Математика – одно из самых выдающихся достижений человеческой мысли, чтобы по этому поводу не думали школьники всех эпох и народов. С помощью математики другие науки могут точно и строго описывать процессы и явления окружающего нас мира. Общим местом является утверждение о том, что в Средние века любая наука и математика в том числе, как рациональное знание, находилась в положении подчиненном по отношению к знанию метафизическому.
С этим можно согласиться. Но нельзя сказать, что эта область человеческих знаний никак не была востребована в средневековом обществе.
Такие прикладные вещи, как астрономия, навигация, измерение земельных участков и бухгалтерия требовали, пусть и примитивных с современной точки зрения, но вполне определенных математических знаний. Несмотря ни на что, некоторое развитие математики в то время существовало. Особенно этот процесс усилился в Позднее Средневековье, когда развитие торговли и технологий поставило перед обществом задачи, решение которых требовало научного подхода.
В ниже приведенном отрывке из книги голландского исследователя Д. Я. Стройка описываются этапы развития и становления математической науки в средневековой Европе. Автор показывает прямую связь между числами Фибоначчи и разведением кроликов, напоминает происхождение хорошо известной задачи про волка, козу и кочан капусты, а также показывает полную драматизма историю борьбы за приоритет в научном открытии метода решения кубических уравнений, которое являет собой вершину математической мысли Средневековья.
читать дальшеЗАПАДНАЯ ЕВРОПА. НАЧАЛО
1. Наиболее развитой частью Римской империи как экономически, так и культурно всегда был Восток. Земледелие Запада было экстенсивным, никогда не имело в своей основе орошения, и это не содействовало астрономическим исследованиям. Действительно, Запад очень хорошо обходился минимумом астрономии, известным объемом практической арифметики и некоторыми приемами измерения для целей торговли и землемерия, стимулы же для развития этих наук шли с Востока. Когда Восток и Запад оказались политически разобщенными, такие стимулы почти полностью исчезли. Малоподвижная цивилизация Западной Римской империи сохранялась в течение ряда столетии лишь с незначительными изменениями или разрывами. Средиземноморское единство античной цивилизации тоже оставалось нетронутым, даже варварские вторжения не очень сказались на нем. Во всех германских королевствах, за исключением, пожалуй, британского, экономические условия, общественные установления и интеллектуальная жизнь в основном сохранялись такими, какими они были во время упадка Римской империи. Основой хозяйственной жизни было земледелие, причем рабы постепенно заменялись свободными земледельцами и арендаторами, но, кроме того, существовали процветавшие города и широко развитая торговля на основе денежного обращения. Главным авторитетом в грекоримском мире после падения Западной империи в 476 г. были на равных правах константинопольские императоры и римские папы. Католическая церковь Запада своими учреждениями и своим языком продолжала в меру своих возможностей культурные традиции Римской империи в германских государствах. Монастыри и образованные миряне в известной мере сберегали грекоримскую цивилизацию. Один из таких мирян, дипломат и философ Аниций Манилий Северин Боэций (Boethius), был автором математических произведений, чей авторитет сохранялся в западном мире в течение более чем тысячи лет. На этих работах сказалось общее состояние культуры — они бедны содержанием, и то, что они сохранились, быть может, объясняется убеждением, что их автор в 524 г. погиб как мученик за католическую веру. Его «Основы арифметики» (Institutio arithmetica) — поверхностный перевод Никомаха, содержащий частично теорию чисел пифагорейцев, что вошло в средневековую науку как часть старинного тривиума и квадривиума: арифметика, геометрия, астрономия и музыка.
Трудно указать то время, когда на Западе экономика древней Римской империи исчезла и уступила место новому феодальному порядку. В какой-то мере этот вопрос разъясняется, если принять гипотезу Пиренна1), а именно, что конец древнего западного мира наступил с экспансией ислама. Арабы лишили Византийскую империю всех ее провинций на восточных и южных берегах Средиземного моря и превратили восточную часть Средиземного моря в закрытое мусульманское озеро. На несколько столетий они чрезвычайно затруднили торговые связи между Ближним Востоком и христианским Западом. Пути интеллектуального общения между арабским миром и северными частями бывшей Римской империи в течение столетий были загромождены, хотя никогда не были перекрыты полностью.
В эту эпоху во франкской Галлии и в других бывших частях Римской империи хозяйственная деятельность широкого масштаба постепенно сворачивается, города приходят в упадок, доходы от налогов становятся незначительными. Денежное обращение вытесняется обменом, преобладает местная торговля. Западная Европа приходит в полуварварское состояние, С упадком торговли возрастает значение земельной аристократии, и крупные североафриканские землевладельцы, возглавляемые Каролингами, становятся решающей силой в стране франков. Экономические и культурные центры перемещаются к северу, в северную Францию и в Британию. Отделение Запада от Востока настолько ограничивает реальную власть пап, что папство объединяется с Каролингами, символом чего было коронование Карла Великого в 800 г. как императора Священной Римской империи. Западное общество стало феодальным и церковным, его ориентация была северной и германской.
2. В течение первых столетий западного феодализма даже в монастырях не очень высоко ставят математику. В земледельческом обществе этого периода, вновь ставшем примитивным, почти что отсутствовали факторы, которые содействовали бы развитию математики даже непосредственно практического характера. Математика в монастырях сводилась всего лишь к скромной арифметике церковного назначения, которой пользовались главным образом для вычисления пасхалий (так называемый «компутус»1). Боэций был высшим авторитетом. Известное значение среди этих математиков-церковников приобрел уроженец Британии Алкуин, связанный с двором Карла Великого. Его написанные по-латыни «Задачи для оттачивания ума юношей» (см. с. 87) содержат подборку задач, имевшую влияние на составителей учебников в течение ряда столетий. Многие из этих задач восходят еще к древнему Востоку. Например:
«Собака гонится за кроликом, который находится впереди нее в 150 футах, и при каждом прыжке делает 9 футов, в то время как кролик прыгает на 7 футов. За сколько прыжков собака нагонит кролика?»
«Через реку надо перевезти троих: волка, козу и кочан капусты; на лодке, кроме перевозчика, может поместиться только один из трех. Как перевезти их, чтобы коза не могла съесть капусту, а волк не мог съесть козу?»
