Бракосочетание алгебры и геометрии

 

Начиная со времен древней Греции математика была раздроблена на две основных ветви – геометрию и арифметику. Первая оперировала размерами, вторая – числами. Но между ними никогда не существовало полного разрыва – мы видели, как в разных культурах одна ветвь порой развивалась быстрее и активнее, чем другая, в зависимости от конкретных нужд и обстоятельств. Развитие алгебры и ее взаимоотношений с геометрией можно проиллюстрировать с помощью истории решения кубического уравнения, которое сегодня записывается так: ах³ + bx² + сх + d = 0.

Слово «аль‑джабр» («восстановление») взято из заглавия алгебраического трактата ал‑Хорезми «Ал‑китаб ал мухтасар фи хисаб ал‑джабр ва‑л‑мукабала» («Книга о восполнении и противопоставлении») (см. Главу 7), именно от него происходит название дисциплины «алгебра».

В книге ал‑Хорезми отсутствуют формулы – он объяснял решения уравнений риторическим способом. Степеням неизвестных значений он давал названия, такие, как «shay» («вещь») для х, «mal» («богатство») для х² и «ka'b» («куб») для х³. Названия степеней никто не утвердил навечно, и в своей «Книге аббака», написанной в 1202 году (см. Главу 10), Фибоначчи для обозначения степеней использовал как заимствования из арабского языка, так и некоторые собственные изобретения. Мы ведь, например, называем радикал квадратным корнем, а х³ – кубом. «Книга аббака» – очень важная работа, познакомившая Европу с индо‑арабскими цифрами: в ней были описаны девять индийских цифр и «zephirum», или ноль.

В тексте ал‑Хорезми, написанном в первой половине IX века, решения квадратных уравнений делятся на шесть типов, ограничивая положительными значениями и числовые коэффициенты, и заключительные решения (см. Главу 7). Последние объясняются геометрическими иллюстрациями, которые, по сути, то же самое, что и вавилонское дополнение квадрата (см. Главу 1). В одиннадцатом веке Гиясаддин Абу‑ль‑Фатх Омар ибн Ибрахим ал‑Хайям Нишапури, более известный как Омар Хайям, открыл метод геометрического решения кубических уравнений: ответы находились на точках пересечения двух конических сечений, – например, решение уравнения х³ + ах = с может быть найдено путем пересечения круга и параболы. Но и в этом случае коэффициенты и решения – только положительные числа. Хайям не нашел общего алгебраического решения кубического уравнения, однако он использовал достаточно сложный метод – применил греческую геометрию в решении алгебраических уравнений. По его словам, «алгебра – это доказанная геометрия». Он надеялся, что простое общее алгебраическое решение кубического уравнения будет найдено его потомками‑математиками. К сожалению, «Алгебра» ал‑Хайяма была одной из немногих арабских книг, не переведенных на латынь.

Общий алгебраический способ решения кубического уравнения – то есть конечная последовательность алгебраических шагов, ведущих к получению окончательного решения, – был действительно найден, но только в эпоху итальянского Ренессанса, почти 400 лет спустя. Но приблизительные решения были известны и ранее. Например, в 1225 году Фибоначчи издал трактат о решении кубического уравнения, в котором описывал приблизительное решение конкретного случая, но, к сожалению, без описания метода. Рассматривая историю решения кубического уравнения, мы погружаемся в конкурентную борьбу эпохи итальянского Ренессанса. Новые результаты редко издавались, поскольку «придерживание» открытий поднимало репутацию математика в глазах покровителей. Научное общение приняло вид соревнований – математики бросали друг другу вызов, обмениваясь списками вопросов, а победа на таких соревнованиях еще больше укрепляла репутацию ученого и возносила его над другими.

