Другое дело - индийская математика. Брахмагупта разъясняет, что числа могут трактоваться либо как имущество, либо как долг. Правила операций с числами тогда таковы: сумма двух имуществ есть имущество, двух долгов - долг, имущества и долга - их разность, которая либо долг, если он больше, либо имущество, если оно больше, либо нуль, если они равны. Сумма нуля и долга есть долг, имущества и нуля - имущество. Произведение двух имуществ или двух неимуществ есть имущество; результат произведения имущества на долг представляет убыток. То же правило справедливо и при делении. Квадрат имущества, или долга, есть имущество; имущество имеет два корня: один составляет прибыль, другой - долг. Корня убытка не существует, ибо таковой не может быть квадратом. Однако, вводя отрицательные числа, индийские математики не использовали их как равноправные элементы математики, считая их только чем-то вроде логических возможностей, потому что, по выражению Бхаскары, люди с ними не согласны.
Развитие методов решения задач неопределенного или диофантова анализа представляет одно из высших достижений индийской математики. Причина заинтересованности математиков Индии в решении подобных задач лежит, по-видимому, в необходимости изучения периодически повторяющихся явлений, обильные примеры чего дает астрономия. В самом деле, вопрос о периоде времени, состоящем одновременно из целого числа дней (х)и целого числа лет (у), приводит к неопределенному уравнению: 10 960 у = 30 х. Другие вопросы, например, о периоде совпадения некоторых явлений, приводят к полным неопределенным уравнениям. Индийские ученые умели находить целочисленные решения различных видов неопределенных уравнений 1-й и 2-й степени.
Но характерная форма изложения, при которой не воспроизводится ни хода рассуждений, ни доказательства, не дает возможности судить о теоретико-числовых методах индийских математиков. Однако то немногое, что известно, показывает на наличие ряда теоретико-числовых методов.
Индийская геометрия тоже носит все черты практического подхода к делу. Есть чертежи, есть правила, но иногда правил нет, а под чертежом написано только: «смотри!». Некоторый интерес представляют тригонометрические таблицы, в которых хорды заменены полухордами. При этом вводятся в рассмотрение по существу тригонометрические функции: синусы, косинусы и синусы-верзусы ( sinvers а = 1 - cos а).
Индийский математик Варахамихира заменил хорду ( дживу) в тригонометрии половинной хордой. В его «Пангасиддханте» использовались понятия котидживаи уткра-маджива. Все эти понятия в VIII веке заимствовали арабские математики; термин дживаони изменили на джиба, а затем и на джайб - впадина, изгиб, излучина. Этот термин был переведен с арабского языка на латинский в его буквальном значении словом sinus. Cosinus - сокращение от complementisinus (дополнение синуса).
В истории Индии имеется много фактов, свидетельствующих об экономических и политических связях с византийским и арабским миром и с Китаем. В математике считается бесспорным индийское происхождение десятичной системы счисления с нулем и правил счета. Можно проследить заимствование индусами от византийцев некоторых геометрических фактов и т. д.
В заключение еще раз отметим, что как о китайской, так и об индийской математике мы располагаем вообще очень ограниченным запасом сведений.
Во-первых, мы будем называть Вавилоном комплекс государств, которые, по мнению традиционной истории, сменяли друг друга на территории междуречья Тигра и Евфрата. От этих государств дошло до нас около ста тысяч глиняных табличек с записями, сделанными клинописью. Однако табличек с текстами математического содержания известно только около 50, а математических таблиц без текста - около 200.
Клинописный текст ВМ 85 194 содержит 16 задач с решениями. Задачи относятся к плотинам, валам, колодцам, водяным часам и земельным работам. Четвертая задача, снабженная чертежом, относится к круговому валу. 14-я задача рассматривает усеченный конус. Объем его определяется умножением высоты на полусумму площадей верхнего и нижнего оснований.
