心有灵犀,梦境里的数学家

心有灵犀,梦境里的数学家

莱蒙托夫是俄罗斯伟大的诗人。他爱好美术,曾画过一幅肖像,画的是他在梦里见到的一位数学家。

诗人不仅爱好画画,还喜欢数学。他身边经常带着数学书,有空就拿出来看,还喜欢和朋友们玩数学游戏。一天晚上,他又被一道有趣的数学题吸引住了,可想了许久还得不到答案,感到有点疲倦了。这时,房门突然被推开,走进一位学者打扮的人来。

"你好啊,莱蒙托夫!" 诗人揉了揉眼睛。多面熟啊,好像在哪儿见过。

"在干啥?又写诗吗?"那人拖过一张椅子,在桌旁坐了下来。

"做一道数学题。"莱蒙托夫回答。"唷,和我是同行啰!"那人幽默地笑了笑,就跟莱蒙托夫一道研究起题目来。他一面画图,一面解释。

"这不解决了么!"那人放下了笔,两人相对大笑。

莱蒙托夫笑得真痛快。这一阵笑使他醒了过来,原来做了个梦。他深沉地回味着刚才的梦境,回想着那位面熟的数学家。他急忙地取出了画纸,把这位梦中的数学家画了下来。这幅肖像至今还收藏在俄罗斯科学院的普希金馆里。这位梦里的数学家到底是谁呢?人们说,从形象看,很象对数的创始人约翰·纳皮尔。

约翰·纳皮尔(John Napier,1550~1617)早于莱蒙托夫二百年左右,他是苏格兰数学家。在他生活的年代,天文学的研究要碰到大量的繁琐的运算,花费了天文学家大量的精力和时间。因而,简化大数的乘、除、乘方和开方的运算,就成为当时迫切需要解决的问题。这就是约翰·纳泊尔发明对数的动机。

纳皮尔(Napier,1550-1617年)是苏格兰数学家。纳皮尔1550年出生在苏格兰首府爱丁堡,他从小喜欢数学和科学,并以其天才的四个成果被载入数学史。其中他发明的对数使整个欧洲沸腾了。法国数学家和天文学家拉普拉斯也对此称赞道:一个人的寿命如果不拿他在世上的时间长短来计算,而是拿他一生中的工作多少来衡量,那么可以说,以其节省劳力而延长了天文学家的寿命。可以说对数的发现使现代化提前了至少二百年。

对数是中学初等数学中的重要内容,那么当初是谁首创"对数"这种高级运算的呢?

在纳皮尔所处的年代,哥白尼的"太阳中心说"刚刚开始流行,这导致天文学成为当时的热门学科。可是由于当时常量数学的局限性,天文学家们不得不花费很大的精力去计算那些繁杂的"天文数字",因此浪费了若干年甚至毕生的宝贵时间。纳皮尔也是当时的一位天文爱好者,为了简化计算,他多年潜心研究大数字的计算技术,终于独立发明了对数。

当然,纳皮尔所发明的对数,在形式上与现代数学中的对数理论并不完全一样。在纳皮尔那个时代,"指数"这个概念还尚未形成,因此纳皮尔并不是像现行代数课本中那样,通过指数来引出对数,而是通过研究直线运动得出对数概念的。

那么,当时纳皮尔所发明的对数运算,是怎么一回事呢?在那个时代,计算多位数之间的乘积,还是十分复杂的运算,因此纳皮尔首先发明了一种计算特殊多位数之间乘积的方法。让我们来看看下面这个例子:

0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、……

1、2、4、8、16、32、64、128、256、512、1024、2048、4096、8192、16384、……

这两行数字之间的关系是极为明确的:第一行表示2的指数,第二行表示2的对应幂。如果我们要计算第二行中两个数的乘积,可以通过第一行对应数字的加和来实现。

比如,计算64×256的值,就可以先查询第一行的对应数字:64对应6,256对应8;然后再把第一行中的对应数字加和起来:6+8=14;第一行中的14,对应第二行中的16384,所以有:64×256=16384。

纳皮尔的这种计算方法,实际上已经完全是现代数学中"对数运算"的思想了。回忆一下,我们在中学学习运用对数简化计算的时候,采用的不正是这种思路吗:计算两个复杂数的乘积,先查《常用对数表》,找到这两个复杂数的常用对数,再把这两个常用对数值相加,再通过《常用对数的反对数表》查出加和值的反对数值,就是原先那两个复杂数的乘积了。这种"化乘除为加减",从而达到简化计算的思路,不正是对数运算的明显特征吗?

经过多年的探索,纳皮尔男爵于1614年出版了他的名著《奇妙的对数定律说明书》,向世人公布了他的这项发明,并且解释了这项发明的特点。所以纳皮尔是当之无愧的"对数缔造者",理应在数学史上享有这份殊荣。伟大的导师恩格斯在他的著作《自然辩证法》中,曾经把笛卡尔的坐标、纳皮尔的对数、牛顿和莱布尼兹的微积分共同称为十七世纪的三大数学发明。法国著名的数学家、天文学家拉普拉斯曾说:对数,可以缩短计算时间,"在实效上等于把天文学家的寿命延长了许多倍"。

莱蒙托夫和纳皮尔不是同时代的人,他们不可能见过面。但是,由于对数产生的时代影响很深,加之莱蒙托夫完全有可能看过纳皮尔的著作,而且有可能在这些书中看到过纳皮尔的肖像。所以在研究数学题入了迷的时候,纳皮尔就闯进了莱蒙托夫的梦境里来了。