Другим математиком-церковником был Герберт, французский монах, который в 999 г. стал папой, приняв имя Сильвестра II. Под влиянием Боэция он написал несколько трактатов, но его значение как математика обусловлено в основном тем, что он был одним из первых западных ученых, ездивших в Испанию и изучавших математику арабского мира.
3. В развитии западного, восточного и раннего греческого феодализма имеются существенные различия. Экстенсивный характер западного земледелия делал излишней обширную систему бюрократической администрации, так что это не могло послужить основой для деспотизма восточного типа. На Западе не было возможности в широкой мере обеспечить пополнение рабов. Когда села Западной Европы вырастали в города, эти города превращались в самоуправляющиеся единицы и горожане не могли вести праздную жизнь, используя труд рабов. Это одна из основных причин, в силу которых греческие полисы и западные города, на начальных стадиях имеющие много общего, в дальнейшем становятся резко отличными друг от друга. Население средневековых городов должно было полагаться на свою собственную изобретательность в деле улучшения условий своей жизни. В двенадцатом, тринадцатом и четырнадцатом столетиях города выходят победителями в ожесточенной борьбе против феодалов-землевладельцев, сочетавшейся с гражданскими войнами. Основа их успехов — не только быстрое развитие торговли и денежного хозяйства, но и по степенное усовершенствование техники. Феодальные князья часто поддерживали города в их борьбе с более мелкими феодалами и при возможности устанавливали свою власть над городами. В конечном счете это повело к возникновению в Западной Европе первых национальных государств.
Города начали устанавливать коммерческие связи с Востоком, который все еще был центром цивилизации. Такие связи устанавливались иногда мирными средствами, иногда насильственным путем, как во времена крестовых походов. Первыми наладили торговые связи итальянские города, за ними последовали города Франции и Центральной Европы. За купцом и за солдатом следовали ученые, а иногда они были первыми. Испания и Сицилия были самыми близкими пунктами соприкосновения между Западом и Востоком, именно здесь западные купцы п студенты познакомились с цивилизацией стран ислама. Когда в 1085 г. Толедо был отвоеван христианами у мавров, студенты западных стран толпами устремились в этот город, чтобы изучать науку арабов. Они часто пользовались услугами переводчиковевреев, а в двенадцатом столетии мы видим в Испании Платона из Тиволи, Герардо из Кремоны, Аделарда из Вата и Роберта из Честера — все они переводят на латинский язык арабские математические рукописи. Именно так, через посредство арабов, Европа познакомилась с греческими классиками, а к этому времени Западная Европа была достаточно развита, чтобы оценить это знания.
4. Как мы уже сказали, первые могущественные коммерческие города возникли в Италии. Здесь в течение двенадцатого и тринадцатого столетий Генуя, Пиза, Венеция, Милан и Флоренция вели обширную торговлюс арабским миром и с Севером. Итальянские купцы дали Восток и знакомились с его цивилизацией. Путешествия Марко Поло доказывают бесстрашие этих искателей приключений. Как ионийские купцы почти за две тысячи лет до этого, они стремятся познакомиться с наукой и искусствами более древней цивилизации не только для того, чтобы повторять их, но и для того, чтобы использовать их в своей собственной новой системе. А в двенадцатом и тринадцатом столетиях мы видим уже рост банковского дела и зачатки капиталистической формы производства.
Первым из этих купцов, чьи математические работы выявляют известную зрелость, был Леонардо из Пизы, Леонардо, которого называли также Фибоначчи (сынБоначчо»), путешествовал по Востоку как купец. Вернувшись, он написал свою «Книгу абака») (Liber abaci , 1202 гг.), заполненную арифметическими и алгебраическими сведениями, собранными им во время путешествий. В книге «Практика геометрии» (Practica geometriae , 1220 г.) Леонардо подобным же образом рассказывает о том, что он открыл в области геометрии и тригонометрии. Возможно, что он был к тому же оригинальным исследователем, так как в его книгах есть немало примеров, по-видимому, не имеющих точных соответствий в арабской литературе). Впрочем, он цитирует ал-Хорезми, например, при рассмотрении уравнения x2+10x=39. Задача же, которая приводит к «ряду Фибоначчи»: 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, …, каждый член которого есть сумма двух ему предшествующих,— по-видимому, является новой. Должно быть, новым является и его замечательное доказательство того, что корни уравнения x3 + 2x2 + 10х = 20 нельзя выразить с помощью евклидовых иррациональностей вида (следовательно, ихнельзя построить с помощью только циркуля и линейки). Леонардо доказал это, проверяя каждый из пятнадцати случаев Евклида, а затем приближенно определил положителъный корень этого уравнения, вычислив шесть шестидесятичных знаков.
Ряд Фибоначчи получается при решении следующей задачи:
Сколько пар кроликов может произойти от одной пары в течение года, если а) каждая пара каждый месяц порождает новую пару, которая со второго месяца становится производителем, и б) кролики не дохнут?
«Книга абака» была одним из источников для про никповения индийскоарабской системы нумерации в Западную Европу. Отдельные случаи применения этой нумерации имели место за столетия до Леонардо — из Испании и с Востока ее привозили купцы, посланники, ученые, паломники и солдаты. Самый древний европейский манускрипт, содержащий числовые знаки этой системы,— это «Вигиланский кодекс» (Codex Vigilanus), написанный в Испании в 976 г. Однако эти десять знаков медленно проникали в Западную Европу, и самая ранняя французская рукопись, в которой мы их находим, относится к 1275 г. Греческая система нумерации оставалась общепринятой на побережье Адриатики в течение столетий. Вычисления часто производили на старинном абаке, доске со счетными жетонами или камушками (часто это сводилось к прямым линиям, проведенным на песке), в основном сходном со счетными досками, которыми все еще пользуются русские, китайцы, японцы. Для записи результатов вычисления на абаке в ходу были римские цифры. В течение средних веков и даже позже мы находим римские цифры в торговых книгах, и это указывает на то, что в конторах использовали абак. Против введения индийско-арабских знаков выступали и широкие круги, так как использование этих обозначений затрудняло чтение торговых книг. В установлениях «Искусства обмена» (Arte del Cambio, 1299 г) флорентийским банкирам запрещалось пользоваться арабскими цифрами. Лишь в четырнадцатом столетии итальянские купцы начали применять некоторые арабские цифры в своих счетных книгах (в счетных книгах Медичи (датируемых с 1406 г.) в коллекции Селфиджа, хранящейся в Гарвардской высшей торговой школе, индийско-арабские цифры часто встречаются в так называемом описательном столбце. Начиная с 1439 г., цифры эти вытесняют римские цифры в так называемом денежном столбце книг первичной записи: журналах, расходных и др, но лишь после 1482 г они вытесняют римские цифры в денежных столбцах конторских книг всех купцов, имеющих дело с Медичи, за исключением одного).