Вавилонская система имеет два основных элемента: «клин» V с числовым значением 1 и «крючок» < с числовым значением 10. Повторением этих знаков можно записать числа от 1 до 59. Любое число записывается слева направо по принципу N = a (0)60^ 0+ a (1)60^ 1+…
Таким образом, система счисления оказывается позиционной 60-ричной. Однако эта система не знает нуля. При отсутствии промежуточного разряда употреблялся специальный знак, игравший роль нуля. Но отсутствие низшего разряда не обозначалось. Таким образом, число, обозначающееся тремя единицами, можно было считать и как 3, и как 180, и как 10 800, и т. д. Различить их можно было только по смыслу текста.
Запись 3 могла также означать 3/60, 3/3600 и т. д., подобно тому, как числа 0,3, 0,03, 0,003 и т. д. в десятичной системы. Вот что значит наличие позиционной системы и отсутствие нуля!
Наряду с 60-ричной системой нумерации вавилоняне пользовались и десятичной системой, но она не была позиционной. В ней, кроме знаков для 1 и 10, существовали знаки для 100, 1000 и 10 000.
Вообще возникновение такой системы не очень понятно. Возможно, шестидесятеричная система существовала здесь и раньше, но люди, умевшие писать, были людьми другой культуры и поэтому, сохранив шестидесятеричную систему, стали использовать не 12-ричную, а десятичную. Это могло произошло и под влиянием Византии, где шестидесятеричная система выводится из геометрии. Самое простое - делить окружность на шесть частей, которые потом делятся на 10 частей. Как бы то ни было, мы сегодня не знаем, когда и как возникла здесь шестидесятеричная система. На этот счет строились много гипотез, но ни одна пока не доказана.
Интересно, что хотя шестидесятеричная запись целых чисел не получила распространения за пределами ассиро-вавилонского царства, шестидесятеричные дроби проникли далеко за эти пределы: в страны Ближнего Востока, Средней Азии, в Северную Африку и Западную Европу. Они широко применялись, особенно в астрономии, вплоть до изобретения десятичных дробей, то есть до начала XVII века. Следы шестидесятеричных дробей сохраняются и поныне в делении углового и дугового градуса, а также часа на 60 минут и минуты на 60 секунд.
Содержание табличек показывает, что на основе этой системы были созданы многие единообразные правила арифметических действий как с целыми числами, так и с дробями. Для облегчения действий существовали таблицы умножения (от 1х1 до 60х60). При перемножении больших чисел с помощью таблицы находились частичные произведения, которые затем складывались. Деление производилось с помощью таблиц обратных значений. А кроме них, использовали таблицу квадратов целых чисел, их кубов, обращенные таблицы (квадратных корней), таблицы чисел вида n^ 2+ n^ 3и т. д.
В ряде вавилонских текстов содержится исчисление процентов (на самом деле это не проценты как одна сотая часть числа, а одна шестидесятая часть числа) за долги, пропорциональное деление. Ряд текстов посвящены решению задач, которые с современной точки зрения сводятся к уравнениям 1-й, 2-й и даже 3-й степени.
Б.Л. ван дёр Варден классифицировал все приемы решения задач в вавилонских табличках. Он пришел к выводу, что эти приемы эквивалентны приемам решения всего десяти видов уравнений и их систем. Наконец, в 1945 году Нейгебауер и Сакс опубликовали расшифровку чрезвычайно интересной таблички, хранящейся в библиотеке Колумбийского университета (США). В ней оказался перечень прямоугольных треугольников с рациональными сторонами, то есть троек пифагоровых чисел x^ 2+ y^ 2= z^ 2.
Геометрические знания вавилонян содержали помимо общих типов задач также начатки измерения углов и тригонометрических соотношений. В основном, впрочем, они тоже состояли из вычислений площадей и объемов прямолинейных фигур, обычных для элементарной геометрии. Площадь круга вычислялась по формуле S = c^ 2/12(где с - длина окружности), откуда получается плохое еще приближение «пи» = 3.
