Non DubitoA Mind in Many Languages
Search搜索搜尋
EN

A HUMAN HISTORY OF MATHEMATICS凿构周期律 · 数学鑿構週期律 · 數學 · 07 / 25

Absurd Numbers

荒谬的数

荒謬的數

Using a negative term, keeping a negative answer, and admitting negative numbers are different historical questions.

会算负项、能留负解、承认一类数,不是同一件事。

會算負項、能留負解、承認一類數,不是同一件事。

Han Qin · Independent English edition秦汉 · 简繁中文与独立英文版秦漢 · 簡繁中文與獨立英文版

In this essay篇内目录篇內目錄
  1. 1. An Impossible Question
  2. 2. Opposite Gains and Losses
  3. 3. Property and Debt
  4. 4. Deficiency and Excess
  5. 5. What Is a Number?
  6. 6. Absurd, Fictitious, False
  7. 7. Let It Work First
  8. 8. What the Names Remember
  1. 一 一个不可能的问题
  2. 二 得失相反
  3. 三 财产与债
  4. 四 缺与盈
  5. 五 数是什么
  6. 六 荒谬,虚构,虚假
  7. 七 先算得通
  8. 八 名字里的伤
  1. 一 一個不可能的問題
  2. 二 得失相反
  3. 三 財產與債
  4. 四 缺與盈
  5. 五 數是什麼
  6. 六 荒謬,虛構,虛假
  7. 七 先算得通
  8. 八 名字裡的傷

1. An Impossible Question

A father is fifty-six and his son twenty-nine. How many years must pass before the father is twice the son's age? If t denotes the requested number of years, 56 + t = 2(29 + t), so t = −2.

In 1831, Augustus De Morgan discussed this kind of result in a book about learning mathematics. He called the outcome absurd under the original interpretation, then used the sign to repair the question. The stated relationship held two years earlier, not two years later.

His treatment can sound extraordinary to a modern reader. Britain already had railways, steam printing, and educational publishing directed beyond a narrow learned elite. More than twelve centuries had passed since Brahmagupta set out signed arithmetic in 628, and the Chinese Nine Chapters preserved still earlier procedures involving positive and negative quantities.

The comparison readily becomes a morality play: the East accepted negative numbers while the West resisted them for a thousand years. Its simplicity is precisely what needs examination. What does accepted mean in each half of the sentence?

Notice first that De Morgan handles the negative sign accurately. He interprets it as information about the direction of time and diagnoses an overly restricted question. He is not unable to calculate or incapable of understanding what the result tells him.

His difficulty concerns a different claim: whether an isolated negative quantity can belong to arithmetic understood as operations on ordinary positive magnitudes. Subtracting something from nothing seemed no more directly conceivable in that framework than taking a square root of a negative quantity.

At least four questions must be separated. Can a negative term occur during an algorithm? Are there stable rules for calculating with such terms? Can a negative result be retained as the final answer to a particular kind of problem? Are negative numbers recognized on the same general footing as positive numbers?

These questions need not receive affirmative answers together. A practitioner can manipulate signed coefficients while accepting only positive roots. A debt can be a meaningful answer even when a negative length is rejected. Someone can defend negative numbers in one setting while retaining an incompatible explanation in another.

A misleading comparison takes the earliest evidence for one question in one tradition and compares it with a much later dispute about another question elsewhere. The dates are real, but the supposed delay measures different objects.

De Morgan's example exposes that error particularly well. The sign has mathematical and interpretive value even while he refuses the status modern arithmetic grants the number. His practice is more capable than a simple label of rejection suggests.

This essay follows those different forms of legitimacy through Chinese, Indian, Arabic-language, and European materials. It does not assume that each tradition asks the same philosophical questions or advances through one compulsory sequence.

Nor can the surviving evidence justify saying that only Europeans ever wondered what a number was. The later European debate is especially visible in the sources considered here. That is a statement about a documented discussion, not a monopoly on foundational thought.

The original age problem remains useful throughout. As a question about future years, it has no nonnegative answer. As a question about signed displacement in time, its answer is −2. The calculation, the domain of the question, and the status of the result are three distinguishable matters. Much of the history becomes clearer once they are no longer forced into one verdict.

2. Opposite Gains and Losses

The fangcheng chapter of the Nine Chapters introduces procedures for positive and negative rod entries. They arise in arrangements of quantities transformed by operations analogous to eliminating terms between columns. Subtraction can produce opposite states that must remain distinguishable in the subsequent calculation.

Liu Hui's third-century commentary explains their naming through opposed gain and loss. It also describes red rods for one class and black for the other, with an alternative distinction by the rods' arrangement when colors are unavailable.

The material point matters. A sign need not begin as a mark written beside a numeral. A rod's color, orientation, or position can encode the distinction directly within the working configuration. The evidence describes a practice rather than a modern integer printed with a minus sign.

As the preceding essay noted, textual instructions concerning red and black rods do not establish that every Han practitioner possessed and used a standardized two-colored set. The surviving objects and the prescription must be evaluated separately.

What the source strongly supports is the stable use of signed entries in a calculation. A negative entry can result when a positive entry is subtracted from an empty position. Rules for adding and subtracting like and unlike categories allow the procedure to continue.

What it less directly establishes is an explicit theory of −3 as an abstract object independent of every arrangement and application. That does not prove the author denied such an object. It marks the difference between the questions the text answers and those a modern reader may bring to it.

On the counting surface, an entry has a place, neighbors, and a role in an operation. Removing it conceptually from that setting and asking for a general ontology of signed integers is an additional philosophical move. Its absence from a procedural chapter should not be treated as a demonstrated inability to make it.

The early passage does not give a complete textbook of every operation on signed numbers. Its central work concerns addition and subtraction within fangcheng. Describing this as merely an error or a temporary failure would underestimate it; describing it as an explicit modern construction of the integers would add evidence we lack.

The source essay's metaphor of a verb becoming a noun captures something useful if kept metaphorical. An operation creates a state, and a name lets that state participate in further operations. But a relational name does not logically prevent the named item from functioning as a mathematical object.

Later Chinese work expands the range. Qin Jiushao's root-extraction procedures operate on arrays of polynomial coefficients with positive and negative statuses. Yang Hui reorganizes and explains earlier methods. Zhu Shijie's tianyuan and four-element techniques make signed coefficients part of sustained polynomial computation.

The development is therefore not confined to a single elimination trick. The role of the negative broadens within a computational tradition. Its legitimacy as a final answer still depends on the type of quantity and the problem's conditions.

Under the four-part distinction, intermediate use is early and explicit. Operational rules are available within specified procedures and later extend further. Acceptance of a final result requires contextual examination. A fully articulated account of signed integers as abstract objects is not supplied by these passages.

That last sentence is deliberately different from saying nobody in the tradition ever asked a foundational question. An archive of selected calculation texts cannot support a universal negative about centuries of thought.

The historical discipline is to avoid comparing one tradition's strongest computational evidence with another's most restrictive philosophical statement as though both answered one question. The rods show a successful practice. Understanding its success requires attention to what the rods, operations, and explanations actually do.

3. Property and Debt

Brahmagupta's Brahmasphutasiddhanta, composed in 628, gives explicit rules involving positive quantities, negative quantities, and zero. Its technical vocabulary draws directly on wealth or property, debt, and emptiness. These are not merely metaphors attached by modern teachers.

The rules cover the familiar behavior of signs. Two fortunes add to a fortune; two debts add to a debt. A fortune and a debt combine by taking their difference, with equal magnitudes yielding zero. Adding zero preserves the quantity. Subtraction changes the appropriate relationship between the opposed categories.

Multiplication and division receive corresponding sign rules: like signs yield positive results and unlike signs negative ones, subject to the separate problem of division by zero. Multiplication by zero yields zero. This is systematic signed arithmetic, not an isolated device for one numerical example.

The organization matters. General rules can be recalled and applied across problems. They make the operational distinction available as part of a body of mathematical knowledge rather than requiring every practitioner to rediscover it from a debt story.

Zero prevents the account from becoming a triumphal announcement that the complete modern system had arrived. Brahmagupta treats zero divided by zero as zero, and describes a nonzero quantity divided by zero in a form retaining zero as denominator. These prescriptions do not provide division as it is defined in modern fields.

It is more accurate to distinguish the successful sign rules from the unresolved or differently conceived treatment of zero division. The same author can be systematic in one domain and not supply a modernly acceptable extension in another.

Nor should uncertainty about division by zero be reduced to a simple failure to notice a problem. A surviving prescription belongs to a particular conceptual and textual setting. Later mathematicians would clarify why unrestricted division cannot coexist with the ordinary laws when the divisor is zero.

Five centuries later, Bhaskara II's algebra offers another complication. A passage commonly translated through Colebrooke rejects a second, negative value in the problem at hand and speaks of the nonacceptance of a negative absolute quantity.

The qualifier matters. A result intended to count objects or give an ordinary magnitude may fail the problem's conditions even in a tradition that calculates skillfully with debts and opposite directions. Rejecting that root is not the same as refusing all signed operations.

Selecting only Brahmagupta yields the slogan that India completely accepted negative numbers early. Selecting only Bhaskara's rejected value can yield the opposite slogan. Both flatten the distinction between operational legitimacy and admissibility as a particular answer.

A modern classroom still discards a negative root when a variable represents a nonnegative length or a count. What differs historically is the broader conceptual account surrounding that act. Modern students are usually told that the rejected value remains a number but is outside the problem's domain.

The historical passage does not automatically tell us everything Bhaskara thought about numberhood outside that example. It gives a judgment with a stated context, expressed through inherited categories of quantity. We should not turn either the acceptance or rejection into a complete creed.

Debt and wealth make opposition readily interpretable. So can east and west, increase and decrease, or a balance relative to a chosen reference. Five fewer monkeys than a reference population can be meaningful; negative five monkeys as the absolute size of a group is not. The formulation of the quantity matters as much as its name.

The age problem lies exactly on this boundary. Time displacement has two directions, but the original question explicitly asks for a future interval. De Morgan preserves the information in the negative sign by widening or reversing the question rather than treating the original wording as satisfied.

This is a mathematically intelligent response even though his 1831 account of arithmetic does not grant isolated negatives the status familiar today. The historical comparison becomes more revealing when each author is allowed to distinguish a usable operation, an interpretable quantity, and an acceptable answer.

4. Deficiency and Excess

Al-Khwarizmi's six forms, discussed in the preceding essay, keep the relevant squares, roots, and numerical terms positive. Restoration and cancellation transform expressions into those admissible forms. His book does not freely deploy signed coefficients in one universal quadratic equation.

That restriction belongs to a particular presentation, not to an undifferentiated Arabic prohibition. Later algebraic work widened the use of subtracted terms and signed coefficients substantially.

Al-Karaji's polynomial calculations allowed terms involved in subtraction to participate in extended operations. Al-Samaw'al explicitly stated sign rules and described the negative side through deficiency or diminution and the positive side through increase or excess. He could calculate a negative result from subtracting a positive term from an empty place, or the reverse when subtracting a negative term.

A coefficient embedded in a polynomial array was therefore not automatically excluded because of its sign. Operational scope could exceed the range of roots treated as solutions of a problem.

The vocabulary resembles Liu Hui's gains and losses in one respect: a pair of opposed situations supplies names for mathematical distinctions. That resemblance is worth noting without making it evidence of direct borrowing across the intervening geography and centuries.

It also does not prove that the entries were incapable of being objects. Modern mathematics routinely names objects relationally. The safer inference concerns the interpretation offered by the sources, not a psychological impossibility supposedly demonstrated by their etymology.

Positive roots remained natural in many problems because the root represented a length, amount, or count expected to be positive. A negative coefficient and a negative solution do different jobs. Their histories should not be measured by a single yes-or-no test.