5. Вместе с расширением торговли постепенно интерес к математике стал распространяться и на северные города. Поначалу это был практический интерес, и в течение нескольких столетий арифметику и алгебру вне университетов преподавали профессиональные мастера счета, которые обычно не знали классиков, но зато обучали бухгалтерии и навигации. В течение долгого времени математика такого рода хранила явные следы своего арабского происхождения, о чем свидетельствуют такие слова, как алгебра и алгоритм.
Теоретическая математика не исчезла целиком в Средние века, но ею занимались не люди дела, а философы-схоласты. У схоластов изучение Платона и Аристотеля, в сочетании с размышлениями о природе божества, приводило к тонким рассуждениям относительно сущности движения, сущности континуума и бесконечности. Ориген, следуя Аристотелю, отрицал существование актуально бесконечного, но святой Августин в своем «Граде божьем» принимал всю последовательность целых чисел как актуальную бесконечность. Он говорит об этом так, что, по замечанию Георга Кантора, нельзя более энергично стремиться к трансфинитному и нельзя его лучше определить и обосновать, чем святой Августин). Писатели-схоласты средневековья, в частности Фома Аквинский, принимали аристотелевское «нет актуально бесконечного» (infinitum actu non datur) и каждый континуум рассматривали как потенциально делимый до бесконечности. Таким образом, не было наименьшего отрезка, ибо каждая часть отрезка обладала свойствами отрезка. Поэтому точка не была частью линии, поскольку точка неделима: «из неделимых нельзя составить какоголибо континуума» (ex indivisibilis non potest compari aliquod continuum). Точка могла образовать линию с помощью движения. Подобные рассуждения оказали влияние на изобретателей исчисления бесконечно малых в семнадцатом веке и на философов, занимавшихся трансфинитным, в девятнадцатом веке; Кавальери, Такке, Больцано и Кантор знали авторов-схоластов и размышляли о значении их идей.
Ученые средневековья, о которых идет здесь речь, рассматривали понятия разрывного и непрерывного, конечного и бесконечного преимущественно в связи с философскими и физическими (анализ процесса движения) проблемами. Но физика еще не стала экспериментальной наукой, математика не располагала достаточно удобным языком алгебраических обозначений, так что в логическом анализе понятий непрерывности и бесконечности схоласты четырнадцатого века оперировали, в сущности, тем же материалом, который был в распоряжении античной науки, и наталкивались на те же трудности. Поэтому в ближайшие столетия интерес к такой проблематике ослабевает. Новое обращение к ней в семнадцатом веке связано с успехами новой физики и механики. Галилей нигде не упоминает своих схоластических предшественников. Кавальери фактически не опирается на них. Вообще преодоление (в том или ином смысле, включая и отбрасывание) парадоксов бесконечного» и других «парадоксов» всякий раз происходило в силу возникновения новых проблем и формирования или вторжения новых понятий Обращение же к прошлому (у тех, кто его знал) позволяло оценить меру продвижения, иной раз — использовать авторитет предшественников).
Эти духовные лица иной раз получали результаты, которые имели непосредственное математическое значение. Томас Брадвардин, который стал архиепископом Кентерберийским, изучив Боэция, занимался исследованием звездчатых многоугольников. Наиболее значительным среди этих средневековых математиков из духовенства был Николай Орезм, епископ города Лизье в Нормандии, применявший дробные степени. Так как 43 = 64 = 82, он записывал 8 как [1Р ½]4 или как [p*1/(1*2)], что обозначало 4^(1½
. Он написал также трактат под названием «О размерах форм» (De latitudinibus formarum, ок. 1360 г.), в котором он графически сопоставляет значение зависимого переменного (latitude) и независимого переменного (longitudo). Эго нечто вроде перехода от координат на земной или небесной сфере, известных в античности, к современной координатной геометрии. Этот трактат несколько раз был напечатан между 1482 и 1515 гг., и возможно, что он оказал влияние как на математиков Ренессанса, так и на Декарта.
6. Математика развивалась главным образом в растущих торговых городах, под непосредственным влиянием торговли, навигации, астрономии и землемерия. Горожан интересовал счет, арифметика, вычисления. Зомбарт окрестил эту заинтересованность бюргерства пятнадцатого и шестнадцатого столетий немецким словом Rechenhaftigkeit1). Ведущими представителями этой приверженности к практической математике были мастера счета, и только изредка к ним присоединялся ктолибо из университетских людей, понявший благодаря изучению астрономии важность улучшения вычислительных методов. Центрами новой жизни были итальянские города и такие города Центральной Европы, как Нюрнберг, Вена и Прага. После падения Константинополя в 1453г., когда Византийская империя перестала существовать, многие ученые греки переселились в города Запада. Возрос интерес к оригинальным греческим произведениям, и стало легче удовлетворять этот интерес. Профессора университетов и образованные миряне изучали греческие тексты, а честолюбивые мастера счета не оставались в стороне и старались понять эту новую науку на свой манер.
Типичен для этого периода Иоганн Мюллер из Кенигсберга, иначе Региомонтанус, ведущая математическая фигура пятнадцатого столетия. В деятельности этого замечательного вычислителя, мастера инструментов, печатника и ученого выявились те достижения европейской математики, которые были сделаны в течение двух столетий после Леонардо Пизанского. Региомонтанус усердно переводил и публиковал доступные ему математические рукописи классиков. Еще его учитель, венский астроном Георгий Пейрбах (Peurbach), автор астрономических и тригонометрических таблиц, начал переводить с греческого языка астрономию Птолемея. Региомонтанус закончил этот перевод и, кроме того, перевел Аполлония, Герона и наиболее трудного из всех — Архимеда. Его главное оригинальное произведение — книга «О различных треугольниках» (Dp triangulis omnimodus libri qninkue, 1464 г., напечатана лишь в 1533 г.), полное введение в тригонометрию, отличающееся от наших нынешних учебников главным образом отсутствием современных удобных обозначений. Здесь содержится теорема синусов для сферического треугольника. Все теоремы все еще формулируются словесно. Отныне тригонометрия становится наукой, не зависящей от астрономии. Нечто подобное было сделано Насир-ад-Дином в тринадцатом столетии, но существенно то, что его труды не получили значительного дальнейшего развития, тогда как книга Региомонтануса оказала глубокое влияние на дальнейшее развитие тригонометрии и на ее применение к астрономии и алгебре. Много труда положил Региомонтанус и на вычисление тригонометрических таблиц. Он составил таблицу синусов с интервалом в одну минуту, принимая радиус окружности равным 60 000 (опубликована в 1490 г.).