Внимание ряда исследователей привлекала и пленяла высокая алгоритмичность, проявленная в математических текстах Вавилона. Это давало повод к высказыванию предположений, что в те времена культивировались общие методы, отвлеченные от конкретных задач и представлявшие своеобразную алгебру. Однако существуют и более осторожные оценки математических достижений вавилонян. Мы же можем сказать, что вавилонские математические традиции лежат в русле развития математики сопредельных государств Ближнего Востока. Они являются ранним этапом этого развития, вместе с математикой ранней Византии, из которой многое позаимствовали.
На обширных территориях, от северо-запада Индийского полуострова до северного побережья Африки и юга Испании, существовали многочисленные восточные государства. Созданные нередко путем завоеваний, огромные, но не связанные в единый хозяйственный организм, они не обладали политической устойчивостью и имели сложную, полную превратностей судьбу. Научные и культурные традиции населяющих их народов развивались в таких условиях сравнительно медленно.
Начиная с VII века эти страны выделились из Византийской (Ромейской) империи под знаком борьбы за господство новой религии - ислама (или, иначе, магометанства, мусульманства). В течение ряда веков образовалась колоссальная область торгового обмена и экономических связей. Возникли большие города как центры торговли, ремесел и административного управления. Новая религия заняла господствующее положение, и арабский язык стал практически единым языком официальных документов, религиозных книг, научных трактатов и художественно-поэтических сочинений.
Условия хозяйственной и политической жизни благоприятствовали развитию математики, которая требовалось для государственного управления, ирригации, строительства, торговли и ремесел. Международные связи, осуществляемые с помощью длительных путешествий по морям, горам и неизведанным местностям, вынуждали развивать математику для нужд географии и астрономии.
Поэтому многие восточные правители и целые династии проводили политику государственного покровительства наукам. В аппарате государственного управления появились специально оплачиваемые ученые. Для них строились обсерватории, собирались библиотеки из древних сочинений, которые разыскивались всюду и переводились на арабский язык, привлекали на службу византийцев.
В результате сложилась своеобразная система математических знаний. В нее влились и данные ранней византийской науки, то есть классические трактаты Евклида, Архимеда, Аполлония и других, но также получили свое развитие сведения из математики Индии, а также коренного населения стран Ближнего и Среднего Востока.
Освоение и переработка многочисленных источников, как и подготовка квалифицированных математиков потребовали, разумеется, немалого времени. Поэтому для арабской математики (как мы ее иногда называем, несмотря на необоснованность этого термина, так как ее развивали ученые разных национальностей) характерна пестрота в постановке задач, в методах их решения и даже в символике. Она получила так много оригинальных черт, что сделалась качественно отличной от своих источников.
Рассмотрим характерные особенности математики средневекового Востока и достигнутый уровень математических наук, без разделения математики по отдельным странам ввиду специфичности предмета и не разработанности темы.
Арабские цифры
В вычислительной практике арабов равноправно действовали обе системы счисления: десятичная абсолютная и шестидесятеричная. Первая была воспринята из Индии и быстро получила широкое распространение. Позже посредством арифметического трактата Хорезми (IX век) «Об индийских числах», переведенного в XII веке на латинский язык, десятичная система стала известной в Европе.
Параллельно с десятичной сохранялась и регулярно употреблялась в астрономических обсерваториях шестидесятеричная система счисления. В духе математиков Вавилона составлялись и использовались вспомогательные таблицы, вроде таблицы умножения (от 1х1 до 60х60). Даже в сравнительно позднее время (ок. 1427) в обсерватории Улугбека под городом Самаркандом были в употреблении обе системы, а для удобства вычислений были разработаны правила перевода из одной в другую. Регулярные правила существовали для вычислений с дробями, простыми и десятичными.