Even the statement that money lacks a negative counterpart requires care. A physical pile of coins cannot have negative size, while a financial balance can represent debt. The variable's intended role determines which interpretation is relevant.

The sixfold classification thus displays a boundary in one algebraic framework. It does not prove that its author could not understand debt, and it does not fix the boundary for every subsequent Arabic-language mathematician.

Leonardo of Pisa's Liber abbaci offers a comparable pattern in a different setting. First composed in 1202, it survives through the revised tradition of 1228 rather than through an extant first-edition manuscript. Commercial and partnership problems can interpret a formally deficient amount as debt.

Such interpretations permit a useful result without requiring a general philosophical declaration that negatives are numbers identical in status to positives. The calculation and the practical meaning can work together before the broader category is settled.

But merchants should not be idealized as universally free of conceptual difficulty. Their work offered many naturally opposed quantities—receipts and payments, assets and liabilities, profit and loss. That made some negative outcomes easier to interpret. It did not make every quantity in commerce signed or every historical practitioner equally comfortable.

An operational success in one context is neither a complete ontology nor a meaningless trick. The historian's task is to identify the scope of that success. What transformations are legitimate? Which results are kept? What does the answer claim to represent?

Across the traditions considered so far, negative entries and sign rules appear earlier than a uniform modern explanation of all their roles. But the chronology remains uneven, and the examples do not amount to a worldwide inventory.

The contrast now shifts toward the especially visible European debate about number and magnitude. Its importance lies not in proving that one civilization asked uniquely serious questions but in showing how inherited definitions could conflict with increasingly successful symbolic operations. The difficulty could be argued, not merely felt.

5. What Is a Number?

Book VII of Euclid defines a number through a multitude of units. In that conceptual setting, three is three units and seven is seven units. Continuous magnitudes—lengths, areas, and volumes—belong to a related but distinct domain.

What would negative three count? What positive magnitude could be smaller than nothing? These are not foolish questions if the inherited definitions are kept unchanged while the algebraic operations expand.

Euclidean distinctions exercised substantial authority within several European educational traditions. They were not the unchallenged first lesson of every European for two thousand years, and scholars did debate the meanings of number, magnitude, and ratio. Nevertheless, their influence helps explain why formal success did not automatically settle conceptual status.

If subtraction means taking a quantity away from a quantity that contains it, a − b has that interpretation only when a is at least b. To make the expression meaningful more generally, something must change.

One route changes subtraction from a physical removal into a formal operation. Another interprets quantities through direction or opposed states. Another constructs a larger numerical domain in which each element has an additive inverse. Modern treatments can combine these approaches, but they should not be assumed present in every earlier use of a minus sign.

The resistance therefore had a logical content. Accepting a new result could require revising an old account of an operation or object that already supported much other reasoning. The problem was not merely finding a better picture of a debt.

That explanation must not become a compliment to European philosophical seriousness at everyone else's expense. Practice within Europe itself often moved faster than foundational agreement. Commercial arithmetic, curve theory, and coordinate methods did not wait for one universally approved definition of number.

Antoine Arnauld's proportional objection makes the conflict particularly clear. In modern notation, −1:1 and 1:−1 yield the same quotient, −1. Cross-multiplication also gives equal products. Yet if ratios are interpreted through ordinary comparisons of positive magnitudes, the first appears to place the smaller before the larger and the second the larger before the smaller.

The familiar inference that one ratio must be below unity and the other above it is not valid once the relevant signs are allowed. The apparent contradiction comes from extending symbolic rules while retaining an interpretation whose domain was positive magnitude.

The argument, commonly associated with Arnauld's 1667 geometry, is more serious than an expression of discomfort. It asks which inherited rules of proportional comparison survive an extension to signed quantities.

Leibniz treated the objection as worth answering rather than dismissing it because the symbols could be manipulated. Interpretations involving opposition, direction, or useful mathematical fictions offered ways to revise the relation between the formal operation and ordinary magnitude.

We should not turn that engagement into a fabricated quotation saying that Leibniz conceded everything to Arnauld. His writings and correspondence require precise dating and textual comparison. What matters here is the documented seriousness of the issue, not an invented decisive sentence.

The example identifies a recurring mathematical problem: two sets of individually useful conventions can become incompatible when used together outside their original domains. Resolution requires specifying which laws are retained and which interpretations are restricted or replaced.

That is the turning point in this essay. Earlier sections asked how negative entries were used. Here the question is what framework can justify the use without pretending that every property of positive magnitudes remains unchanged.

The negative did not become legitimate merely because someone finally pictured it vividly enough. Some of the work consisted in learning that an old picture had been granted authority over too large a domain.

6. Absurd, Fictitious, False

The historical labels cannot be collected as though they were interchangeable names for one fixed class. An author can call a problem absurd without first constructing negative numbers as a general category. A later author can call a result fictitious while allowing it to do useful work.

Diophantus's rejection of conditions that would produce negative solutions belongs to the setting of his problems. Michael Stifel's 1544 terminology more directly includes notions of absurd or fictitious numbers below zero. Cardano's Ars magna, published in 1545, similarly uses categories of fictitious quantities and equations.

Fictitious need not mean worthless. A quantity may be operationally productive while lacking an accepted ordinary-magnitude interpretation. The label can provide a provisional place within calculation rather than expel the object altogether.

Descartes's false roots in 1637 generally concern negative roots. His discussion of imaginary roots concerns another distinction, including roots that cannot be represented as real quantities. Conflating false, fictitious, impossible, and imaginary would erase the boundary between this essay and the next.

John Wallis supplies an especially revealing combination. His 1685 algebra explains negative quantities through movement: if a positive distance describes travel in one direction, a negative one can describe travel in the opposite direction. A line extending both ways provides an intelligible representation.

Yet Wallis also explored arguments in which negative ratios appeared to lie beyond infinity. As a positive denominator decreases toward zero, a quotient grows without bound; treating passage through zero as a continuation into another region encouraged an interpretation incompatible with the ordinary ordered real line.

These discussions belong to different contexts within Wallis's work and should not automatically be compressed into one page or one moment. Their coexistence within his mathematical career is the important point. A powerful geometrical interpretation did not instantly clear away every older proportional intuition.

The history is not well described by two teams, acceptors and rejecters. Stifel could use what he called absurd. Cardano could calculate with what he called fictitious. Descartes could transform roots he called false. A label identifies a status within a practice, not necessarily a refusal to operate.

Newton used affirmative and negative quantities in arithmetic and geometry and investigated curves across the plane. His classification of cubics appeared in 1704, not first in 1710. Whatever his presentation lacked by later structural standards, his mathematical practice made extensive use of signed relations.

Euler's algebra, published around 1770, explains signs through property and debt, acquisition and loss, and quantities above and below zero. Operational hesitation is much less prominent than in De Morgan's early discussion. Yet several interpretations still stand together: subtraction as an operation, negativity as a property, and sign as direction or financial state.

It would be misleading to say Euler did not understand negatives. His practice was highly developed. The point is that a modern unified structural account should not be projected into every explanatory phrase he used.

De Morgan's own position changed. His 1835 engagement with Peacock expressed unease about symbols apparently seeking meanings. By the 1840 article on negative and impossible quantities, he articulated a sequence in which symbols and their laws are specified and consequences developed. His 1842 work on the foundations of algebra pushed further toward explicit structure.

That development did not make meaning irrelevant to him. He continued to value interpretations and expected successful symbolic systems to acquire broader ones. The change concerned when an interpretation had to be available and what its absence prevented.

This is why the father-and-son example should not become a lifelong epitaph. A quotation from 1831 identifies a position at a date. It cannot stand for every later thought of a mathematician whose work helped alter the terms of the discussion.

The negative vocabulary records tension, but it also records accommodation. Naming a thing fictitious could be a way to keep it in play while its legitimacy was being renegotiated. The next essay will show that provisional status doing even more conspicuous work.

7. Let It Work First

A recurring pattern crosses the geographical divisions. Signed terms can function within polynomial operations while negative roots remain restricted. A fictitious answer can guide further calculation. A curve can be drawn using quantities whose philosophical interpretation remains unsettled.

De Morgan explicitly recognized a version of that historical pattern: the ability to produce results can precede the ability to explain them satisfactorily. Repeatedly successful operations may deserve retention while a more general interpretation is sought.

This does not amount to a rule that any procedure producing a few correct answers should be trusted. The question is how a developing practice earns enough stability to justify further investigation before its final account is available.

Earlier essays supplied related but distinct boundaries. Archimedes distinguished mechanical discovery from the demonstration he required. Liu Hui left a volume problem unresolved rather than claim a reason he did not possess. De Morgan reflected on a broader history in which explanatory frameworks were widened after effective procedures had already appeared.

The comparison is interpretive. These authors did not share one theory of progress or one standard of proof. What connects them is a visible difference between obtaining a result and explaining the grounds on which it may be accepted.

One important nineteenth-century route was symbolic algebra. George Peacock's 1830 treatise distinguished arithmetical algebra, whose symbols retained the restrictions of ordinary arithmetic quantities, from a more general symbolic treatment governed by stated operational laws.

The principle later described as permanence of equivalent forms sought to preserve relations valid under legitimate arithmetic operations when the symbols received an extended interpretation. It was not a magical warrant for every conceivable extension. The retained laws and their compatibility still required attention.

The change lowered an entry barrier. A symbol did not first have to identify an ordinary positive magnitude before it could enter a legitimate algebraic investigation. Its relations under specified operations could become the starting point.

Hermann Hankel's 1867 work gave an influential formulation of the permanence of formal laws in the extension of number systems. New objects could be investigated through a system of operations rather than always reduced to an old kind of magnitude.

This was not yet a declaration that consistency questions or interpretation could be ignored. Nor could every law be retained in every extension: later examples make clear that enlarging a system sometimes requires sacrificing a familiar property. The historical principle guided construction; it did not remove the need to verify it.

Geometry supplied another route. Directed segments made −3 interpretable as three units in the opposite direction rather than a positive length mysteriously smaller than nothing. Wallis's diagram and Newton's uses of opposite directions contributed to that practice. Descartes's analytic geometry helped enormously without immediately settling every question about negative roots.

The representation answers an important intuitive problem, but it is not the entire logical construction of the integers. Debts, temperatures, and abstract roots are not literally segments. A picture alone does not establish every algebraic law.

Applications supply the third route. Repeated use in commercial balances, motion, coordinates, and equations stabilizes meanings and makes signs ordinary. It also supplies tests that can expose inconsistencies in a proposed explanation.

The relative importance of these routes depends on the question. For a general algebraic status independent of an immediate magnitude interpretation, symbolic approaches are central. For why practitioners and students came to find negatives intelligible, geometry and applications cannot be reduced to ornamental illustrations.

It would be too neat to call the outcome formalism defeating intuition. Much nineteenth-century work negotiated among extension, rigor, and intelligibility. The desire for wider operations did not eliminate the desire for reasons or representations.

The essay's philosophical suggestion is that legitimacy sometimes changes when an admission requirement changes. Negative numbers did not need to become secretly positive magnitudes. A larger system could be built in which they had defined relations and operations.

That is different from saying numbers stopped referring to anything concrete. They retained many interpretations and acquired others. What changed was the insistence that one particular interpretation must precede every lawful operation.

8. What the Names Remember

Negative derives through a vocabulary of denial or negation. Positive comes from a semantic field of placing, affirming, or setting down. Minus means less. These words did not begin as neutral labels invented for a modern abstract integer system.

Comparable relational vocabularies occur elsewhere: Sanskrit debt opposed to fortune, Arabic diminution opposed to increase, Chinese loss opposed to gain in Liu Hui's explanation. The names preserve older settings in which opposition became computationally useful.