Значения синуса рассматривались как отрезки, представляющие полухорды соответствующих углов в круге, поэтому они зависели от длины радиуса. При большем радиусе достигалась большая точность и не надо было применять шестидесятичные (или десятичные) дроби. Систематическое применение радиуса, равного 1, и тем самым определение синуса, тангенса и т. д. как отношений (чисел) идет от Эйлера (1748 г.).
7. До сих пор прежние достижения греков и арабов не были заметным образом превзойдены. Классики оставались пес plus ultra ‘) науки. Поэтому, когда итальянские математики в начале шестнадцатого века на деле показали, что можно развить новую математическую теорию, которой не было у древних и у арабов, это было большой и вдохновляющей неожиданностью. Такая теория, которая привела к общему алгебраическому решению кубических уравнений, была открыта Сципионом дель Ферро и его учениками в Болонском университете.
В итальянских городах и после эпохи Леонардо математика занимала второе место. В пятнадцатом столетии мастера счета в Италии владели арифметическими операциями, включая действия с иррациональностями (без каких-либо угрызений математической совести), а итальянские художники были хорошими геометрами. Вазари 2) в своих «Жизнеописаниях» подчеркивает, что художники пятнадцатого века проявили большой интерес к геометрии пространства. Одним из их достижений была разработка теории перспективы такими людьми, как Альберти и Пьеро делла Франческа; последний написал также книгу о правильных телах. Мастера счета нашли своего истолкователя в лице францисканского монаха Луки Пачоли (Pacioli), чья книга «Сумма арифметики», одна из первых печатных математических книг, появилась в 1494 г.1). Написанная на итальянском языке, притом на не слишком изящном, она содержала все, что тогда знали по арифметике, алгебре и тригонометрии. Отныне пользование индийско-арабскими цифрами стало общепринятым, а арифметические обозначения в этой книге не слишком отличаются от наших. Пачоли закончил свою книгу замечанием, что решение уравнений х3 + тх = п, х3 + п — тх столь же невозможно при современном ему состоянии науки, как и квадратура круга.
Это стало отправной точкой для математиков Болонского университета. Болонский университет в конце пятнадцатого столетия был одним из самых больших и самых известных в Европе. Было время, когда только его астрономический факультет насчитывал шестнадцать лекторов. Студенты толпами устремлялись из всех частей Европы, чтобы слушать здесь лекции, а также на публичные диспуты, которые привлекали многих спортивно настроенных слушателей. В разные времена студентами этого университета были Пачоли, Альбрехт Дюрер и Коперник. Для новой эпохи характерным было стремление не только усвоить науку классиков, но и создать новое, перешагнуть через границы, указанные классиками. Искусство книгопечатания и открытие Америки указывали на наличие таких возможностей. Но можно ли создать новую математику? Древние греки и восточные народы испытывали свою изобретательность на решении уравнений третьей степени, но они только численно решили несколько частных случаев. Теперь же болонские математики пытались найти общее решение.
Эти уравнения третьей степени можно было свести к трем типам:
X3 + рх = q, х3 = рх + q, х3 + q = рх,
где р и q — положительные числа. Они были тщательно исследованы профессором Сципионом дель Ферро, который умер в 1526 г. Можно сослаться на авторитет Бортолотти, утверждающего, что дель Ферро действительно решил все типы. Он никогда не публиковал своих решений и рассказал о них лишь немногим друзьям. Но об этом открытии стало известно, и после смерти Сципиона венецианский мастер счета, по прозвищу Тарталья (заика), переоткрыл его приемы (1535 г.). Он публично продемонстрировал свои результаты, но по-прежнему держал втайне тот метод, с помощью которого он получил их. Наконец, он раскрыл свои соображения ученому доктору из Милана, Иерониму Кардано, который поклялся, что будет хранить их втайне. Однако, когда Кардано в 1545 г. опубликовал свою внушительную книгу по алгебре «Великое искусство» (Ars magna), Тарталья с возмущением обнаружил, что в ней полностью раскрыт его метод, с должным признанием заслуг автора открытия, но тем не менее уворованный. Завязалась ожесточенная полемика, с обеих сторон сыпались оскорбления. Защитником Кардано был молодой ученый из дворян Людовико Феррари. Эта перепалка породила несколько интересных документов, среди них «Вопросы» (Quaesiti) Тартальи (1546 г.) и «Вызовы» (Cartelli) Феррари (1547—1548 гг.), которые довели до всеобщего сведения всю историю этого замечательного открытия.
«Великое искусство» Кардано содержало и другое блестящее открытие: метод Феррари сведения решения общего уравнения четвертой степени к решению кубического уравнения. Уравнение Феррари имело вид х4 + 6х2 + 36 = 60х, он его сводил к уравнению у3 + 15у2 + 36у = 450. Кардано рассматривал и отрицательные числа, называя их «вымышленными», но он не был в состоянии что-либо сделать в так называемом «неприводимом случае» уравнения третьей степени, когда налицо три действительных корня, но они получаются в виде суммы или разности чисел, называемых теперь мнимыми. Эта трудность была преодолена последним из больших болонских математиков шестнадцатого века, Рафаэлем Бомбелли, чья «Алгебра» появилась в 1572 г. В этой книге и в «Геометрии», написанной около 1550 г. и оставшейся в рукописи, он вводит последовательную теорию мнимых и комплексных чисел. Он записывает 3i как √0—9 (буквально так: R[0m,9], где R обозначает корень (radix), а т обозначает meno, т. е. меньше, минус). Отныне комплексные числа потеряли кое-что из сверхъестественности, хотя полное их признание произошло только в девятнадцатом столетии. Любопытен тот факт, что впервые мнимости были введены в теории кубических уравнений в том случае, когда было ясно, что действительное решение существует, хотя и в не распознаваемом виде, а не в теории квадратных уравнений, в которой они появляются в наших современных учебниках.
srednieveka.net/istoriya-nauk/srednevekovaya-ma...