Решение кубического и, конечно, квадратного уравнений впервые было опубликовано Джироламо Кардано (1501–1576) в книге «Великое искусство» (1545). Однако эти решения не были открытием самого Кардано. Впервые решить уравнения удалось Сципиону дель Ферро (1465–1526), профессору математики из Болоньи. Он никогда не публиковал их и завещал своему студенту, Антонио Марии Фиоре. Тот посчитал, что при помощи такого наследства сможет обрести известность и благополучие, и вызвал других математиков на соревнование по решению задач. Однако Фиоре был, похоже, довольно посредственным ученым, полагавшимся лишь на одно тайное оружие. Над решением кубических уравнений работал также математик Никколо Фонтана (1499–1557), более известный как Тарталья, что означает «заика». Прозвище было дано ему из‑за дефекта речи, приобретенного в детстве, когда во время нападения на город Брешию его ударили мечом по нижней части лица. В 1535 году Фиоре и Тарталья встретились на соревновании, и вечером 12 февраля Тарталья заявил, что также решил кубическое уравнение. Он выиграл соревнование, решив все задачи Фиоре, в то время как Фиоре не смог решить ни одной задачи Тартальи.

В те времена кубическое уравнение не выделяли особо – все уравнения делились на типы, согласно приравниваемым элементам, что больше походило на квадратные уравнения ал‑Хорезми. Именно поэтому Тарталья решил не один тип, представленный Фиоре, но и множество других кубических уравнений. Новости о победе Тартальи достигли ушей Кардано, который в конечном счете убедил Тарталью обнародовать свою тайну в обмен на рекомендательное письмо предполагаемому покровителю. Однако на встрече в Милане в 1539 году Тарталья взял с Кардано клятву никогда не публиковать решение, которое тот получил в форме зашифрованного стиха. Позднее Кардано обнаружил, что зять дель Ферро обладал оригиналом этого стиха, и получил позволение прочитать его. Он и его помощник Лодовико Феррари (1522–1565) также значительно продвинулись в поиске общего решения кубических и квадратных уравнений. Кардано отдавал должное работе Тартальи, но, узнав о том, что первым уравнение решил дель Ферро, больше не был связан обязательством хранить секрет. Тарталья был рассержен предательством и решил отомстить Феррари в собственной книге, где по‑своему изложил всю историю поиска решения в виде длинного ожесточенного диалога. Он заявил, что Феррари отнял у него приоритет открытия, в то время как самого Феррари нельзя считать серьезным математиком. В 1548 году Тарталье удалось оставить свою непритязательную должность учителя математики в Венеции и получить пост лектора в Брешии. Он решил, что, бросив вызов Феррари, сможет еще больше прославиться и отомстить, но сильно недооценил помощника Кардано, так что ему пришлось бежать, не дожидаясь, пока судьи на соревновании вынесут свое решение. Для Тартальи все это имело весьма неприятные последствия – власти Брешии отказались платить ему заработную плату. Он возвратился в Венецию, где и продолжил преподавание математики.

В отличие от Тартальи, бедняка, постоянно искавшего покровителей, Кардано удалось достичь известности и сколотить небольшое состояние. Кардано был настоящим сыном своего времени – математиком, врачом, астрологом, игроком и еретиком. В течение почти пятнадцати лет его отказывались принимать в медицинский колледж, якобы из‑за того, что он был незаконнорожденным, но, скорее всего, из‑за его репутации откровенного и неуживчивого человека. Он был настолько азартен в игре, что почти разорился, однако ему удалось наладить процветающую частную медицинскую практику, а в 1543–1552 годах Кардано читал лекции по медицине в Милане и Павии. Затем его вызвали в Шотландию лечить архиепископа Сент‑Эндрюсского. По возвращении он получил звание профессора медицины в университете Павии благодаря известию о выздоровлении архиепископа. Однако его карьерным успехам помешали серьезные семейные проблемы. Он не смог спасти своего любимого старшего сына от казни по обвинению в отравлении жадной и скупой жены. Ее семья потребовала от Кардано совершенно грабительской компенсации. В результате ему пришлось покинуть Павию и стать профессором в Болонье. Затем его младший сын обокрал дом отца, чтобы заплатить долг за проигрыш. На сей раз рассерженный Кардано сообщил о сыне властям, и тот был выслан. У Кардано в Болонье почти не было друзей, а в 1570 году ученый был арестован за ересь – он составил гороскоп Иисуса Христа и восхвалял императора Нерона. Удивительно, но впоследствии ученый обосновался в Риме, и папа согласился выплачивать ему пенсию. Тяга Кардано к игре подрывала семейный бюджет, но она же, скорее всего, дала ему богатый материал для написания книги по теории вероятности. Его автобиография – откровенное повествование об удивительной жизни на пороге математической революции.