That is the basis of the title's image of a wound in the name. A later object can gain equal formal standing while its inherited label continues to suggest deficiency or exclusion. The metaphor should not be mistaken for a universal linguistic law or proof that the object was never independently conceived.

Chinese fu has neighboring senses involving carrying, owing, loss, and failure. Which etymological path directly produced its mathematical use cannot be recovered simply by choosing the most appealing modern gloss. Liu Hui's own explanation of opposed gain and loss is firmer evidence than a speculative origin story.

Nor should fu automatically be translated as debt in every early Chinese context. That would make the Chinese source look more like the Sanskrit tradition than its own wording warrants.

Late Qing translators did not need to invent positive and negative from nothing. A long-established mathematical vocabulary was available. Li Shanlan and related mathematical texts could use zheng and fu, including explicit sign rules, while reorganizing them within imported forms of algebra.

The continuity of the words does not imply that nothing changed. A distinction used in rod arrays, then polynomial coefficients, could be assigned a new role in a nineteenth-century account of signed numbers. An old term could bridge systems without having traveled along the same route as the European concept it translated.

The preceding essay made a similar point about suanfa and algorithm. Translation can align two independently developed vocabularies. A familiar Chinese expression need not be a phonetic or semantic descendant of the European word it now routinely renders.

Where evidence for competing Chinese translations or the earliest formation of later pedagogical terms is lacking, the gap should remain visible. A plausible invented first user closes inquiry prematurely. An explicit uncertainty leaves a question another scholar can investigate.

Return to the four senses of acceptance. Negative entries appear early in Chinese procedures and elsewhere in computational traditions. General sign rules are explicitly developed in Brahmagupta and later in Arabic-language algebra, with their own histories in Europe.

Final answers remain conditional everywhere because a variable's intended domain matters. A signed balance is not the same kind of quantity as the absolute number of animals in a group. This is not a historical embarrassment; modern mathematics also distinguishes an equation's formal solutions from the admissible solutions of a modeled problem.

The fourth question concerns general numerical status. The European debates examined here make that question especially explicit and connect its answers to changes in symbolic algebra, geometry, and definitions of operations. They do not prove that other traditions never considered foundational questions or that one debate alone created legitimacy for the whole world.

The century-spanning contrast at the opening must therefore be rewritten. It is not one clock measuring how long different peoples took to understand a simple idea. It is several histories of operations, applications, admissible solutions, and explicit foundations.

De Morgan's change of position is valuable because it shows those histories meeting inside one career. A mathematician can use a negative sign correctly, reject one interpretation of it, and later help formulate a broader account under which it acquires another status.

The negative did not win recognition through a single metaphor, a single rule, or one official decision. It accumulated stable operations and useful meanings while inherited restrictions were reconsidered.

Another kind of quantity will sharpen the pattern. Its name still suggests that it is imagined, and it entered crucial calculations even when no debt or reversed direction seemed ready to interpret it. The problem was not merely how to tell a better story about the object. Sometimes refusing the object meant losing a result that the existing methods were supposed to deliver.

一 一个不可能的问题

有一道题是这样的。

父亲五十六岁,儿子二十九岁,问再过多少年,父亲的年龄是儿子的两倍。

列式算下去,答案是负二。

1831年,一位英国数学家在一本讲怎样学数学的书里处理这道题。他说,这个结果是荒谬的,毛病出在题目问得太窄。然后他把原题重新措辞:负号告诉你,那件事发生在两年之前,而不是之后。改问之后,二就是一个普通的正数。这个人叫德摩根。当时他认为,一个孤立的负量在算术的框架里不可理解。他在这道题前面刚写过,就实在的意义而言,负的和虚的一样是想象出来的,从无里减去一个数,和负数的平方根一样无法设想。

而这已经是公元1830年代。当时的英国已经有铁路,有蒸汽印刷,有面向工人和中产读者的廉价百科全书。德摩根本人就为其中一部写稿。距婆罗摩笈多在628年写下那套完整的正负号律,一千两百年。距《九章算术》的正负术,更远。这个落差看上去像一条清清楚楚的分界线。东方早就接受了,西方抵抗了一千年。

这句话在通俗数学史里几乎是标配。它有一个很舒服的形状:一边聪明,一边固执,而且时间差大得让人记得住。

这一篇要做的不是替谁翻案。是把那个时间差拆开,看它到底在量什么。拆开之后会发现,它量的不是理解力,是各处的人分别在回答哪一个问题。这个说法里几乎每一个词都要拆。

先拆掉一个容易漏掉的事实:德摩根在同一段里,把负二用得非常准确。他知道那个负号的意思是时间方向反了,而且他据此把题目改对了。一个据说不接受负数的人,刚刚用负号纠正了一道题的提法。先拆最要紧的那个词。接受。接受负数不是一件事,是至少四件。

第一件:负项能不能在一个算法的中间过程里出现。第二件:能不能对负项做稳定的运算,有没有可靠的号律。第三件:一个负值能不能作为某类问题的最终答案被保留下来。第四件:负数能不能被承认为与正数同等资格的一类数。这四件事在中国,印度,阿拉伯语数学和欧洲,都不是同时发生的,而且顺序也不一样。

把第一件叫作接受,再拿第四件去衡量另一个传统,假的对称就造出来了。

德摩根不是不会用负号。他用得非常熟练,而且他知道负号在那道题里究竟指什么。他不肯做的是第四件事。

这一篇要走的就是这四件事各自的时间表。走完之后会看到,每一处都在某几件上很早,在另几件上很晚,而且各自早晚的组合都不一样。一条分界线会变成四张互相错开的表。

而且错开的方式不是随机的。第一件和第二件几乎到处都早,第三件到处都分条件,第四件在本文涉及的近代欧洲材料里尤其明确,不能据此断言其他传统从未提出相关问题。差别不在谁聪明,在谁问了什么。这句话是这一篇的全部内容。剩下的只是把四张表分别摊开。

二 得失相反

《九章算术》在第八章方程里引入正负术。

它处理的是筹阵里因为列与列相减而出现的两种相反状态。规则的核心是同名,异名之间怎样相除相益,以及正无入负之,负无入正之。刘徽三世纪的注最关键。他说,今两算得失相反,要令正负以名之。得和失相反,所以要用正和负来给它们命名。他还说了颜色:正算赤,负算黑。如果不用颜色,就用摆筹的方向来区别。

这一句很值得停一下。要在筹阵上区分两类相反的量,最直接的办法不是发明一个符号,是换一种颜色,或者换一个摆法。

第五篇提到过,红筹黑筹的说法有文本传统,但没有足够的实物证据证明汉代每一次运算都固定使用两套颜色的筹。可以确定的是,区分是靠筹本身的状态做的,不是靠写在旁边的一个记号。

所以在这里,正和负首先是对算法中得失相反的两类筹所作的命名。

原始材料能证明得很强的是:负筹可以稳定进入方程的消元过程,它可以由无与正筹相减而产生,而且有加减规则。证明得较弱的是:作者已经把负三理解成一个脱离筹阵,脱离问题语境而独立存在的抽象数。

这个区别可以说得更具体。筹阵上的负,是某一格里的筹被摆成了另一种状态。它有位置,有邻居,有它在这一步消元里的用处。把它从那一格拿出来单独问它是什么,是后人才会做的动作。正文在这里没有给出完整的正负乘除体系。负值的首要角色是方程程序里的带号项目。

换个说法。它是一个动词的产物,不是一个名词。相减这个动作做完之后,某一格里留下了一种状态,而这个状态需要一个名字。名字取好之后,它可以参与后面所有的步骤,一直到算完。但算完之后它就没有了,因为最终的答案不会带着它。

所以说《九章》的负只是一次性的错误或者欠缺,太弱。说它已经是现代整数里的独立对象,又太强。

第五篇处理过筹算的实际形态。要从筹阵,位置和变换关系去理解这些词,不能把现代的矩阵和有符号数直接倒灌回去。

宋元时期有可见的扩张。秦九韶那一类开方程序把正负状态用到了更高次多项式的系数阵列上,现代复原甚至可以看到含负首项,负常数项的多项式被筹算程序持续操作。杨辉在十三世纪重新组织和解释了方程传统。到朱世杰的天元,四元术,正负系数已经是多项式计算的一部分。也就是说,负项从线性消元里的局部状态,进入了更广的系数运算。

按前面那四件事来看:第一件很早就成立,第二件在方程的范围内成立,第三件要看是什么量,这些术文没有明确展开第四件那个问题,这不等于当时从无人思考它。

第五篇处理过同一种谨慎。那一篇的毛病是把算法传统写成一种文明性格。这一篇的毛病是把某一件事的早,说成全部四件事的早。

两种毛病共用一个机制。先在一个传统里挑出它最强的那一面,再在另一个传统里挑出它最弱的那一面,然后把两者并排。

最后这一句的意思不是没能回答,是没有提出。现代那个整数是什么的问题,是从另一套关切里长出来的。那套关切要到这一篇的后半才出现,而且它有一个很具体的来源。

这个区别在这一篇里要反复用到。一个传统没有回答某个问题,可能是因为答不上来,也可能是因为那个问题在那里不成其为问题。这两种情况的历史含义完全不同。

三 财产与债

婆罗摩笈多的书写于628年,第十八章给出了非常明确的带号算术。

梵文的技术词本身就带着日常语义。正的那一侧用的词是财产,财富,所得。负的那一侧用的词是债,亏欠。零用的是表示空的词。这里的财产和债务不是后世为了教学添上去的比喻,它们进入了技术语言本身。约第三十到三十五颂的内容可以压缩成这样。

同为财产的相加仍是财产,同为债的相加仍是债。一个财产和一个债要取其差,相等则为零。正和负同零相加,仍保持原来的号。从负中减正,或者从正中减负,要把量加起来。正负相乘为负,负负相乘为正。零与正负相乘都是零。就号律而言,这已经是一套高度稳定的体系。前面那四件事里的第二件,在七世纪的印度已经完整。

而且这套规则不是为某一类题临时写的。它是作为一般规则被列出来的,一条挨着一条,像一张表。

列成表这件事本身有分量。一条规则写在某道题的解法里,它是那道题的一部分。一批规则列成表,它们就成了可以被引用的东西。七世纪就有了这张表,这一点本身值得记住,因为欧洲要到很久以后才有同样明确的一张。

但零的部分特别能防止把这一段写成胜利史。

他正确处理了一个数加零,减零,乘零。可是他把零除以零规定成了零。对于非零的数除以零,他留下的是以零为分母这样一个表达,并没有现代意义上良定义的商。

这不是疏忽。除以零这件事,要到很晚才被明确判定为不可做,而不是判定为等于某个值。在他那里,那还是一个可以给出规定的位置。这一条也说明零和负数是两件事。号律可以在七世纪就完整,而零的算术性质在同一个人手里还留着漏洞。把它们合起来叫作印度人发明了零和负数,会把两件不同成熟度的工作压成一件。

所以他第一次给零以算术规则,可以说。他已经建立了现代零的完整代数理论,不能说。更要紧的是五百年后的那一句。

婆什迦罗第二的《代数学》大约在1150年。他在一道出现了第二个根的题目之后说,第二个值在这里不取,因为它与题意不合。科尔布鲁克传统译法的关键结尾是:人们不认可一个负的绝对数。

后来的二手文献常把这句话简化成人们不认可负根。意思大致不错,但负的绝对数比负根更值得保留。因为它显示争议可能集中在把一个本来应该表示绝对数量的未知量赋予负值,而不是否认一切带负号的运算。这句话不能反过来证明印度其实没有接受负数。同一个传统已经熟练使用债务,相反方向和正负号律。