С этим можно согласиться. Но нельзя сказать, что эта область человеческих знаний никак не была востребована в средневековом обществе.
Такие прикладные вещи, как астрономия, навигация, измерение земельных участков и бухгалтерия требовали, пусть и примитивных с современной точки зрения, но вполне определенных математических знаний. Несмотря ни на что, некоторое развитие математики в то время существовало. Особенно этот процесс усилился в Позднее Средневековье, когда развитие торговли и технологий поставило перед обществом задачи, решение которых требовало научного подхода.
В ниже приведенном отрывке из книги голландского исследователя Д. Я. Стройка описываются этапы развития и становления математической науки в средневековой Европе. Автор показывает прямую связь между числами Фибоначчи и разведением кроликов, напоминает происхождение хорошо известной задачи про волка, козу и кочан капусты, а также показывает полную драматизма историю борьбы за приоритет в научном открытии метода решения кубических уравнений, которое являет собой вершину математической мысли Средневековья.
читать дальшеЗАПАДНАЯ ЕВРОПА. НАЧАЛО
1. Наиболее развитой частью Римской империи как экономически, так и культурно всегда был Восток. Земледелие Запада было экстенсивным, никогда не имело в своей основе орошения, и это не содействовало астрономическим исследованиям. Действительно, Запад очень хорошо обходился минимумом астрономии, известным объемом практической арифметики и некоторыми приемами измерения для целей торговли и землемерия, стимулы же для развития этих наук шли с Востока. Когда Восток и Запад оказались политически разобщенными, такие стимулы почти полностью исчезли. Малоподвижная цивилизация Западной Римской империи сохранялась в течение ряда столетии лишь с незначительными изменениями или разрывами. Средиземноморское единство античной цивилизации тоже оставалось нетронутым, даже варварские вторжения не очень сказались на нем. Во всех германских королевствах, за исключением, пожалуй, британского, экономические условия, общественные установления и интеллектуальная жизнь в основном сохранялись такими, какими они были во время упадка Римской империи. Основой хозяйственной жизни было земледелие, причем рабы постепенно заменялись свободными земледельцами и арендаторами, но, кроме того, существовали процветавшие города и широко развитая торговля на основе денежного обращения. Главным авторитетом в грекоримском мире после падения Западной империи в 476 г. были на равных правах константинопольские императоры и римские папы. Католическая церковь Запада своими учреждениями и своим языком продолжала в меру своих возможностей культурные традиции Римской империи в германских государствах. Монастыри и образованные миряне в известной мере сберегали грекоримскую цивилизацию. Один из таких мирян, дипломат и философ Аниций Манилий Северин Боэций (Boethius), был автором математических произведений, чей авторитет сохранялся в западном мире в течение более чем тысячи лет. На этих работах сказалось общее состояние культуры — они бедны содержанием, и то, что они сохранились, быть может, объясняется убеждением, что их автор в 524 г. погиб как мученик за католическую веру. Его «Основы арифметики» (Institutio arithmetica) — поверхностный перевод Никомаха, содержащий частично теорию чисел пифагорейцев, что вошло в средневековую науку как часть старинного тривиума и квадривиума: арифметика, геометрия, астрономия и музыка.
Трудно указать то время, когда на Западе экономика древней Римской империи исчезла и уступила место новому феодальному порядку. В какой-то мере этот вопрос разъясняется, если принять гипотезу Пиренна1), а именно, что конец древнего западного мира наступил с экспансией ислама. Арабы лишили Византийскую империю всех ее провинций на восточных и южных берегах Средиземного моря и превратили восточную часть Средиземного моря в закрытое мусульманское озеро. На несколько столетий они чрезвычайно затруднили торговые связи между Ближним Востоком и христианским Западом. Пути интеллектуального общения между арабским миром и северными частями бывшей Римской империи в течение столетий были загромождены, хотя никогда не были перекрыты полностью.
В эту эпоху во франкской Галлии и в других бывших частях Римской империи хозяйственная деятельность широкого масштаба постепенно сворачивается, города приходят в упадок, доходы от налогов становятся незначительными. Денежное обращение вытесняется обменом, преобладает местная торговля. Западная Европа приходит в полуварварское состояние, С упадком торговли возрастает значение земельной аристократии, и крупные североафриканские землевладельцы, возглавляемые Каролингами, становятся решающей силой в стране франков. Экономические и культурные центры перемещаются к северу, в северную Францию и в Британию. Отделение Запада от Востока настолько ограничивает реальную власть пап, что папство объединяется с Каролингами, символом чего было коронование Карла Великого в 800 г. как императора Священной Римской империи. Западное общество стало феодальным и церковным, его ориентация была северной и германской.
2. В течение первых столетий западного феодализма даже в монастырях не очень высоко ставят математику. В земледельческом обществе этого периода, вновь ставшем примитивным, почти что отсутствовали факторы, которые содействовали бы развитию математики даже непосредственно практического характера. Математика в монастырях сводилась всего лишь к скромной арифметике церковного назначения, которой пользовались главным образом для вычисления пасхалий (так называемый «компутус»1). Боэций был высшим авторитетом. Известное значение среди этих математиков-церковников приобрел уроженец Британии Алкуин, связанный с двором Карла Великого. Его написанные по-латыни «Задачи для оттачивания ума юношей» (см. с. 87) содержат подборку задач, имевшую влияние на составителей учебников в течение ряда столетий. Многие из этих задач восходят еще к древнему Востоку. Например:
«Собака гонится за кроликом, который находится впереди нее в 150 футах, и при каждом прыжке делает 9 футов, в то время как кролик прыгает на 7 футов. За сколько прыжков собака нагонит кролика?»
«Через реку надо перевезти троих: волка, козу и кочан капусты; на лодке, кроме перевозчика, может поместиться только один из трех. Как перевезти их, чтобы коза не могла съесть капусту, а волк не мог съесть козу?»
Другим математиком-церковником был Герберт, французский монах, который в 999 г. стал папой, приняв имя Сильвестра II. Под влиянием Боэция он написал несколько трактатов, но его значение как математика обусловлено в основном тем, что он был одним из первых западных ученых, ездивших в Испанию и изучавших математику арабского мира.