Успешный штурм кубического уравнения, предпринятый Кардано, был, по существу, геометрическим «дополнением до полного куба», аналогичный методу дополнения до полного квадрата. Однако описание метода было выдержано все еще в стиле ал‑Хорезми, с длинными риторическими объяснениями и уверенностью, что кубические уравнения следует разбить на несколько групп, поскольку отрицательные коэффициенты все еще не считались допустимыми. Преобразовывая более сложные кубические уравнения в более простые разрешимые типы, Кардано смог вырваться на шаг вперед по сравнению с дель Ферро и Тартальей. Кардано также заметил, что иногда промежуточные шаги в решении требовали вычисления квадратного корня из отрицательного числа. Сталкиваясь с этими сложными числами, он выказал определенную интеллектуальную брезгливость. Считая подобные ответы бессмысленными, он все же не отвергал их полностью. В одном случае он зашел достаточно далеко и понял: при умножении того, что мы теперь называем комплексным числом, получается реальное число. Он описал условия, при которых кубическое уравнение имеет комплексные решения, но не стал исследовать эти новые типы числа. В 1572 году Рафаэль Бомбелли (ок. 1526–1572) издал трактат «Алгебра», в котором расширил область чисел, дополнив их квадратными и кубическими корнями, а также комплексными числами. Он также сделал решающий шаг в алгебраическом решении геометрических задач и наоборот, но, к сожалению это не было замечено современниками, поскольку значительная часть его работы была опущена и издана только в двадцатом веке.

В Европе развитие алгебры шло бок о бок с использованием новых индо‑арабских цифр. В 1494 году монах Лука Пачоли издал свой труд «Сумма арифметики, геометрии, учения о пропорциях и отношениях», который считают первой книгой по алгебре. Трактат Пачоли все еще представляет собой смесь риторических и алгебраических объяснений (это называют синкопированием). Неизвестное в уравнении часто называлось на латыни «cosa» («вещь»), а затем – в онемеченном варианте – «coss». После появления книги «Die Coss», написанной знаменитым «счетным мастером» Адамом Ризе (1492–1559), в Германии в XVI веке стало быстро развиваться так называемое «коссическое искусство». В то время впервые появились многие символы, которые мы сегодня считаем алгебраическими. Знаки «+» и «‑» пришли в математику из Германии, знак «=» – из Англии. В целом переход от риторической алгебры через различные виды синкоп к стандартизированной и однозначной символической алгебре занял несколько сотен лет. Серьезной проблемой была, например, роль степеней выше третьей. Поскольку алгебраические методы полагались на геометрические доказательства, а измерений свыше третьего не существовало, казалось неразумным приписывать какое‑либо значение четвертой или более высоким степеням. Важность этой проблемы подчеркивали сами термины, которые использовали для обозначения таких степеней. Четвертая степень числа обычно упоминается как «квадрат квадрата». В середине XVI века Роберт Рекорд чувствовал необходимость чем‑нибудь подкрепить свое стремление к использованию более высоких степеней. Он объяснял, что площадь квадрата, стороны которого также квадраты некоего числа, – это число, возведенное в четвертую степень, и, следовательно, называется «квадратом квадрата».