В Западной Европе десятичные дроби были введены только около 1585 года фламандским математиком и инженером С. Стевином. Вообще применение многих приемов, отработанных арабами до Х века, как, например, приближенного извлечения корней, отмечено в Европе лишь с середины XVI века.
Преобладание вычислительной части математики оказало влияние на трактовку многих теоретических вопросов. Особенно интересен вопрос о понимании алгебраических иррациональностей, стремление к оперированию с которыми характерно для всей арабской математики. В сочинениях Хорезми уже встречаются операции над квадратичными иррациональностями; Аль-Кархи (XI век) ввел многие преобразования иррациональностей. Аль-Баки (ок. 1100), как и Аль-Кархи, комментировал десятую книгу «Начал» Евклида, поясняя ее теоремы числовыми примерами.
В силу такого подхода и частого применения вычислений иррациональностей грань между рациональными числами и иррациональностями начинает стираться. К представлению о числе как о собрании единиц прибавились представления об отношениях непрерывных величин. Была установлена адекватность геометрической несоизмеримости с арифметической иррациональностью. В математике вместо двух обособленных понятий, - числа и отношения, возникла новая, более широкая концепция действительного положительного числа. Уже в XIII веке этот факт был констатирован с полной определенностью; Насирэддин (1201–1274) писал:
«Каждое из отношений может быть названо числом, которое определяется единицей так же, как один из членов этого отношения определяется другим из этих членов».
Можно сказать, что идея создания единой концепции действительного числа путем объединения рациональных чисел и отношений, появившаяся у математиков Византии, получила на Ближнем Востоке известное завершение. В Европе же подобная идея не появлялась довольно долго. Только с XVI века бурное развитие вычислительных средств начало приводить ученых к ее осознанию, а с достаточной степенью общности она была высказана лишь И. Ньютоном в 70-х годах XVII века (опубликована в 1707) в его «Всеобщей арифметике»:
«Под числом мы понимаем не столько множество единиц, сколько отвлеченное отношение какой-нибудь величины к другой вели
чине того же рода, принятой нами за единицу. Число бывает трех видов: целое, дробное и иррациональное. Целое число есть то, что измеряется единицей; дробное - кратной долей единицы; иррациональное число несоизмеримо с единицей».
Великий поэт и математик Омар Хайям (ок. 1048 - ок. 1122) и Насир-ад-дин ад-Туси (1201–1274) явно указывали, что каждое отношение величин, все равно, соизмеримых или нет, может быть названо числом. Величие этих достижений становится особенно ясным, если заметить, что полное признание отрицательных чисел европейскими математиками было достигнуто очень не скоро. Например, Ф. Виет (1540–1603), которому алгебра многим обязана, избегал отрицательных чисел, а в Англии протесты против отрицательных чисел раздавались даже в XVIII веке.
В XI веке тюрки-сельджуки захватили большую часть Ирана и византийских владений в Малой Азии. На этих землях народы осваивали и развивали наследие всех предшественников, и византийцев, и арабов. Омар Хайям писал стихи по-персидски, научные трактаты по-арабски, а в служебных делах пользовался тюркским языком. Потерпев неудачу в прямом поиске корней произвольного кубического уравнения, он открыл несколько способов приближенного вычисления этих корней, предлагая сделать это, используя хорошо знакомые кривые. Как только (в XVII веке) Рене Декарт добавил к ней вторую идею - описать любую кривую с помощью чисел, родилась аналитическая геометрия, в которой решение алгебраических уравнений слито воедино с теорией чисел и с наглядной геометрией.
Предчувствуя эту связь, Омар Хайям поставил много интересных вычислительных опытов. Он нашел приближенные способы деления окружности на 7 или 9 равных частей; составил подробные таблицы синусов и с большой точностью вычислил число «пи». Он догадался, что это число иррациональное, и даже не квадратичное - но доказать не смог. Не удались Хайяму и попытки доказать пятый постулат Евклида о параллельных прямых.
