近代数学的兴起

文艺复兴时期的数学发展是艺术家作为先锋,他们基于艺术创作的实践,对数学也有些独到的见解,但还远不能算是数学的复兴。话说回来,经历了漫长的1000余年的沉寂,文艺复兴是个好的开始,到16世纪数学开始在欧洲复兴,近代数学开始了空前的蓬勃发展。此时的欧洲人就像古希腊人一样,充满了对理性的崇尚、对大自然的美充满好奇,再次将数学和哲学紧密联系。不同的是,古希腊的数学成就都集中在几何学,而近代数学的复兴和崛起则开始于代数学,但欧几里得几何公理化的思路被延续了下来。代数学的发展,开始于解方程,当时的主要成就是三次和四次代数方程的求解以及代数的符号化。对于一元二次方程求根问题,早在印度的婆罗摩笈多给出了一元二次方程的一个根的求根公式;花拉子密则最先意识到二次方程有两个根,只是他舍弃了负根和零根。

阿拉伯帝国时期的阿拔斯王朝,有个伟大的数学家叫花拉子密,他的著作《代数学》被译成了拉丁文,在欧洲广为流传并长时间用作教材。因为欧洲在这之前是没有多少代数学成果的,文艺复兴时期,经过了翻译时代和以斐波那契为代表的东西方交流,使得代数学走进了欧洲人的视野。当时三次和四次的代数方程求解问题,是他们那个时代最大的挑战。以意大利人塔尔塔利亚和卡尔达诺对这类问题的解答,拉开了近代数学的大幕。

塔尔塔利亚给出了没有一次项或二次项的两类三次方程的求解问题。塔尔塔利亚所解方程:
x^3+mx^2=n\\ x^3+mx=n\\ m,n>0接下来简单说明一下塔尔塔利亚的解法,首先考虑恒等式(a-b)^3+3ab(a-b)=a^3-b^3选择恰当的a,b使得
\begin{cases} 3ab=m\\ a^3-b^3=n\\ \end{cases}\\求出上述方程的a,b后,a-b就是方程x^3+mx=n的解。而方程组的解如下
\sqrt[3]{\pm\frac{n}{2}+\sqrt{(\frac{n}{2})^2+(\frac{m}{3})^3}}这就是卡尔达诺公式。

塔尔塔利亚与数序爱好者卡尔达诺(本职是医生)沟通交流后,把解法告诉了卡尔达诺,几年后卡尔达诺出版了《大术》,书中收录了塔尔塔利亚关于三次方程的解法,尽管他在书中说明了解法来自塔尔塔利亚,还是引发了一场激战。这在接下来的数学发展中,时常发生争论。比如牛顿与莱布尼茨的微积分争论,高斯也多次陷入争论等等。言归正传,卡尔达诺在《大术》中,补充了m<0的情形,给出了完整的解答。对于缺少一次项的那个非常,他给出了变换方法,使方程转化为上述情形。《大术》还收录了四次代数方程的一般解法:把四次方程转化为三次方程,然后再解三次方程。只是解法同样不是卡尔达诺给出的,而是他的仆人费劳里,他是首位破解四次方程的数学家。

插一个重要的事件:在三次和四次代数方程的求解问题取得进展后,大约250多年的时间里,人们都在努力解决更高次方程解的问题。直至挪威的年轻数学家阿贝尔发表《一元五次方程没有代数一般解》,人们停止了寻求高于四次的方程解析解或根式解的尝试和努力。这个思路也被用到了微分方程上,在1841年,法国数学家刘维尔(Liouville)证明了里卡迪(Riccati)方程
\frac{dx}{dy}=p(x)y^2+q(x)y+r(x)\quad(p(x)\neq 0)在某些特殊类型之外,是无法通过初等积分法求得通解的。这促进了人们逐渐放弃了求微分方程通解的努力,转而求微分方程的数值解。

塔尔塔利亚和费拉里有着出色的能力,解决了当时的老大难问题,而卡尔达诺整理汇总了他们的成果。这一幕是不是似曾相识,没错,历史就是这么惊人的相似。同样是在数学领域,古希腊时期的欧几里得同样汇总整理了当时的数学成果,完成《几何原本》。毫无疑问地,我们的科学发展需要卡尔达诺这种欧几里得式的人物。貌似韦达也是这种欧几里得式的人物,对于一元二次方程
ax^2+bx+c=0韦达给出了根与系数关系的韦达公式和方程根的判别定理
x_1+x_2=-\frac{b}{a},x_1x_2=\frac{c}{a}更重要的是,韦达在丢番图的著作中获得灵感,首次引进了系统的代数符号,也因此被称为现代代数符号之父。不要小看数学符号,其引入所发挥的威力是非常巨大的。

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