相隔五百年的两位作者,一位写下了完整的号律,一位拒绝了一个具体的负根。这两件事不冲突,而且发生在同一个传统内部。

如果只取前一位,会得到印度早已完全接受。如果只取后一位,会得到印度也不接受。两种说法都是把四件事压成了一件。它证明的是另一件事。作为运算对象的负量,和作为某个具体未知量的可接受解,是两种资格。

所以印度那一侧最安全的结论是这样。在算术和代数的过程中,负量完全可以持续存在。当量的意义天然成对的时候,比如财产和债,东和西,增和减,负号可以得到实际的解释。而当未知量表示人数,长度,物件数这类只能取非负值的东西时,负根就可能被判为不合题意。这一步在今天的教材里也还在做,只是名字变了。解出来两个根,舍去一个,因为长度不能为负。

区别在于,今天的学生知道被舍去的那个仍然是一个数,只是不合这道题。当时的人不需要有这个想法,因为那个东西本来就不在数里面。同一个动作,在1150年被记成一句关于人们不认可什么的话,在今天被记成一句舍去。

第一件和第二件成立,第三件要看量的种类。一个债务的余额可以有负的最终意义。负五只猴子不行。

这个区别看上去像常识,但它正是第三件事的全部内容。负值能不能留下来当答案,取决于那个量有没有一个天然的反面。有反面的,负号就是一个方向。没有反面的,负号就是题目出错了。

而开头那道父子年龄题,正好落在中间。时间有反面,所以负二是可读的。可是原题问的是以后,而以后没有反面。

于是那位数学家做的事情是:保留负号给他的信息,改掉题目的问法。

这个动作很讲究。他既没有说这个负号没有意义,也没有说负二是一个数。他说的是:这个符号在告诉你,你问错了方向。

四 缺与盈

上一篇处理过那部九世纪的《代数学》,六类方程,所有的数,根,平方的系数都保持为正量。那不是不会写一个统一的式子。那是和当时对数,根,平方作为正量的理解一致。

上一篇里那本书还有一个细节可以在这里用上:它没有符号,所有的量都写成词。一个用词写出来的量,更难被当成可以随意换号的对象。写成句子的东西,天然带着它是什么的意思。

但后来的阿拉伯语代数远比拒绝负数复杂。卡拉吉的多项式计算允许被减的项目参与代数操作。到十二世纪的萨毛艾勒,号律已经被明确说出来了。他称负的那一侧为缺少,亏损,减少。称正的那一侧为增加,多出。他知道负乘正为负,负乘负为正。他也知道从一个空位里减去正项会留下负项,从空位里减去负项会留下正项。

换句话说,负系数作为多项式结构的一部分,没有被回避。

这里的用词很有意思。缺少和多出,亏损和增加。这两个词指的不是数,是状态。一项东西处在亏的那一边,或者盈的那一边。

用状态来命名,说明这些文本提供了一种关系性的解释;但命名本身不能证明它不能被当作独立对象。第二节里刘徽说的得失相反,是同一种命名方式,隔着几千公里和九百年。两处都是先有一对相反的处境,再从这对处境里取名。没有人是先造出一个叫负的东西,再去找它能表示什么。那为什么根仍然以正为常态。

因为根,数,量这些东西仍然属于可度量的正量范畴,而负项常被理解成减项,亏项,或者与另一边相消的项目。这里不是一种统一的禁令,是问题的语义和代数对象的范围不同。这一点对理解整段历史都要紧。

第三件事之所以到处都分条件,原因全在这里。回避负根不等于不懂负数。它可能只是意味着,在那套问题里,根这个词指的是一段长度,一个数目,一笔钱,而这些东西没有反面。

上一篇讲过那六类方程为什么必须分成六类。现在可以把那一句补完:拦住他的是那个统一的式子要求系数可以带负号,而带负号的量在当时不是一个能自己站着的东西。六类是那个限制的形状。一个体系拒绝了什么,常常比它接受了什么更能说明它的边界在哪里。那六类不是六条规则,是一道墙的六个面。

有一项关于中世纪负解的经典研究,做的正是这个区分:知道号律,出现形式上的负值,和承认负解,是三个层次。欧洲早期也是同一个形态。

那部《算盘书》最初作于1202年,但1202年的本子没有传本,现有文本属于1228年的修订传统。在第十三章一类商业,合伙和试位法的计算里,面对形式上低于零的资产,它会把结果解释成欠债,而不是一袋负的钱。

这和后来欧洲实践的一个长期特征相当一致:负值可以先作为债务的解释存在,而不必先承诺负数是一类与正数同本体地位的数。这是一种很省事的安排。把麻烦推给语义:这个数不是负的,是这笔钱的方向反了。只要每一次都能找到一个合适的反面,就永远不必回答那个更难的问题。

而在商业的世界里,反面几乎总能找到。欠和有,进和出,赚和赔。

所以商人比数学家更早自在,不是因为他们想得更开,是因为他们那一行的每一个量都自带方向。

所以它做的事是允许形式上的负值在特定的商业语境里被重新解释,不是它正式接受了负数。到这里,四件事里的前两件,在四个地方都已经成立或者接近成立。差别集中在第三件和第四件。

而这两件才是真正难的。前两件问的是能不能算,后两件问的是算出来的东西算不算数。能算是技术,算数是资格。而资格这件事,在别处基本没有人提出过要求。

这个分布正好反驳了那条分界线。如果东方接受而西方抵抗,那么差别应该出现在第一件和第二件上。实际上那两件到处都成立。而第四件在后来欧洲的一些基础讨论里成为明确的问题;这种材料分布不证明别处从来不问。为什么偏偏是那里,下一节要处理。答案和一部两千年前的书有关。

五 数是什么

抵抗最深的那一层,不是看不懂负号。是数究竟是什么。两千年里,欧洲人学数学的第一课是这样开头的:一是单位,而数是由若干个单位组成的多。

也就是说,数是数出来的。三,就是三个单位。七,就是七个单位。

这句话写在《原本》第七卷的开头。第三篇讲过那本书的公设被人怀疑了两千年,而它的定义没有人怀疑,因为定义看起来只是在说明用词。

可是用词一旦定下来,后面两千年能说什么就跟着定了。按这个定义,负三是什么。它数了三个什么。长度,面积,体积属于另一类,那一类叫量,而量就是大小。一段小于无的长度,同样没有地方可放。

这不只是一本书的说法,它是一整套教育的起点。一个受过训练的人,在他学会任何代数之前,已经先学会了数是数出来的。要他后来接受一个数不出来的数,等于要他把入门第一课作废。这类抵抗有一个真正的逻辑核心。假定甲减乙表示从甲里拿走乙。那么只有甲不小于乙的时候,结果才是原有数量的一部分。

要允许甲小于乙的时候,甲减乙仍然是一个数,就必须改变至少一件事。把减法从物理上的去除,改成一个形式操作。或者把数从绝对量,改成带方向,带状态的量。或者扩张数的范围,使每一个加法都有逆。后来现代的定义,恰恰三条路都走了。

所以抵抗的内容其实很精确。它不是不肯接受一个新符号,是不肯为了一个新符号,去改动减法,数,或者量这三样里的任何一样。而这三样,都是一个人在学任何代数之前就已经学会的东西。

而这三样每一样都是别的东西的地基。

由此有过一个解释:那部书对欧洲数学中什么叫数,什么叫量,什么叫比,有异常强的规范力,而负数在这个框架里没有位置。十六,十七世纪负数又恰好和另一类更令人不安的对象同时出现,于是两类东西都容易被降成二等。

这个解释有启发性,但它带着排序。说欧洲若干数学传统受到更强的量论约束和基础解释要求,有材料支持。说欧洲因为在哲学上更认真,所以比别处更晚接受,就已经变成了价值判断。而且反例就在欧洲内部。商人的代数,坐标几何,曲线研究,往往没有等基础问题解决才开工。

而在走通之前,最尖锐的一击来自一个比例难题。阿尔诺的论证是这样。按形式代数,负一比一等于一比负一,因为交叉相乘两边都得负一。

可是,如果仍然把比理解成大小之比,左边是一个较小的量比一个较大的量,右边却成了较大的量比较小的量。一种比例本应小于一,另一种本应大于一。怎么会相等。这不是看见负号觉得怪。这是旧的比例语义和新的符号运算规则同时使用时,产生的矛盾。这个反对通常追溯到1667年的一部几何学著作。真正要紧的是莱布尼茨的反应。

他没有说,形式算得出来,所以阿尔诺错了。

他承认这个反对并非毫无力量。在十八世纪初关于负量和比例的讨论里,他的解决方向是去质疑那个前提本身。负量是不是也必须像普通的正的大小那样,参加同一个大小比例。而负量可以被理解为相反的状态,方向,或者一种有良好计算效力的虚构。这一步很关键。

它说明抵抗不是情绪,是有论证的。而破解抵抗的办法也不是找到一个更好的比喻,是修改比这个概念本身的适用范围。

这一节是这一篇的转折点。在此之前的几节,讲的是各处怎么用负数。从这里开始,讲的是有人在追问它凭什么算数。

在此之前,负数的问题看起来是一个观念问题:有些人想通了,有些人没想通。这个比例难题把它变成了一个技术问题:两套规则同时成立时会撞车,必须放弃其中一套的一部分。而放弃哪一套,不是靠直觉能定的。

至于网上常见的那句某年莱布尼茨明确承认阿尔诺完全正确,说过了头。他确实认真处理了这个难题。把它写成一句特定的原话,则需要回到他的拉丁文论文,书信和版本系统逐字核对。

六 荒谬,虚构,虚假

那些否定性的名字不能揉成一张清单,因为它们指的对象不总相同。

丢番图遇到现代写法会导致负解的方程时,称这种结果或者题设为荒谬,不可能成立。他说的是这个问题的结果荒谬,不是他先构造出负数这种对象,再给它取名。

这个区别在整张名单上都适用。一个人说某个结果荒谬,和一个人说某类对象荒谬,差得很远。前者是在评价一道题,后者是在评价一种数。

施蒂费尔1544年的书里明确使用了荒谬的数这一类说法,并把零以下的形式数称作虚构的数。这是荒谬的数作为早期近代术语最合适的出处之一。卡尔达诺1545年的《大术》会用虚构的数,虚构的方程这一类说法处理负解。

近年的研究强调过一件事。虚构这个词在十六,十七世纪并不等于毫无意义。虚构的对象可以被演算,可以产生正确的结果,同时仍然缺乏直接的数量解释。也就是说,把它叫作虚构,不是把它赶出去,是给它安排了一个可以留下来的身份。这个身份在下一篇里还要用到,而且用得更重。

一个可以算但讲不清的东西,先被安一个虚构的名分留在里面,等到后来找到了解释,名分再改。这个办法在接下来的两百年里被反复使用。笛卡尔1637年的虚假的根,主要指今天所说的负根。而他另外那个想象的根,针对的是非实的根。把虚假,虚构,想象,不可能全部当成负数的同义词,会把负数史和下一篇要处理的那段历史搅成一团。

