特、细致的方法被莱昂纳多-皮萨诺所采用。

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