Влияние алгоритмически-вычислительной направленности арабской математики отразилось и на ее структуре. В ней сравнительно быстро, впервые в истории, выделилась в качестве самостоятельной математической науки алгебра. В этом факте нашло свое выражение слияние элементов алгебраического характера математики различных народов, например: геометрическая алгебра византийцев, группировка однотипных задач и попытка выработать для каждой группы единый алгоритм в Вавилоне, вычислительные задачи индийцев, приводившие к уравнениям 1-й и 2-й степени, и т. п.
В трудах математиков средневекового Востока эти алгебраические элементы были впервые выделены, собраны в новый специальный отдел математики, сформулирован предмет этого нового отдела науки и построена систематическая теория. В качестве примера такого подхода приведем высказывание Омара Хайяма:
«Алгебра есть научное искусство. Ее предмет - это абсолютное число и измеримые величины, являющиеся неизвестными, но отнесенные к какой-либо известной вещи так, что их можно определить; эта известная вещь есть количество или индивидуально определенное отношение, и к этой известной вещи приходят, анализируя условия задачи; в этом искусстве ищут соотношения, связывающие данные в задачах величины с неизвестной, которая вышеуказанным образом составляет предмет алгебры. Совершенство этого искусства состоит в знании математических методов, с помощью которых можно осуществить упомянутое определение как числовых, так и геометрических неизвестных… Алгебраические решения… производятся лишь с помощью уравнения, то есть приравниванием одних из этих степеней другим».
Европейские ученые начали знакомиться с алгеброй в начале XII века, а источником их сведений явилось сочинение «Китаб аль-Джебр валь-Мукабала» Мухаммеда бен-Муса ал-Хорезми, жившего в первой половине IX веке. Название в переводе означает: книга об операциях джебр(или гебр, восстановление) и кабала(приведение). Первая из операций, имя которой послужило названием для алгебры и служит до сего времени, состоит в переносе членов уравнения из одной стороны в другую. Вторая есть операция приведения подобных членов уравнения. Решение уравнений рассматривается как самостоятельная наука.
Книга Хорезми пользовалась большой известностью. Термин алгебраукоренился в математике. Осталось в этой науке и имя автора (аль-Хорезми) в латинизированном виде: алгоритм. Вначале это слово обозначало фамилию, затем нумерацию по позиционной системе, а теперь - всякую систему вычислений, производимых по строго определенным правилам и заведомо приводящих к решению поставленной задачи. В ходе развития науки изменялось содержание понятий, вложенных в эти термины, но термины сохранились.
Но сам Хорезми никогда не высказывался о своем приоритете в алгебре. Видимо, оба приема - джебри кабала - были уже широко распространены в его время.
Алгебраические арабские трактаты IX–XV веков, помимо решения уравнений 1-й и 2-й степени, включали в себя и кубические уравнения. К последним приводили разнообразные задачи:
а) рассечение шара плоскостью;
б) трисекция угла;
в) отыскание стороны правильного 9-угольника;
г) отыскание стороны правильного 7-угольника, и другие.
Одна из задач оптики: найти на данной окружности такую точку, чтобы луч, падающий из данной точки A, отразился в другую заданную точку В, приводила к уравнению 4-й степени.
В методах решения кубических уравнений отразилось многообразие средств, обычно присущее математике арабских ученых. Численные же решения уравнений развивались, начиная со способа проб (разработан Бируни, 972–1048) до изящного итерационного, быстро сходящегося, метода (Каши, ок. 1420).
Помимо выделения алгебры, важнейшей характерной чертой арабской математики было формирование тригонометрии. И в этой области происходил синтез разнообразных тригонометрических элементов: исчисление хорд и соответственные таблицы предшествующих ученых, в особенности результаты Птоломея и Менелая, операции с линиями синуса и косинуса у индийцев, накопленный опыт астрономических измерений.