沃利斯1685年那本书是一个极漂亮的过渡文本。他一方面仍说,代数记号字面上好像表示比无还少。另一方面马上强调,只要正确理解,负量并非无用或者荒谬。

他给出的物理解释是:如果正三表示向前走三码,那么负三就表示向后三码。书里还配了一条向两边延伸的直线图。这条线后来常被算作完整数轴最早的明确实例之一。

可是同一个人,同一本书,还保留了一段今天看来非常奇怪的推理。

旧式的分数直觉认为,当正的分母逐渐减到零,商越来越大,在零那里趋到无穷。如果再让分母越过零变成负值,结果在形式上就变成了负数。

于是他一度把负值设想成某种经过无穷之后的区域。在现代的实数序里这当然不成立。负一小于零,它不是大于无穷。

但这一段非常有史料价值。同一个人已经得到了有向直线的解释,却仍然试图把负数塞进旧的比例与大小的连续图景里。

所谓接受从来不整齐。他既是负数的辩护者,又保有一个与现代次序结构不相容的解释。把人物分成接受派和反对派,会丢掉最有意思的部分。

这一篇里几乎每一个人都同时站在两边。施蒂费尔可以叫它荒谬,同时算它。卡尔达诺可以叫它虚构,同时把它纳入方程技术。笛卡尔称它假根,却知道怎么用变换把假根变成真根。牛顿没有为负乘负为正给出结构上的证明,却已经在四个象限里自由作图。理论上拒绝,实践上照用不误。这不是矛盾,这是这段历史的主线。

欧拉那部代数教材写于十八世纪中叶, 1770年前后出版。他从财产和债务,得到和失去这类例子解释正负,直说正数在零之上,负数在零之下,把号律当成基础的代数规则使用。就计算实践而言,他没有施蒂费尔或者德摩根式的强烈迟疑。

但他仍然把几种不同的解释并排放着。负号有时是一个减法操作,有时是一个量的性质,有时又是相反的方向或者债务。而比无还少这种说法,又暗示数仍然按绝对大小理解。他没有像十九世纪后半那样,用一个抽象的结构把这些意义统一起来。这种现象有一个很好的概括:运算的推广可以先成功,而对这些新对象究竟是什么的严格解释,继续滞后。

所以他并不是不会正确理解负数。实际的情形是:他的代数实践已经现代得多,他关于数是什么的那一套,仍然保留着早期近代量概念的层层沉积。

回到德摩根。他的变化非常清楚,而且是分段的。1835年他评论皮科克的时候,一开始觉得符号代数像是着了魔的符号,四处寻找意义。但皮科克的想法逐渐改变了他。

到1840年为一部百科全书写负量与不可能量这个条目时,他已经明确区分三步:先规定符号,再规定符号服从的法律,再从这些法律推出结果。1842年的代数基础论文进一步向公理化靠拢。从着了魔的符号,到先规定符号再规定法律,中间隔了五年。

然而他没有走到意义根本不重要那一步。他终身仍然期待形式体系最终获得解释。暂时没有解释的符号可以因为运算成功而保留,但他认为历史会为它们找到更广的意义。

七 先算得通

有一个模式贯穿这一整篇,而且跨文明出现。萨毛艾勒能在多项式里持续运算负项,同时那个传统仍然通常不把负量当根。操作的范围大于解的本体范围。卡尔达诺把负解叫作虚构,却并不因此停止算它。虚构这个词恰恰是一种允许有用的对象先进入运算的语言。

牛顿一方面没有为负乘负为什么等于正提供现代的结构证明,另一方面已经自由使用四个象限和正负根研究曲线。最精彩的证词来自德摩根自己。他在回顾代数史的时候说,曾经出现过一种状态,可以概括成:产生结果的能力跑在解释结果的能力前面。他甚至认为,如果某些暂时无法解释的演算反复产生正确的结果,就有理由先保留它们,再去寻找更一般的解释。

所以先用后懂不是现代人替古人辩护的故事。它是十九世纪的数学家自己已经意识到的历史模式。这一点在这个系列里已经出现过两次,而且都是当事人自己说的。

第四篇里那位说,机械的办法能让他找到答案,但那不算证明,所以他要再证一遍。第五篇里那位说,他还没有一个自己信得过的理由,所以宁可把这一处留作疑问。这一次说话的人站在更后面,而且他说的不是自己这一件事,是整个学科的一种习惯。

这个观察比它听上去更难得。一个身处其中的人,很少能看出自己所在的学科有一种反复出现的动作。通常要等很久,等那个动作做过好几遍,才有人把它认出来。而他认出它的时候,自己正在做第若干遍。而且他认出来之后并没有因此放松标准。他仍然认为暂时讲不清的东西早晚要有解释,只是不必现在就有。

这是一种很特别的立场:承认自己这一行经常先斩后奏,同时坚持后奏迟早要奏。

三个人,三个世纪,三种语言。说的是同一件事的三种形态:我算得出但不认,我连算法都没有所以不写,这个学科经常算得出而讲不清。他说这话的时候,手上刚好有一个正在被放进来的例子。那么最后是什么使它合法的。有三条路。

第一条是形式化。皮科克1830年的书提出把代数从普遍算术里解放出来。他区分算术代数和符号代数:前者的字母仍然指普通的正数,后者首先研究符号以及符号的运算法则。

他那条著名的原则后来常被概括成形式不变:在算术代数里由合法操作得到的等价形式,在符号被推广之后,只要保持规定的运算法律,也应该继续保持等价。

关键的变化不是终于发现负三确实是一种神秘的量。是:一个表达式不再必须先有正量的解释,才有资格参与合法的代数。这一句要读慢一点。它取消的不是一个结论,是一道门槛。

在此之前,任何符号要进入代数,得先出示身份:你代表哪一个正的量。在此之后,符号只要服从规定的法律就行,身份可以以后再说,也可以一直不说。负数,以及下一篇要处理的那一类对象,都因此获得了制度空间。

汉克尔1867年那本书把这一路收束成一条一般原则:新对象的引入,不靠把每一种新数重新化成旧式的量,而在于扩张之后的系统保留适当的代数规律。

第二条是几何化。

最容易写错的是:笛卡尔发明坐标系,于是负数有了数轴解释。他1637年的解析几何当然大幅扩展了符号和曲线的联系,但他本人仍然把负根称为虚假的,所以坐标技术的存在并没有自动解决负数的本体问题。

更直接的材料是沃利斯的前后运动和双向直线。牛顿在他的算术书开头也把量区分成肯定的和否定的,用财产与债务,前进与后退,以及一条朝相反方向画出去的线来解释符号。他在1704年发表的三次曲线研究中,已经广泛使用平面上不同方向与区域的曲线。

十九世纪初,又有几位作者进一步发展了有向线段和几何表示,使负不必理解成长度小于零,而可以理解成同一条轴上相反的方向。

它解决了什么。解决了负三尺怎么可能是长度这个直观难题。三尺仍然是长度,负号记录的是方向。

它没有解决一切。债务,温度,抽象方程的根并不是字面上的线段。而且要证明所有的代数规律,仅靠一幅有向线图仍然不够。

而且几何解释本身也可能带着旧包袱。前面说过,同一个给出双向直线的人,还相信负数是某种越过无穷之后的区域。一幅图能说明方向,说明不了次序。数轴是一个强解释模型,不是现代整数的逻辑构造本身。

第三条就是运算本身的成功,前面已经说过。三条的权重可以这样排。

如果问的是负数何以取得无条件的代数资格,形式化那一路的权重最大。皮科克的突破恰恰在于取消了每个合法符号都必须先解释成普通算术量这个门槛。

如果问的是为什么普通数学家和学生终于觉得负数不再古怪,几何化和应用就不能降成陪衬。方向,债务,坐标提供了可以反复使用的语义,它们让形式体系不至于成为德摩根嘲讽的那种着魔的符号。

把这段历史写成形式主义自动战胜直觉主义,也有人明确反对。十九世纪长期存在的,是推广,严格性和直观可理解性之间的协商。

协商这个词用得准。三样东西互相拉扯:想让规则适用得更广,想让每一步都站得住,想让人能看懂。任何一样推到极端,另外两样就受损。

第三篇里已经出现过这三样的一次配比。那一次是把图从证明里赶出去,换来了不必依赖眼睛,代价是可读性。

这一次换的是另一种:取消符号必须先有量的解释这个要求,换来了负数和后来更多东西的合法地位,变化在于,数不再必须先指向某一种具体的量,才能参与规定好的运算;它仍可有多种具体解释。两次交易的方向一样:放掉一样看得见的东西,换一样更管用的规则。

这一篇里的每一次争论,拆开来看都是这三样在换配比。

八 名字里的伤

那些名字全都带着来处。

拉丁语传统里表示负的那个形容词,来自一个意思是否认,否定,说不的词。它原本不是为现代整数专门造的中性名词。近代代数借用它构成负的数,负的量,之后进入各欧洲语言。相对的那个词来自放置,设定,肯定的一侧。英语里另一个日常读法更直接,来自拉丁语的较少,少于。这一段语言史保留了负数早期被理解为减去,欠缺,否定,而不是一类自足对象的痕迹。

而这不是欧洲特有的。梵文那个词本来就是债务,与财产相对。阿拉伯语那个词的本义是减少,欠缺,与增加相对。这些技术词都是从关系,损益,缺盈进入数学的。

没有一处是从一个中性的类别名开始的。也就是说,在所有这些语言里,这类对象最初被指认的方式,都是它欠着什么,而不是它是什么。

所以名字里的伤不只是修辞。许多语言最初都不是从一个中性的整数类别去命名负数,而是从亏,缺,债,否,减,反向去命名的。后来对象获得了同等的形式地位,旧名字却留下来了。这一点在下一篇里会更刺眼。那一类对象的名字,直到今天还在说它是想出来的。汉语这一侧也一样,但有一个意外。

《九章》那个负字,最安全的语义证据不是现代的字源故事,是刘徽自己的解释:两算得失相反,要令正负以名之。

也就是说,数学语境里的负位于失这一侧,与正构成相反的类别。古汉语的负本来还有负载,负债,亏欠,失败这些相邻义项。究竟哪一个词源义直接产生了这个数学术语,很难只靠传世文本还原。把它简单译成债,又会把中国材料印度化。意外在晚清。正和负不是十九世纪面对西方代数时临时创造的新译名。

中国已经有一千多年的经典数学术语可以重用。李善兰以及他周围的近代数学文本,很自然地继续说正数,负数,正负诸数。相关文本甚至直接写出正乘正为正,负乘负亦为正。

所以这里更像是旧术语被重新安置进西式的代数体系,而不是一次从零开始的翻译。上一篇讲过,算法,零,正弦,代数这四个中文词各有各的来路,有本土旧词,有明末的历局译名,有晚清的新造。正负属于第一类,而且是其中年代最久的。

一个词在汉语里活了一千多年,中间换过好几种数学,最后被拿来翻译一个从另一条路走过来的概念,而且用得很顺。

从筹阵上的一种摆法,到多项式的一个系数,到十九世纪一个必须被论证资格的对象,这个字全程在场,意思一路在变,字形一次没动。顺到今天没有人觉得它是个译名。

这件事和上一篇讲的算法很像。两个体系各自走各自的路,到某一刻被人用同一个词接上,而那个词自己有它的来历。

至于有没有竞争译名最后被淘汰,目前找不到可靠材料。没有候选词,没有首见年份,没有淘汰过程。相反数这个现代教学术语的来历同样查不到。这两处宁可空着。

空着比补一条看起来完整的谱系好。一个译名的历史如果查不到,写成查不到,下一个人还能接着查。写成某人在某年定名,下一个人就不查了。

现在把那四件事再摆一遍。

第一件,负项能不能在算法里出现。中国在《九章》里已经成立,印度和阿拉伯语世界也早就成立,欧洲从十五世纪起照用不误。

第二件,有没有可靠的号律。印度在七世纪完整,阿拉伯语世界在十二世纪明确,欧洲随后。

第三件,负值能不能当最终答案。这一件到处都是分条件的,而条件是那个量有没有方向。债务可以,猴子不行。

第四件,负数是不是与正数同等资格的数。这个问题在本文涉及的近代欧洲争论里有长期而明确的展开,但不能据此排除其他传统的相关思考。回答的方式也不是找到了负三究竟是什么东西。是取消了那个提问的前提。一个符号不必先被解释成某种量,才有资格参与运算。