3. В развитии западного, восточного и раннего греческого феодализма имеются существенные различия. Экстенсивный характер западного земледелия делал излишней обширную систему бюрократической администрации, так что это не могло послужить основой для деспотизма восточного типа. На Западе не было возможности в широкой мере обеспечить пополнение рабов. Когда села Западной Европы вырастали в города, эти города превращались в самоуправляющиеся единицы и горожане не могли вести праздную жизнь, используя труд рабов. Это одна из основных причин, в силу которых греческие полисы и западные города, на начальных стадиях имеющие много общего, в дальнейшем становятся резко отличными друг от друга. Население средневековых городов должно было полагаться на свою собственную изобретательность в деле улучшения условий своей жизни. В двенадцатом, тринадцатом и четырнадцатом столетиях города выходят победителями в ожесточенной борьбе против феодалов-землевладельцев, сочетавшейся с гражданскими войнами. Основа их успехов — не только быстрое развитие торговли и денежного хозяйства, но и по степенное усовершенствование техники. Феодальные князья часто поддерживали города в их борьбе с более мелкими феодалами и при возможности устанавливали свою власть над городами. В конечном счете это повело к возникновению в Западной Европе первых национальных государств.
Города начали устанавливать коммерческие связи с Востоком, который все еще был центром цивилизации. Такие связи устанавливались иногда мирными средствами, иногда насильственным путем, как во времена крестовых походов. Первыми наладили торговые связи итальянские города, за ними последовали города Франции и Центральной Европы. За купцом и за солдатом следовали ученые, а иногда они были первыми. Испания и Сицилия были самыми близкими пунктами соприкосновения между Западом и Востоком, именно здесь западные купцы п студенты познакомились с цивилизацией стран ислама. Когда в 1085 г. Толедо был отвоеван христианами у мавров, студенты западных стран толпами устремились в этот город, чтобы изучать науку арабов. Они часто пользовались услугами переводчиковевреев, а в двенадцатом столетии мы видим в Испании Платона из Тиволи, Герардо из Кремоны, Аделарда из Вата и Роберта из Честера — все они переводят на латинский язык арабские математические рукописи. Именно так, через посредство арабов, Европа познакомилась с греческими классиками, а к этому времени Западная Европа была достаточно развита, чтобы оценить это знания.
4. Как мы уже сказали, первые могущественные коммерческие города возникли в Италии. Здесь в течение двенадцатого и тринадцатого столетий Генуя, Пиза, Венеция, Милан и Флоренция вели обширную торговлюс арабским миром и с Севером. Итальянские купцы дали Восток и знакомились с его цивилизацией. Путешествия Марко Поло доказывают бесстрашие этих искателей приключений. Как ионийские купцы почти за две тысячи лет до этого, они стремятся познакомиться с наукой и искусствами более древней цивилизации не только для того, чтобы повторять их, но и для того, чтобы использовать их в своей собственной новой системе. А в двенадцатом и тринадцатом столетиях мы видим уже рост банковского дела и зачатки капиталистической формы производства.
Первым из этих купцов, чьи математические работы выявляют известную зрелость, был Леонардо из Пизы, Леонардо, которого называли также Фибоначчи (сынБоначчо»), путешествовал по Востоку как купец. Вернувшись, он написал свою «Книгу абака») (Liber abaci , 1202 гг.), заполненную арифметическими и алгебраическими сведениями, собранными им во время путешествий. В книге «Практика геометрии» (Practica geometriae , 1220 г.) Леонардо подобным же образом рассказывает о том, что он открыл в области геометрии и тригонометрии. Возможно, что он был к тому же оригинальным исследователем, так как в его книгах есть немало примеров, по-видимому, не имеющих точных соответствий в арабской литературе). Впрочем, он цитирует ал-Хорезми, например, при рассмотрении уравнения x2+10x=39. Задача же, которая приводит к «ряду Фибоначчи»: 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, …, каждый член которого есть сумма двух ему предшествующих,— по-видимому, является новой. Должно быть, новым является и его замечательное доказательство того, что корни уравнения x3 + 2x2 + 10х = 20 нельзя выразить с помощью евклидовых иррациональностей вида (следовательно, ихнельзя построить с помощью только циркуля и линейки). Леонардо доказал это, проверяя каждый из пятнадцати случаев Евклида, а затем приближенно определил положителъный корень этого уравнения, вычислив шесть шестидесятичных знаков.
Ряд Фибоначчи получается при решении следующей задачи:
Сколько пар кроликов может произойти от одной пары в течение года, если а) каждая пара каждый месяц порождает новую пару, которая со второго месяца становится производителем, и б) кролики не дохнут?
«Книга абака» была одним из источников для про никповения индийскоарабской системы нумерации в Западную Европу. Отдельные случаи применения этой нумерации имели место за столетия до Леонардо — из Испании и с Востока ее привозили купцы, посланники, ученые, паломники и солдаты. Самый древний европейский манускрипт, содержащий числовые знаки этой системы,— это «Вигиланский кодекс» (Codex Vigilanus), написанный в Испании в 976 г. Однако эти десять знаков медленно проникали в Западную Европу, и самая ранняя французская рукопись, в которой мы их находим, относится к 1275 г. Греческая система нумерации оставалась общепринятой на побережье Адриатики в течение столетий. Вычисления часто производили на старинном абаке, доске со счетными жетонами или камушками (часто это сводилось к прямым линиям, проведенным на песке), в основном сходном со счетными досками, которыми все еще пользуются русские, китайцы, японцы. Для записи результатов вычисления на абаке в ходу были римские цифры. В течение средних веков и даже позже мы находим римские цифры в торговых книгах, и это указывает на то, что в конторах использовали абак. Против введения индийско-арабских знаков выступали и широкие круги, так как использование этих обозначений затрудняло чтение торговых книг. В установлениях «Искусства обмена» (Arte del Cambio, 1299 г) флорентийским банкирам запрещалось пользоваться арабскими цифрами. Лишь в четырнадцатом столетии итальянские купцы начали применять некоторые арабские цифры в своих счетных книгах (в счетных книгах Медичи (датируемых с 1406 г.) в коллекции Селфиджа, хранящейся в Гарвардской высшей торговой школе, индийско-арабские цифры часто встречаются в так называемом описательном столбце. Начиная с 1439 г., цифры эти вытесняют римские цифры в так называемом денежном столбце книг первичной записи: журналах, расходных и др, но лишь после 1482 г они вытесняют римские цифры в денежных столбцах конторских книг всех купцов, имеющих дело с Медичи, за исключением одного).