Отход от чисто геометрического подхода начался с публикации «Геометрии» Рене Декарта (1596–1650). Эта важная работа была всего лишь приложением к основополагающему труду Декарта «Рассуждение о методе» (1637) (полное название «Рассуждение о методе, позволяющем направлять свой разум и отыскивать истину в науках») и нередко выбрасывалась из последующих переизданий. Декарт писал «Рассуждение…», чтобы изложить философию науки, которая позволит получить знания о Вселенной вещества и движения. А правильное описание Вселенной на языке математики требовало, чтобы сам этот язык «базировался на надежном фундаменте». Несмотря на то что приложение называлось «Геометрия», по существу, оно знаменовало брачный союз алгебры и геометрии, появление дисциплины, которая теперь называется аналитической геометрией. В сущности, она доказывает эквивалентность геометрических построений и алгебраических преобразований. Кривые в ней описываются уравнениями. Декарт также перестал оценивать степени как числа, а не как геометрические объекты: х² больше не обозначало площадь – оно стало числом, возведенным во вторую степень, его геометрическим эквивалентом была парабола, а не квадрат.

 

Итак, желая решить какую‑нибудь задачу, следует сперва ее рассматривать как уже решенную и дать названия всем линиям, которые представляются необходимыми для ее построения, притом неизвестным так же, как и известным. Затем, не проводя никакого различия между этими известными и неизвестными линиями, нужно обозреть трудность, следуя тому порядку, который показывает наиболее естественным образом, как они взаимно зависят друг от друга, до тех пор, пока не будет найдено средство выразить одну и ту же величину двояким образом: это то, что называется уравнением, ибо члены, полученные одним из этих двух способов, равны членам, полученным другим.

Декарт. Геометрия (1637)[13]

 

Это освобождало алгебру от обязательств перед однородностью размерности – ограничения, согласно которому все члены уравнения должны были иметь одинаковую размерность. Мы находим, например, выражения вроде ххх + аах = bbb: каждый элемент здесь – куб. Действительно, Декарт с удовольствием рассуждал о кривых любой степени, то есть об xⁿ. И это новшество имело огромное значение. Сейчас мы больше не считаем в математике х² фактическим квадратом. Алгебра Декарта кажется нашим современникам знакомой – он использовал начальные буквы алфавита для обозначения коэффициентов, а последние буквы алфавита для обозначения переменных. Единственный символ, который кажется нам странным, – это ∞, знак бесконечности: Декарт использовал его в качестве знака равенства.

Задача с кубами по‑прежнему могла быть решена с помощью пересечения конических сечений, по методу ал‑Хайями, однако теперь любому было по силам построить кубическое уравнение. Декарт изо всех сил старался связывать алгебраические манипуляции с геометрическими преобразованиями, и в итоге формула Кардано выполняла не «дополнение куба», но преобразования кубической кривой. Более того, Декарт освободил геометрию от использования построений с помощью циркуля и линейки. В «Геометрии» Декарта вы не найдете многое из того, что теперь известно как алгебраическая геометрия, например координатные оси, формулы для вычисления расстояний между точками или углов между прямыми. Важно понимать, что Декарт подарил математикам будущего новый язык постановки математических проблем и установил определенный паритет между алгебраическими и геометрическими методами.

 

 

Когда куб и «нечто» вместе

равны некоторому числу,

найдите два других числа,

отличающиеся от него.

Затем вам надо взять за правило,

что его произведение всегда будет точно равно

кубу одной трети этого «нечто».

Тогда остаток в большинстве случаев,

будучи вычтенным из кубических корней,

будет равным вашему исходному «нечто».

Во втором из этих действий,

когда куб остается одиноким,

вы будете наблюдать другие согласования:

вы сразу разделите число на две части так,

чтобы вторая произвела

точно куб трети «нечто».

Тогда у этих двух частей, по обыкновенному правилу,

Вы возьмете кубические корни и сложите их вместе.

Эта сумма и будет вашей целью.

Третье из этих вычислений

Рассчитывается с помощью второго, если вы

все сделали аккуратно,

поскольку по своей природе они почти согласуются.

Эти «нечто» я нашел, шагая энергичной походкой,

в году одна тысяча пять сотен четыре и тридцать

с прочным и надежным обоснованием

в городе, опоясанном морем.

 

Решение кубического уравнения, переданное Никколо Тартальей Джероламо Кардано в 1539 году