德摩根自己把这个模式说得最准。数学会先造出一些算得通而讲不清的东西,然后再回头把定义改宽,让它们进来。他说这话的时候,手上正有一个刚刚被放进来的东西,和另一个还没进来的东西。后面那个东西,名字比负数更难听。它的名字直接说它是想出来的,而且这个名字用到今天也没改。

它进入数学的方式也和负数不同。负数是从债务和方向里长出来的,它却是在一个没有人想要它的地方被逼出来的。负数至少还有一个现成的反面可以指。那一类对象什么也指不到,而且不用它就拿不到答案。

数还在往下算,而什么算数学,还没有算清楚过。

一 一個不可能的問題

有一道題是這樣的。

父親五十六歲,兒子二十九歲,問再過多少年,父親的年齡是兒子的兩倍。

列式算下去,答案是負二。

1831年,一位英國數學家在一本講怎樣學數學的書裡處理這道題。他說,這個結果是荒謬的,毛病出在題目問得太窄。然後他把原題重新措辭:負號告訴你,那件事發生在兩年之前,而不是之後。改問之後,二就是一個普通的正數。這個人叫德摩根。當時他認為,一個孤立的負量在算術的框架里不可理解。他在這道題前面剛寫過,就實在的意義而言,負的和虛的一樣是想象出來的,從無里減去一個數,和負數的平方根一樣無法設想。

而這已經是公元1830年代。當時的英國已經有鐵路,有蒸汽印刷,有面向工人和中產讀者的廉價百科全書。德摩根本人就為其中一部寫稿。距婆羅摩笈多在628年寫下那套完整的正負號律,一千兩百年。距《九章算術》的正負術,更遠。這個落差看上去像一條清清楚楚的分界線。東方早就接受了,西方抵抗了一千年。

這句話在通俗數學史裡幾乎是標配。它有一個很舒服的形狀:一邊聰明,一邊固執,而且時間差大得讓人記得住。

這一篇要做的不是替誰翻案。是把那個時間差拆開,看它到底在量什麼。拆開之後會發現,它量的不是理解力,是各處的人分別在回答哪一個問題。這個說法里幾乎每一個詞都要拆。

先拆掉一個容易漏掉的事實:德摩根在同一段裡,把負二用得非常準確。他知道那個負號的意思是時間方向反了,而且他據此把題目改對了。一個據說不接受負數的人,剛剛用負號糾正了一道題的提法。先拆最要緊的那個詞。接受。接受負數不是一件事,是至少四件。

第一件:負項能不能在一個算法的中間過程裡出現。第二件:能不能對負項做穩定的運算,有沒有可靠的號律。第三件:一個負值能不能作為某類問題的最終答案被保留下來。第四件:負數能不能被承認為與正數同等資格的一類數。這四件事在中國,印度,阿拉伯語數學和歐洲,都不是同時發生的,而且順序也不一樣。

把第一件叫作接受,再拿第四件去衡量另一個傳統,假的對稱就造出來了。

德摩根不是不會用負號。他用得非常熟練,而且他知道負號在那道題里究竟指什麼。他不肯做的是第四件事。

這一篇要走的就是這四件事各自的時間表。走完之後會看到,每一處都在某幾件上很早,在另幾件上很晚,而且各自早晚的組合都不一樣。一條分界線會變成四張互相錯開的表。

而且錯開的方式不是隨機的。第一件和第二件幾乎到處都早,第三件到處都分條件,第四件在本文涉及的近代歐洲材料裡尤其明確,不能據此斷言其他傳統從未提出相關問題。差別不在誰聰明,在誰問了什麼。這句話是這一篇的全部內容。剩下的只是把四張表分別攤開。

二 得失相反

《九章算術》在第八章方程裡引入正負術。

它處理的是籌陣里因為列與列相減而出現的兩種相反狀態。規則的核心是同名,異名之間怎樣相除相益,以及正無入負之,負無入正之。劉徽三世紀的注最關鍵。他說,今兩算得失相反,要令正負以名之。得和失相反,所以要用正和負來給它們命名。他還說了顏色:正算赤,負算黑。如果不用顏色,就用擺籌的方向來區別。

這一句很值得停一下。要在籌陣上區分兩類相反的量,最直接的辦法不是發明一個符號,是換一種顏色,或者換一個擺法。

第五篇提到過,紅籌黑籌的說法有文本傳統,但沒有足夠的實物證據證明漢代每一次運算都固定使用兩套顏色的籌。可以確定的是,區分是靠籌本身的狀態做的,不是靠寫在旁邊的一個記號。

所以在這裡,正和負首先是對算法中得失相反的兩類籌所作的命名。

原始材料能證明得很強的是:負籌可以穩定進入方程的消元過程,它可以由無與正籌相減而產生,而且有加減規則。證明得較弱的是:作者已經把負三理解成一個脫離籌陣,脫離問題語境而獨立存在的抽象數。

這個區別可以說得更具體。籌陣上的負,是某一格里的籌被擺成了另一種狀態。它有位置,有鄰居,有它在這一步消元里的用處。把它從那一格拿出來單獨問它是什麼,是後人才會做的動作。正文在這裡沒有給出完整的正負乘除體系。負值的首要角色是方程程序裡的帶號項目。

換個說法。它是一個動詞的產物,不是一個名詞。相減這個動作做完之後,某一格里留下了一種狀態,而這個狀態需要一個名字。名字取好之後,它可以參與後面所有的步驟,一直到算完。但算完之後它就沒有了,因為最終的答案不會帶著它。

所以說《九章》的負只是一次性的錯誤或者欠缺,太弱。說它已經是現代整數里的獨立對象,又太強。

第五篇處理過籌算的實際形態。要從籌陣,位置和變換關係去理解這些詞,不能把現代的矩陣和有符號數直接倒灌回去。

宋元時期有可見的擴張。秦九韶那一類開方程序把正負狀態用到了更高次多項式的系數陣列上,現代復原甚至可以看到含負首項,負常數項的多項式被籌算程序持續操作。楊輝在十三世紀重新組織和解釋了方程傳統。到朱世傑的天元,四元術,正負系數已經是多項式計算的一部分。也就是說,負項從線性消元里的局部狀態,進入了更廣的系數運算。

按前面那四件事來看:第一件很早就成立,第二件在方程的範圍內成立,第三件要看是什麼量,這些術文沒有明確展開第四件那個問題,這不等於當時從無人思考它。

第五篇處理過同一種謹慎。那一篇的毛病是把算法傳統寫成一種文明性格。這一篇的毛病是把某一件事的早,說成全部四件事的早。

兩種毛病共用一個機制。先在一個傳統里挑出它最強的那一面,再在另一個傳統里挑出它最弱的那一面,然後把兩者並排。

最後這一句的意思不是沒能回答,是沒有提出。現代那個整數是什麼的問題,是從另一套關切里長出來的。那套關切要到這一篇的後半才出現,而且它有一個很具體的來源。

這個區別在這一篇裡要反復用到。一個傳統沒有回答某個問題,可能是因為答不上來,也可能是因為那個問題在那裡不成其為問題。這兩種情況的歷史含義完全不同。

三 財產與債

婆羅摩笈多的書寫於628年,第十八章給出了非常明確的帶號算術。

梵文的技術詞本身就帶著日常語義。正的那一側用的詞是財產,財富,所得。負的那一側用的詞是債,虧欠。零用的是表示空的詞。這裡的財產和債務不是後世為了教學添上去的比喻,它們進入了技術語言本身。約第三十到三十五頌的內容可以壓縮成這樣。

同為財產的相加仍是財產,同為債的相加仍是債。一個財產和一個債要取其差,相等則為零。正和負同零相加,仍保持原來的號。從負中減正,或者從正中減負,要把量加起來。正負相乘為負,負負相乘為正。零與正負相乘都是零。就號律而言,這已經是一套高度穩定的體系。前面那四件事里的第二件,在七世紀的印度已經完整。

而且這套規則不是為某一類題臨時寫的。它是作為一般規則被列出來的,一條挨著一條,像一張表。

列成表這件事本身有分量。一條規則寫在某道題的解法里,它是那道題的一部分。一批規則列成表,它們就成了可以被引用的東西。七世紀就有了這張表,這一點本身值得記住,因為歐洲要到很久以後才有同樣明確的一張。

但零的部分特別能防止把這一段寫成勝利史。

他正確處理了一個數加零,減零,乘零。可是他把零除以零規定成了零。對於非零的數除以零,他留下的是以零為分母這樣一個表達,並沒有現代意義上良定義的商。

這不是疏忽。除以零這件事,要到很晚才被明確判定為不可做,而不是判定為等於某個值。在他那裡,那還是一個可以給出規定的位置。這一條也說明零和負數是兩件事。號律可以在七世紀就完整,而零的算術性質在同一個人手裡還留著漏洞。把它們合起來叫作印度人發明了零和負數,會把兩件不同成熟度的工作壓成一件。

所以他第一次給零以算術規則,可以說。他已經建立了現代零的完整代數理論,不能說。更要緊的是五百年後的那一句。

婆什迦羅第二的《代數學》大約在1150年。他在一道出現了第二個根的題目之後說,第二個值在這裡不取,因為它與題意不合。科爾布魯克傳統譯法的關鍵結尾是:人們不認可一個負的絕對數。

後來的二手文獻常把這句話簡化成人們不認可負根。意思大致不錯,但負的絕對數比負根更值得保留。因為它顯示爭議可能集中在把一個本來應該表示絕對數量的未知量賦予負值,而不是否認一切帶負號的運算。這句話不能反過來證明印度其實沒有接受負數。同一個傳統已經熟練使用債務,相反方向和正負號律。

相隔五百年的兩位作者,一位寫下了完整的號律,一位拒絕了一個具體的負根。這兩件事不衝突,而且發生在同一個傳統內部。

如果只取前一位,會得到印度早已完全接受。如果只取後一位,會得到印度也不接受。兩種說法都是把四件事壓成了一件。它證明的是另一件事。作為運算對象的負量,和作為某個具體未知量的可接受解,是兩種資格。

所以印度那一側最安全的結論是這樣。在算術和代數的過程中,負量完全可以持續存在。當量的意義天然成對的時候,比如財產和債,東和西,增和減,負號可以得到實際的解釋。而當未知量表示人數,長度,物件數這類只能取非負值的東西時,負根就可能被判為不合題意。這一步在今天的教材里也還在做,只是名字變了。解出來兩個根,捨去一個,因為長度不能為負。

區別在於,今天的學生知道被捨去的那個仍然是一個數,只是不合這道題。當時的人不需要有這個想法,因為那個東西本來就不在數裡面。同一個動作,在1150年被記成一句關於人們不認可什麼的話,在今天被記成一句捨去。

第一件和第二件成立,第三件要看量的種類。一個債務的餘額可以有負的最終意義。負五隻猴子不行。

這個區別看上去像常識,但它正是第三件事的全部內容。負值能不能留下來當答案,取決於那個量有沒有一個天然的反面。有反面的,負號就是一個方向。沒有反面的,負號就是題目出錯了。

而開頭那道父子年齡題,正好落在中間。時間有反面,所以負二是可讀的。可是原題問的是以後,而以後沒有反面。

於是那位數學家做的事情是:保留負號給他的信息,改掉題目的問法。

這個動作很講究。他既沒有說這個負號沒有意義,也沒有說負二是一個數。他說的是:這個符號在告訴你,你問錯了方向。

四 缺與盈

上一篇處理過那部九世紀的《代數學》,六類方程,所有的數,根,平方的系數都保持為正量。那不是不會寫一個統一的式子。那是和當時對數,根,平方作為正量的理解一致。

上一篇裡那本書還有一個細節可以在這裡用上:它沒有符號,所有的量都寫成詞。一個用詞寫出來的量,更難被當成可以隨意換號的對象。寫成句子的東西,天然帶著它是什麼的意思。