5. Вместе с расширением торговли постепенно интерес к математике стал распространяться и на северные города. Поначалу это был практический интерес, и в течение нескольких столетий арифметику и алгебру вне университетов преподавали профессиональные мастера счета, которые обычно не знали классиков, но зато обучали бухгалтерии и навигации. В течение долгого времени математика такого рода хранила явные следы своего арабского происхождения, о чем свидетельствуют такие слова, как алгебра и алгоритм.
Теоретическая математика не исчезла целиком в Средние века, но ею занимались не люди дела, а философы-схоласты. У схоластов изучение Платона и Аристотеля, в сочетании с размышлениями о природе божества, приводило к тонким рассуждениям относительно сущности движения, сущности континуума и бесконечности. Ориген, следуя Аристотелю, отрицал существование актуально бесконечного, но святой Августин в своем «Граде божьем» принимал всю последовательность целых чисел как актуальную бесконечность. Он говорит об этом так, что, по замечанию Георга Кантора, нельзя более энергично стремиться к трансфинитному и нельзя его лучше определить и обосновать, чем святой Августин). Писатели-схоласты средневековья, в частности Фома Аквинский, принимали аристотелевское «нет актуально бесконечного» (infinitum actu non datur) и каждый континуум рассматривали как потенциально делимый до бесконечности. Таким образом, не было наименьшего отрезка, ибо каждая часть отрезка обладала свойствами отрезка. Поэтому точка не была частью линии, поскольку точка неделима: «из неделимых нельзя составить какоголибо континуума» (ex indivisibilis non potest compari aliquod continuum). Точка могла образовать линию с помощью движения. Подобные рассуждения оказали влияние на изобретателей исчисления бесконечно малых в семнадцатом веке и на философов, занимавшихся трансфинитным, в девятнадцатом веке; Кавальери, Такке, Больцано и Кантор знали авторов-схоластов и размышляли о значении их идей.
Ученые средневековья, о которых идет здесь речь, рассматривали понятия разрывного и непрерывного, конечного и бесконечного преимущественно в связи с философскими и физическими (анализ процесса движения) проблемами. Но физика еще не стала экспериментальной наукой, математика не располагала достаточно удобным языком алгебраических обозначений, так что в логическом анализе понятий непрерывности и бесконечности схоласты четырнадцатого века оперировали, в сущности, тем же материалом, который был в распоряжении античной науки, и наталкивались на те же трудности. Поэтому в ближайшие столетия интерес к такой проблематике ослабевает. Новое обращение к ней в семнадцатом веке связано с успехами новой физики и механики. Галилей нигде не упоминает своих схоластических предшественников. Кавальери фактически не опирается на них. Вообще преодоление (в том или ином смысле, включая и отбрасывание) парадоксов бесконечного» и других «парадоксов» всякий раз происходило в силу возникновения новых проблем и формирования или вторжения новых понятий Обращение же к прошлому (у тех, кто его знал) позволяло оценить меру продвижения, иной раз — использовать авторитет предшественников).
Эти духовные лица иной раз получали результаты, которые имели непосредственное математическое значение. Томас Брадвардин, который стал архиепископом Кентерберийским, изучив Боэция, занимался исследованием звездчатых многоугольников. Наиболее значительным среди этих средневековых математиков из духовенства был Николай Орезм, епископ города Лизье в Нормандии, применявший дробные степени. Так как 43 = 64 = 82, он записывал 8 как [1Р ½]4 или как [p*1/(1*2)], что обозначало 4^(1½
. Он написал также трактат под названием «О размерах форм» (De latitudinibus formarum, ок. 1360 г.), в котором он графически сопоставляет значение зависимого переменного (latitude) и независимого переменного (longitudo). Эго нечто вроде перехода от координат на земной или небесной сфере, известных в античности, к современной координатной геометрии. Этот трактат несколько раз был напечатан между 1482 и 1515 гг., и возможно, что он оказал влияние как на математиков Ренессанса, так и на Декарта.6. Математика развивалась главным образом в растущих торговых городах, под непосредственным влиянием торговли, навигации, астрономии и землемерия. Горожан интересовал счет, арифметика, вычисления. Зомбарт окрестил эту заинтересованность бюргерства пятнадцатого и шестнадцатого столетий немецким словом Rechenhaftigkeit1). Ведущими представителями этой приверженности к практической математике были мастера счета, и только изредка к ним присоединялся ктолибо из университетских людей, понявший благодаря изучению астрономии важность улучшения вычислительных методов. Центрами новой жизни были итальянские города и такие города Центральной Европы, как Нюрнберг, Вена и Прага. После падения Константинополя в 1453г., когда Византийская империя перестала существовать, многие ученые греки переселились в города Запада. Возрос интерес к оригинальным греческим произведениям, и стало легче удовлетворять этот интерес. Профессора университетов и образованные миряне изучали греческие тексты, а честолюбивые мастера счета не оставались в стороне и старались понять эту новую науку на свой манер.
Типичен для этого периода Иоганн Мюллер из Кенигсберга, иначе Региомонтанус, ведущая математическая фигура пятнадцатого столетия. В деятельности этого замечательного вычислителя, мастера инструментов, печатника и ученого выявились те достижения европейской математики, которые были сделаны в течение двух столетий после Леонардо Пизанского. Региомонтанус усердно переводил и публиковал доступные ему математические рукописи классиков. Еще его учитель, венский астроном Георгий Пейрбах (Peurbach), автор астрономических и тригонометрических таблиц, начал переводить с греческого языка астрономию Птолемея. Региомонтанус закончил этот перевод и, кроме того, перевел Аполлония, Герона и наиболее трудного из всех — Архимеда. Его главное оригинальное произведение — книга «О различных треугольниках» (Dp triangulis omnimodus libri qninkue, 1464 г., напечатана лишь в 1533 г.), полное введение в тригонометрию, отличающееся от наших нынешних учебников главным образом отсутствием современных удобных обозначений. Здесь содержится теорема синусов для сферического треугольника. Все теоремы все еще формулируются словесно. Отныне тригонометрия становится наукой, не зависящей от астрономии. Нечто подобное было сделано Насир-ад-Дином в тринадцатом столетии, но существенно то, что его труды не получили значительного дальнейшего развития, тогда как книга Региомонтануса оказала глубокое влияние на дальнейшее развитие тригонометрии и на ее применение к астрономии и алгебре. Много труда положил Региомонтанус и на вычисление тригонометрических таблиц. Он составил таблицу синусов с интервалом в одну минуту, принимая радиус окружности равным 60 000 (опубликована в 1490 г.).