Используя этот разнородный материал, математики стран Ближнего Востока и Средней Азии ввели все основные тригонометрические линии. В связи с задачами астрономии они составили таблицы тригонометрических функций с большой частотой и высокой точностью. Данных накопилось при этом так много, что стало возможным изучать свойства плоских и сферических треугольников, способы их решений. Получилась стройная система тригонометрии как плоской, так и сферической. Ее представляет, например, сочинение Насирэддина (1201–1274) «Трактат о полном четырехстороннике».
Тригонометрия в математике средневекового Востока приобрела положение отдельной математической науки. Из совокупности вспомогательных средств астрономии она преобразовалась в науку о тригонометрических функциях в плоских и сферических треугольниках и о способах решения этих треугольников. Алгоритмически-вычислительные средства стали играть в ней преобладающую роль. Оставался один только шаг: введение специфической символики, чтобы тригонометрия приобрела привычный нам аналитический облик. Однако для этого шага понадобилось много времени! Дальнейшее развитие эта наука получила со второй половины XVI века в Европе, в первую очередь под влиянием запросов мореплавания и астрономии. В конце этого века появилось и название науки, «тригонометрия», от греческих слов измерение треугольников.
В ряду геометрических сочинений обращают на себя внимание глубокие исследования по основаниям геометрии. В сочинениях Хайяма и Насирэддина мы находим попытки доказательства постулата о параллельных, основанные на введении эквивалентных этому постулату допущений. Имена этих математиков с полным правом могут быть помещены историками в длинном ряду предшественников неевклидовой геометрии.
Примерно в середине XV века развитие математических наук в описываемых нами здесь арабских регионах замедляется и прекращается. Причины этого явления лежат вне математики: они - в наступившем экономическом разобщении обширных территорий, о которых шла речь выше.
В Западной Европе математика не имеет столь древнего происхождения, как в странах Ближнего и Дальнего Востока. Заметные успехи появились тут лишь в эпоху позднего Средневековья и особенно Возрождения. А основной организационной предпосылкой развития математики в Европе стало открытие учебных заведений. Одно из первых организовал во французском городе Реймсе Герберт (940–1003), позже ставший римским папой с именем Сильвестр II.
Французский монах Герберт из Орильяка - первый профессиональный ученый католической Европы. В 970-е годы он поселился в Барселоне, выучил арабский язык и начал беседовать с учеными иноверцами обо всем на свете. Астрономия и арифметика, изготовление бумаги и музыкальных инструментов, во всем этом жители Андалузии превосходили лучших мастеров Франции или Италии, и все это Герберт старался перенять. Через пять лет он сделал очередной шаг: направился в центр Андалузии - Кордову, и три года учился у местных мудрецов. Ему не раз предлагали принять ислам. Но у него была другая цель: соединить арабскую мудрость, ученость древних греков и римлян с христианским богословием; сделать этот сплав достоянием всех католиков.
Вернувшись во Францию, Герберт устроил в городе Реймсе училище по своему вкусу. В нем юноши обучались латыни и греческому, а желающие - также арабскому и древнееврейскому языкам. Кроме этого, преподавались астрономия и музыка, арифметика на основе арабских цифр. Все необходимые приборы строил сам Герберт с помощью учеников. Гербер привез с собой много книг из-за Пиренеев; это были Платон и Аристотель, Евклид и Птолемей, множество арабских рукописей.
В реймской школе Герберта, кроме прочих наук, учили счету с применением счетной доски - абака, которую усовершенствовали путем замены пустых жетонов, каждый из которых имел значение единицы, на жетоны с написанными на них цифрами.
В то время существовало много способов счета. Были даже две враждующие партии: абакистов и алгоритмиков. Первые отличались требованием обязательного использования абака и двенадцатиричной римской нумерации. Алгоритмики пользовались индусскими цифрами, некоторые вводили знак нуля, счет вели на бумаге, применяли шестидесятиричные дроби. В спорах формировались системы счисления и приемы арифметического счета, все более близкие к привычным нам системам и приемам.