但後來的阿拉伯語代數遠比拒絕負數複雜。卡拉吉的多項式計算允許被減的項目參與代數操作。到十二世紀的薩毛艾勒,號律已經被明確說出來了。他稱負的那一側為缺少,虧損,減少。稱正的那一側為增加,多出。他知道負乘正為負,負乘負為正。他也知道從一個空位里減去正項會留下負項,從空位里減去負項會留下正項。

換句話說,負系數作為多項式結構的一部分,沒有被回避。

這裡的用詞很有意思。缺少和多出,虧損和增加。這兩個詞指的不是數,是狀態。一項東西處在虧的那一邊,或者盈的那一邊。

用狀態來命名,說明這些文本提供了一種關係性的解釋;但命名本身不能證明它不能被當作獨立對象。第二節裡劉徽說的得失相反,是同一種命名方式,隔著幾千公里和九百年。兩處都是先有一對相反的處境,再從這對處境里取名。沒有人是先造出一個叫負的東西,再去找它能表示什麼。那為什麼根仍然以正為常態。

因為根,數,量這些東西仍然屬於可度量的正量範疇,而負項常被理解成減項,虧項,或者與另一邊相消的項目。這裡不是一種統一的禁令,是問題的語義和代數對象的範圍不同。這一點對理解整段歷史都要緊。

第三件事之所以到處都分條件,原因全在這裡。回避負根不等於不懂負數。它可能只是意味著,在那套問題裡,根這個詞指的是一段長度,一個數目,一筆錢,而這些東西沒有反面。

上一篇講過那六類方程為什麼必須分成六類。現在可以把那一句補完:攔住他的是那個統一的式子要求系數可以帶負號,而帶負號的量在當時不是一個能自己站著的東西。六類是那個限制的形狀。一個體系拒絕了什麼,常常比它接受了什麼更能說明它的邊界在哪裡。那六類不是六條規則,是一道牆的六個面。

有一項關於中世紀負解的經典研究,做的正是這個區分:知道號律,出現形式上的負值,和承認負解,是三個層次。歐洲早期也是同一個形態。

那部《算盤書》最初作於1202年,但1202年的本子沒有傳本,現有文本屬於1228年的修訂傳統。在第十三章一類商業,合伙和試位法的計算里,面對形式上低於零的資產,它會把結果解釋成欠債,而不是一袋負的錢。

這和後來歐洲實踐的一個長期特徵相當一致:負值可以先作為債務的解釋存在,而不必先承諾負數是一類與正數同本體地位的數。這是一種很省事的安排。把麻煩推給語義:這個數不是負的,是這筆錢的方向反了。只要每一次都能找到一個合適的反面,就永遠不必回答那個更難的問題。

而在商業的世界裡,反面幾乎總能找到。欠和有,進和出,賺和賠。

所以商人比數學家更早自在,不是因為他們想得更開,是因為他們那一行的每一個量都自帶方向。

所以它做的事是允許形式上的負值在特定的商業語境里被重新解釋,不是它正式接受了負數。到這裡,四件事里的前兩件,在四個地方都已經成立或者接近成立。差別集中在第三件和第四件。

而這兩件才是真正難的。前兩件問的是能不能算,後兩件問的是算出來的東西算不算數。能算是技術,算數是資格。而資格這件事,在別處基本沒有人提出過要求。

這個分布正好反駁了那條分界線。如果東方接受而西方抵抗,那麼差別應該出現在第一件和第二件上。實際上那兩件到處都成立。而第四件在後來歐洲的一些基礎討論里成為明確的問題;這種材料分布不證明別處從來不問。為什麼偏偏是那裡,下一節要處理。答案和一部兩千年前的書有關。

五 數是什麼

抵抗最深的那一層,不是看不懂負號。是數究竟是什麼。兩千年裡,歐洲人學數學的第一課是這樣開頭的:一是單位,而數是由若干個單位組成的多。

也就是說,數是數出來的。三,就是三個單位。七,就是七個單位。

這句話寫在《原本》第七卷的開頭。第三篇講過那本書的公設被人懷疑了兩千年,而它的定義沒有人懷疑,因為定義看起來只是在說明用詞。

可是用詞一旦定下來,後面兩千年能說什麼就跟著定了。按這個定義,負三是什麼。它數了三個什麼。長度,面積,體積屬於另一類,那一類叫量,而量就是大小。一段小於無的長度,同樣沒有地方可放。

這不只是一本書的說法,它是一整套教育的起點。一個受過訓練的人,在他學會任何代數之前,已經先學會了數是數出來的。要他後來接受一個數不出來的數,等於要他把入門第一課作廢。這類抵抗有一個真正的邏輯核心。假定甲減乙表示從甲里拿走乙。那麼只有甲不小於乙的時候,結果才是原有數量的一部分。

要允許甲小於乙的時候,甲減乙仍然是一個數,就必須改變至少一件事。把減法從物理上的去除,改成一個形式操作。或者把數從絕對量,改成帶方向,帶狀態的量。或者擴張數的範圍,使每一個加法都有逆。後來現代的定義,恰恰三條路都走了。

所以抵抗的內容其實很精確。它不是不肯接受一個新符號,是不肯為了一個新符號,去改動減法,數,或者量這三樣里的任何一樣。而這三樣,都是一個人在學任何代數之前就已經學會的東西。

而這三樣每一樣都是別的東西的地基。

由此有過一個解釋:那部書對歐洲數學中什麼叫數,什麼叫量,什麼叫比,有異常強的規範力,而負數在這個框架里沒有位置。十六,十七世紀負數又恰好和另一類更令人不安的對象同時出現,於是兩類東西都容易被降成二等。

這個解釋有啓發性,但它帶著排序。說歐洲若干數學傳統受到更強的量論約束和基礎解釋要求,有材料支持。說歐洲因為在哲學上更認真,所以比別處更晚接受,就已經變成了價值判斷。而且反例就在歐洲內部。商人的代數,坐標幾何,曲線研究,往往沒有等基礎問題解決才開工。

而在走通之前,最尖銳的一擊來自一個比例難題。阿爾諾的論證是這樣。按形式代數,負一比一等於一比負一,因為交叉相乘兩邊都得負一。

可是,如果仍然把比理解成大小之比,左邊是一個較小的量比一個較大的量,右邊卻成了較大的量比較小的量。一種比例本應小於一,另一種本應大於一。怎麼會相等。這不是看見負號覺得怪。這是舊的比例語義和新的符號運算規則同時使用時,產生的矛盾。這個反對通常追溯到1667年的一部幾何學著作。真正要緊的是萊布尼茨的反應。

他沒有說,形式算得出來,所以阿爾諾錯了。

他承認這個反對並非毫無力量。在十八世紀初關於負量和比例的討論里,他的解決方向是去質疑那個前提本身。負量是不是也必須像普通的正的大小那樣,參加同一個大小比例。而負量可以被理解為相反的狀態,方向,或者一種有良好計算效力的虛構。這一步很關鍵。

它說明抵抗不是情緒,是有論證的。而破解抵抗的辦法也不是找到一個更好的比喻,是修改比這個概念本身的適用範圍。

這一節是這一篇的轉折點。在此之前的幾節,講的是各處怎麼用負數。從這裡開始,講的是有人在追問它憑什麼算數。

在此之前,負數的問題看起來是一個觀念問題:有些人想通了,有些人沒想通。這個比例難題把它變成了一個技術問題:兩套規則同時成立時會撞車,必須放棄其中一套的一部分。而放棄哪一套,不是靠直覺能定的。

至於網上常見的那句某年萊布尼茨明確承認阿爾諾完全正確,說過了頭。他確實認真處理了這個難題。把它寫成一句特定的原話,則需要回到他的拉丁文論文,書信和版本系統逐字核對。

六 荒謬,虛構,虛假

那些否定性的名字不能揉成一張清單,因為它們指的對象不總相同。

丟番圖遇到現代寫法會導致負解的方程時,稱這種結果或者題設為荒謬,不可能成立。他說的是這個問題的結果荒謬,不是他先構造出負數這種對象,再給它取名。

這個區別在整張名單上都適用。一個人說某個結果荒謬,和一個人說某類對象荒謬,差得很遠。前者是在評價一道題,後者是在評價一種數。

施蒂費爾1544年的書裡明確使用了荒謬的數這一類說法,並把零以下的形式數稱作虛構的數。這是荒謬的數作為早期近代術語最合適的出處之一。卡爾達諾1545年的《大術》會用虛構的數,虛構的方程這一類說法處理負解。

近年的研究強調過一件事。虛構這個詞在十六,十七世紀並不等於毫無意義。虛構的對象可以被演算,可以產生正確的結果,同時仍然缺乏直接的數量解釋。也就是說,把它叫作虛構,不是把它趕出去,是給它安排了一個可以留下來的身份。這個身份在下一篇裡還要用到,而且用得更重。

一個可以算但講不清的東西,先被安一個虛構的名分留在裡面,等到後來找到瞭解釋,名分再改。這個辦法在接下來的兩百年裡被反復使用。笛卡爾1637年的虛假的根,主要指今天所說的負根。而他另外那個想象的根,針對的是非實的根。把虛假,虛構,想象,不可能全部當成負數的同義詞,會把負數史和下一篇要處理的那段歷史攪成一團。

沃利斯1685年那本書是一個極漂亮的過渡文本。他一方面仍說,代數記號字面上好像表示比無還少。另一方面馬上強調,只要正確理解,負量並非無用或者荒謬。

他給出的物理解釋是:如果正三表示向前走三碼,那麼負三就表示向後三碼。書裡還配了一條向兩邊延伸的直線圖。這條線後來常被算作完整數軸最早的明確實例之一。

可是同一個人,同一本書,還保留了一段今天看來非常奇怪的推理。

舊式的分數直覺認為,當正的分母逐漸減到零,商越來越大,在零那裡趨到無窮。如果再讓分母越過零變成負值,結果在形式上就變成了負數。

於是他一度把負值設想成某種經過無窮之後的區域。在現代的實數序裡這當然不成立。負一小於零,它不是大於無窮。

但這一段非常有史料價值。同一個人已經得到了有向直線的解釋,卻仍然試圖把負數塞進舊的比例與大小的連續圖景里。

所謂接受從來不整齊。他既是負數的辯護者,又保有一個與現代次序結構不相容的解釋。把人物分成接受派和反對派,會丟掉最有意思的部分。

這一篇裡幾乎每一個人都同時站在兩邊。施蒂費爾可以叫它荒謬,同時算它。卡爾達諾可以叫它虛構,同時把它納入方程技術。笛卡爾稱它假根,卻知道怎麼用變換把假根變成真根。牛頓沒有為負乘負為正給出結構上的證明,卻已經在四個象限里自由作圖。理論上拒絕,實踐上照用不誤。這不是矛盾,這是這段歷史的主線。

歐拉那部代數教材寫於十八世紀中葉, 1770年前後出版。他從財產和債務,得到和失去這類例子解釋正負,直說正數在零之上,負數在零之下,把號律當成基礎的代數規則使用。就計算實踐而言,他沒有施蒂費爾或者德摩根式的強烈遲疑。

但他仍然把幾種不同的解釋並排放著。負號有時是一個減法操作,有時是一個量的性質,有時又是相反的方向或者債務。而比無還少這種說法,又暗示數仍然按絕對大小理解。他沒有像十九世紀後半那樣,用一個抽象的結構把這些意義統一起來。這種現象有一個很好的概括:運算的推廣可以先成功,而對這些新對象究竟是什麼的嚴格解釋,繼續滯後。