Значения синуса рассматривались как отрезки, представляющие полухорды соответствующих углов в круге, поэтому они зависели от длины радиуса. При большем радиусе достигалась большая точность и не надо было применять шестидесятичные (или десятичные) дроби. Систематическое применение радиуса, равного 1, и тем самым определение синуса, тангенса и т. д. как отношений (чисел) идет от Эйлера (1748 г.).
7. До сих пор прежние достижения греков и арабов не были заметным образом превзойдены. Классики оставались пес plus ultra ‘) науки. Поэтому, когда итальянские математики в начале шестнадцатого века на деле показали, что можно развить новую математическую теорию, которой не было у древних и у арабов, это было большой и вдохновляющей неожиданностью. Такая теория, которая привела к общему алгебраическому решению кубических уравнений, была открыта Сципионом дель Ферро и его учениками в Болонском университете.
В итальянских городах и после эпохи Леонардо математика занимала второе место. В пятнадцатом столетии мастера счета в Италии владели арифметическими операциями, включая действия с иррациональностями (без каких-либо угрызений математической совести), а итальянские художники были хорошими геометрами. Вазари 2) в своих «Жизнеописаниях» подчеркивает, что художники пятнадцатого века проявили большой интерес к геометрии пространства. Одним из их достижений была разработка теории перспективы такими людьми, как Альберти и Пьеро делла Франческа; последний написал также книгу о правильных телах. Мастера счета нашли своего истолкователя в лице францисканского монаха Луки Пачоли (Pacioli), чья книга «Сумма арифметики», одна из первых печатных математических книг, появилась в 1494 г.1). Написанная на итальянском языке, притом на не слишком изящном, она содержала все, что тогда знали по арифметике, алгебре и тригонометрии. Отныне пользование индийско-арабскими цифрами стало общепринятым, а арифметические обозначения в этой книге не слишком отличаются от наших. Пачоли закончил свою книгу замечанием, что решение уравнений х3 + тх = п, х3 + п — тх столь же невозможно при современном ему состоянии науки, как и квадратура круга.
Это стало отправной точкой для математиков Болонского университета. Болонский университет в конце пятнадцатого столетия был одним из самых больших и самых известных в Европе. Было время, когда только его астрономический факультет насчитывал шестнадцать лекторов. Студенты толпами устремлялись из всех частей Европы, чтобы слушать здесь лекции, а также на публичные диспуты, которые привлекали многих спортивно настроенных слушателей. В разные времена студентами этого университета были Пачоли, Альбрехт Дюрер и Коперник. Для новой эпохи характерным было стремление не только усвоить науку классиков, но и создать новое, перешагнуть через границы, указанные классиками. Искусство книгопечатания и открытие Америки указывали на наличие таких возможностей. Но можно ли создать новую математику? Древние греки и восточные народы испытывали свою изобретательность на решении уравнений третьей степени, но они только численно решили несколько частных случаев. Теперь же болонские математики пытались найти общее решение.
Эти уравнения третьей степени можно было свести к трем типам:
X3 + рх = q, х3 = рх + q, х3 + q = рх,
где р и q — положительные числа. Они были тщательно исследованы профессором Сципионом дель Ферро, который умер в 1526 г. Можно сослаться на авторитет Бортолотти, утверждающего, что дель Ферро действительно решил все типы. Он никогда не публиковал своих решений и рассказал о них лишь немногим друзьям. Но об этом открытии стало известно, и после смерти Сципиона венецианский мастер счета, по прозвищу Тарталья (заика), переоткрыл его приемы (1535 г.). Он публично продемонстрировал свои результаты, но по-прежнему держал втайне тот метод, с помощью которого он получил их. Наконец, он раскрыл свои соображения ученому доктору из Милана, Иерониму Кардано, который поклялся, что будет хранить их втайне. Однако, когда Кардано в 1545 г. опубликовал свою внушительную книгу по алгебре «Великое искусство» (Ars magna), Тарталья с возмущением обнаружил, что в ней полностью раскрыт его метод, с должным признанием заслуг автора открытия, но тем не менее уворованный. Завязалась ожесточенная полемика, с обеих сторон сыпались оскорбления. Защитником Кардано был молодой ученый из дворян Людовико Феррари. Эта перепалка породила несколько интересных документов, среди них «Вопросы» (Quaesiti) Тартальи (1546 г.) и «Вызовы» (Cartelli) Феррари (1547—1548 гг.), которые довели до всеобщего сведения всю историю этого замечательного открытия.
«Великое искусство» Кардано содержало и другое блестящее открытие: метод Феррари сведения решения общего уравнения четвертой степени к решению кубического уравнения. Уравнение Феррари имело вид х4 + 6х2 + 36 = 60х, он его сводил к уравнению у3 + 15у2 + 36у = 450. Кардано рассматривал и отрицательные числа, называя их «вымышленными», но он не был в состоянии что-либо сделать в так называемом «неприводимом случае» уравнения третьей степени, когда налицо три действительных корня, но они получаются в виде суммы или разности чисел, называемых теперь мнимыми. Эта трудность была преодолена последним из больших болонских математиков шестнадцатого века, Рафаэлем Бомбелли, чья «Алгебра» появилась в 1572 г. В этой книге и в «Геометрии», написанной около 1550 г. и оставшейся в рукописи, он вводит последовательную теорию мнимых и комплексных чисел. Он записывает 3i как √0—9 (буквально так: R[0m,9], где R обозначает корень (radix), а т обозначает meno, т. е. меньше, минус). Отныне комплексные числа потеряли кое-что из сверхъестественности, хотя полное их признание произошло только в девятнадцатом столетии. Любопытен тот факт, что впервые мнимости были введены в теории кубических уравнений в том случае, когда было ясно, что действительное решение существует, хотя и в не распознаваемом виде, а не в теории квадратных уравнений, в которой они появляются в наших современных учебниках.
srednieveka.net/istoriya-nauk/srednevekovaya-ma...
@темы: Арагарта