所以他並不是不會正確理解負數。實際的情形是:他的代數實踐已經現代得多,他關於數是什麼的那一套,仍然保留著早期近代量概念的層層沈積。

回到德摩根。他的變化非常清楚,而且是分段的。1835年他評論皮科克的時候,一開始覺得符號代數像是著了魔的符號,四處尋找意義。但皮科克的想法逐漸改變了他。

到1840年為一部百科全書寫負量與不可能量這個條目時,他已經明確區分三步:先規定符號,再規定符號服從的法律,再從這些法律推出結果。1842年的代數基礎論文進一步向公理化靠攏。從著了魔的符號,到先規定符號再規定法律,中間隔了五年。

然而他沒有走到意義根本不重要那一步。他終身仍然期待形式體系最終獲得解釋。暫時沒有解釋的符號可以因為運算成功而保留,但他認為歷史會為它們找到更廣的意義。

七 先算得通

有一個模式貫穿這一整篇,而且跨文明出現。薩毛艾勒能在多項式里持續運算負項,同時那個傳統仍然通常不把負量當根。操作的範圍大於解的本體範圍。卡爾達諾把負解叫作虛構,卻並不因此停止算它。虛構這個詞恰恰是一種允許有用的對象先進入運算的語言。

牛頓一方面沒有為負乘負為什麼等於正提供現代的結構證明,另一方面已經自由使用四個象限和正負根研究曲線。最精彩的證詞來自德摩根自己。他在回顧代數史的時候說,曾經出現過一種狀態,可以概括成:產生結果的能力跑在解釋結果的能力前面。他甚至認為,如果某些暫時無法解釋的演算反復產生正確的結果,就有理由先保留它們,再去尋找更一般的解釋。

所以先用後懂不是現代人替古人辯護的故事。它是十九世紀的數學家自己已經意識到的歷史模式。這一點在這個系列裡已經出現過兩次,而且都是當事人自己說的。

第四篇裡那位說,機械的辦法能讓他找到答案,但那不算證明,所以他要再證一遍。第五篇裡那位說,他還沒有一個自己信得過的理由,所以寧可把這一處留作疑問。這一次說話的人站在更後面,而且他說的不是自己這一件事,是整個學科的一種習慣。

這個觀察比它聽上去更難得。一個身處其中的人,很少能看出自己所在的學科有一種反復出現的動作。通常要等很久,等那個動作做過好幾遍,才有人把它認出來。而他認出它的時候,自己正在做第若干遍。而且他認出來之後並沒有因此放鬆標準。他仍然認為暫時講不清的東西早晚要有解釋,只是不必現在就有。

這是一種很特別的立場:承認自己這一行經常先斬後奏,同時堅持後奏遲早要奏。

三個人,三個世紀,三種語言。說的是同一件事的三種形態:我算得出但不認,我連算法都沒有所以不寫,這個學科經常算得出而講不清。他說這話的時候,手上剛好有一個正在被放進來的例子。那麼最後是什麼使它合法的。有三條路。

第一條是形式化。皮科克1830年的書提出把代數從普遍算術裡解放出來。他區分算術代數和符號代數:前者的字母仍然指普通的正數,後者首先研究符號以及符號的運算法則。

他那條著名的原則後來常被概括成形式不變:在算術代數里由合法操作得到的等價形式,在符號被推廣之後,只要保持規定的運算法律,也應該繼續保持等價。

關鍵的變化不是終於發現負三確實是一種神秘的量。是:一個表達式不再必須先有正量的解釋,才有資格參與合法的代數。這一句要讀慢一點。它取消的不是一個結論,是一道門檻。

在此之前,任何符號要進入代數,得先出示身份:你代表哪一個正的量。在此之後,符號只要服從規定的法律就行,身份可以以後再說,也可以一直不說。負數,以及下一篇要處理的那一類對象,都因此獲得了制度空間。

漢克爾1867年那本書把這一路收束成一條一般原則:新對象的引入,不靠把每一種新數重新化成舊式的量,而在於擴張之後的系統保留適當的代數規律。

第二條是幾何化。

最容易寫錯的是:笛卡爾發明坐標系,於是負數有了數軸解釋。他1637年的解析幾何當然大幅擴展了符號和曲線的聯繫,但他本人仍然把負根稱為虛假的,所以坐標技術的存在並沒有自動解決負數的本體問題。

更直接的材料是沃利斯的前後運動和雙向直線。牛頓在他的算術書開頭也把量區分成肯定的和否定的,用財產與債務,前進與後退,以及一條朝相反方向畫出去的線來解釋符號。他在1704年發表的三次曲線研究中,已經廣泛使用平面上不同方向與區域的曲線。

十九世紀初,又有幾位作者進一步發展了有向線段和幾何表示,使負不必理解成長度小於零,而可以理解成同一條軸上相反的方向。

它解決了什麼。解決了負三尺怎麼可能是長度這個直觀難題。三尺仍然是長度,負號記錄的是方向。

它沒有解決一切。債務,溫度,抽象方程的根並不是字面上的線段。而且要證明所有的代數規律,僅靠一幅有向線圖仍然不夠。

而且幾何解釋本身也可能帶著舊包袱。前面說過,同一個給出雙向直線的人,還相信負數是某種越過無窮之後的區域。一幅圖能說明方向,說明不了次序。數軸是一個強解釋模型,不是現代整數的邏輯構造本身。

第三條就是運算本身的成功,前面已經說過。三條的權重可以這樣排。

如果問的是負數何以取得無條件的代數資格,形式化那一路的權重最大。皮科克的突破恰恰在於取消了每個合法符號都必須先解釋成普通算術量這個門檻。

如果問的是為什麼普通數學家和學生終於覺得負數不再古怪,幾何化和應用就不能降成陪襯。方向,債務,坐標提供了可以反復使用的語義,它們讓形式體系不至於成為德摩根嘲諷的那種著魔的符號。

把這段歷史寫成形式主義自動戰勝直覺主義,也有人明確反對。十九世紀長期存在的,是推廣,嚴格性和直觀可理解性之間的協商。

協商這個詞用得准。三樣東西互相拉扯:想讓規則適用得更廣,想讓每一步都站得住,想讓人能看懂。任何一樣推到極端,另外兩樣就受損。

第三篇裡已經出現過這三樣的一次配比。那一次是把圖從證明裡趕出去,換來了不必依賴眼睛,代價是可讀性。

這一次換的是另一種:取消符號必須先有量的解釋這個要求,換來了負數和後來更多東西的合法地位,變化在於,數不再必須先指向某一種具體的量,才能參與規定好的運算;它仍可有多種具體解釋。兩次交易的方向一樣:放掉一樣看得見的東西,換一樣更管用的規則。

這一篇裡的每一次爭論,拆開來看都是這三樣在換配比。

八 名字裡的傷

那些名字全都帶著來處。

拉丁語傳統里表示負的那個形容詞,來自一個意思是否認,否定,說不的詞。它原本不是為現代整數專門造的中性名詞。近代代數借用它構成負的數,負的量,之後進入各歐洲語言。相對的那個詞來自放置,設定,肯定的一側。英語里另一個日常讀法更直接,來自拉丁語的較少,少於。這一段語言史保留了負數早期被理解為減去,欠缺,否定,而不是一類自足對象的痕跡。

而這不是歐洲特有的。梵文那個詞本來就是債務,與財產相對。阿拉伯語那個詞的本義是減少,欠缺,與增加相對。這些技術詞都是從關係,損益,缺盈進入數學的。

沒有一處是從一個中性的類別名開始的。也就是說,在所有這些語言裡,這類對象最初被指認的方式,都是它欠著什麼,而不是它是什麼。

所以名字裡的傷不只是修辭。許多語言最初都不是從一個中性的整數類別去命名負數,而是從虧,缺,債,否,減,反向去命名的。後來對象獲得了同等的形式地位,舊名字卻留下來了。這一點在下一篇裡會更刺眼。那一類對象的名字,直到今天還在說它是想出來的。漢語這一側也一樣,但有一個意外。

《九章》那個負字,最安全的語義證據不是現代的字源故事,是劉徽自己的解釋:兩算得失相反,要令正負以名之。

也就是說,數學語境里的負位於失這一側,與正構成相反的類別。古漢語的負本來還有負載,負債,虧欠,失敗這些相鄰義項。究竟哪一個詞源義直接產生了這個數學術語,很難只靠傳世文本還原。把它簡單譯成債,又會把中國材料印度化。意外在晚清。正和負不是十九世紀面對西方代數時臨時創造的新譯名。

中國已經有一千多年的經典數學術語可以重用。李善蘭以及他周圍的近代數學文本,很自然地繼續說正數,負數,正負諸數。相關文本甚至直接寫出正乘正為正,負乘負亦為正。

所以這裡更像是舊術語被重新安置進西式的代數體系,而不是一次從零開始的翻譯。上一篇講過,算法,零,正弦,代數這四個中文詞各有各的來路,有本土舊詞,有明末的歷局譯名,有晚清的新造。正負屬於第一類,而且是其中年代最久的。

一個詞在漢語裡活了一千多年,中間換過好幾種數學,最後被拿來翻譯一個從另一條路走過來的概念,而且用得很順。

從籌陣上的一種擺法,到多項式的一個系數,到十九世紀一個必須被論證資格的對象,這個字全程在場,意思一路在變,字形一次沒動。順到今天沒有人覺得它是個譯名。

這件事和上一篇講的算法很像。兩個體系各自走各自的路,到某一刻被人用同一個詞接上,而那個詞自己有它的來歷。

至於有沒有競爭譯名最後被淘汰,目前找不到可靠材料。沒有候選詞,沒有首見年份,沒有淘汰過程。相反數這個現代教學術語的來歷同樣查不到。這兩處寧可空著。

空著比補一條看起來完整的譜系好。一個譯名的歷史如果查不到,寫成查不到,下一個人還能接著查。寫成某人在某年定名,下一個人就不查了。

現在把那四件事再擺一遍。

第一件,負項能不能在算法里出現。中國在《九章》里已經成立,印度和阿拉伯語世界也早就成立,歐洲從十五世紀起照用不誤。

第二件,有沒有可靠的號律。印度在七世紀完整,阿拉伯語世界在十二世紀明確,歐洲隨後。

第三件,負值能不能當最終答案。這一件到處都是分條件的,而條件是那個量有沒有方向。債務可以,猴子不行。

第四件,負數是不是與正數同等資格的數。這個問題在本文涉及的近代歐洲爭論里有長期而明確的展開,但不能據此排除其他傳統的相關思考。回答的方式也不是找到了負三究竟是什麼東西。是取消了那個提問的前提。一個符號不必先被解釋成某種量,才有資格參與運算。

德摩根自己把這個模式說得最准。數學會先造出一些算得通而講不清的東西,然後再回頭把定義改寬,讓它們進來。他說這話的時候,手上正有一個剛剛被放進來的東西,和另一個還沒進來的東西。後面那個東西,名字比負數更難聽。它的名字直接說它是想出來的,而且這個名字用到今天也沒改。

它進入數學的方式也和負數不同。負數是從債務和方向裡長出來的,它卻是在一個沒有人想要它的地方被逼出來的。負數至少還有一個現成的反面可以指。那一類對象什麼也指不到,而且不用它就拿不到答案。

數還在往下算,而什麼算數學,還沒有算清楚過。

Sources and further reading史料与延伸阅读史料與延伸閱讀

Selected references for historical details and interpretive disputes. Museum records, ancient literary accounts and modern reconstructions do not carry the same kind of evidence.

以下资料对应文中的历史细节与解释分歧。馆藏记录、古代文学与现代重建,不是同一种证据。

以下資料對應文中的歷史細節與解釋分歧。館藏記錄、古代文學與現代重建,不是同一種證據。