A HUMAN HISTORY OF MATHEMATICS凿构周期律 · 数学鑿構週期律 · 數學 · 08 / 25
Imagined Quantities
想象出来的量
想象出來的量
A route to real roots can pass through nonreal quantities. Calculation, interpretation, and acceptance do not arrive together.
三次方程的实根,可以要求非实的中间量;规则、解释、发表和接受各有自己的时间。
三次方程的實根,可以要求非實的中間量;規則、解釋、發表和接受各有自己的時間。
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1. Thirty Problems Each
In Venice in early 1535, two men exchanged thirty mathematical problems apiece. The questions were deposited with a notary, and a period was fixed for producing solutions. This was not an impromptu contest in mental arithmetic. Each competitor selected the ground on which he expected to prevail.
Antonio Maria Fiore possessed a rule for one type of cubic equation, learned from Scipione del Ferro, a teacher of arithmetic and geometry at Bologna. Del Ferro is conventionally credited with finding the method around 1515. The date is a historical reconstruction, not the date on a surviving autograph announcing the discovery.
Tartaglia's problems ranged more widely. According to his later account, he independently found the type of cubic solution on which Fiore relied and then solved all thirty questions rapidly, while Fiore solved none of his. The asymmetry matters more than the legend of two geniuses calculating at a table: one competitor had concentrated his advantage in a secret that the other learned to match.
The calendar needs care. Venetian years began on March 1, so February 1535 in modern year-numbering could be dated February 1534 locally. The original year number is one lower, not one higher. Copying a date without its calendar convention can shift an episode by a year.
The commonly repeated prize of thirty banquets is less secure than the exchange of questions, the notary, the deadline, and language about honor and rewards per successful solution. A picturesque prize should not be granted the status of the better-attested framework.
The central narrative source is Tartaglia's own publication eleven years later. He participated in the events and selected the version readers would receive. First-person evidence is valuable; interested first-person evidence still requires comparison.
Why had del Ferro not published the rule? No surviving self-explanation settles his motive. In the world of northern Italian mathematical teaching, rare problem-solving techniques could support reputation, patronage, and employment. That gives secrecy a plausible professional logic without proving what del Ferro privately intended.
It is also inaccurate to imagine him personally concealing the method for the entire twenty years between about 1515 and 1535: he died in 1526. The technique's restricted circulation outlasted its discoverer.
Public challenges could have occupational consequences, but losing one did not automatically cancel a university appointment under a universal rule. The period offered no single modern career track for mathematicians. Teaching, medicine, engineering, books, court connections, and competitive demonstrations overlapped.
Tartaglia's own life makes those overlaps visible. His nickname refers to a speech impediment he attributed to wounds suffered during the French sack of Brescia in 1512. His account of hiding with family and being struck by a soldier is another personal narrative to identify as such, not an independently recorded medical file.
His Nova scientia of 1537 concerned artillery. In its prefatory presentation, he describes an earlier reluctance to improve a destructive art and a later decision to publish in the face of an Ottoman threat. Mathematics, livelihood, defense, and moral justification meet in the same book.
Cardano moved among medicine, teaching, universities, and powerful patrons. Ferrari would turn public mathematical competition into professional capital. None fits neatly into the image of a researcher whose obvious obligation was immediate journal publication.
This context does not settle later accusations of broken promises. It explains why a secret rule could be worth negotiating over. Publishing distributed an advantage to rivals; withholding preserved something its possessor alone might use. Before judging the ensuing dispute, we need to know which claims survive from which participants.
2. A Promise in One Man's Book
Cardano sought Tartaglia's cubic rule in 1539. Surviving correspondence describes approaches through intermediaries and proposals that included publication with attribution or promises of secrecy. Tartaglia initially resisted, wishing to publish his own work.
An invitation involving a powerful Milanese connection helped draw him to Milan. In Tartaglia's later narrative, the decisive meeting occurred at Cardano's house on March 25. He transmitted the rule in verse. The surviving mnemonic concerns operations for solving types of cubics, not a complete geometrical demonstration of every case.
The famous oath has a specific documentary status. Its earliest surviving full wording is in Tartaglia's 1546 book, seven years after the alleged private exchange. We have no jointly signed 1539 document or neutral minutes fixing every word of the promise.
Tartaglia presents Cardano as swearing by sacred and gentlemanly obligations never to publish the discovery and even to encode it so that others could not read it after his death. That is evidence of what Tartaglia publicly alleged in 1546. It is not an independent recording of the meeting.
Cardano's Ars magna, published in 1545, acknowledges receiving the rule from Tartaglia and does not claim the original cubic discovery entirely for himself. It traces priority to del Ferro, recognizes Tartaglia's independent rediscovery, and emphasizes the subsequent work of proof, generalization, and organization. Ferrari receives credit for the quartic method.
Publication order matters. Ars magna appeared before Tartaglia printed the full oath account. It cannot be described as Cardano's reply to that already-published accusation. Ferrari's public interventions, beginning in 1547, belong to the subsequent controversy.
The traditional explanation for Cardano's decision to publish involves his and Ferrari's visit to Bologna around 1543, where they consulted material preserved through del Ferro's son-in-law, Annibale della Nave. The broad episode is generally accepted, but its minute details rely heavily on later contested reports. The complete original notebook does not survive for us to reopen.
Two ethical arguments can be distinguished without endorsing either as a decisive verdict. Cardano's defenders treat the discovery of an earlier source as removing Tartaglia's exclusive claim over the method and point out that suppressing the cubic also obstructed Ferrari's independent quartic work.
Tartaglia's position treats the promise as a personal obligation unaffected by someone else's earlier discovery. Prior discovery does not necessarily release the recipient of a confidential communication from his undertaking. The alleged release is an argument, not a surviving agreed clause.
Ferrari issued six public challenge sheets, and Tartaglia printed six replies during 1547–48. The exchange, including sixty-two problems, survives in a form that permits close comparison. The public quarrel is not a later novelist's invention.
Their eventual encounter in Milan is conventionally dated August 10, 1548. Standard accounts judge Ferrari to have emerged stronger and Tartaglia to have withdrawn. The detailed theater often supplied around it—crowds, official judges, entourages, and a furtive overnight departure—is much less securely documented.
What we know about the actual proceedings is limited and dependent on interested reports. A historian should not let the abundant printed preliminaries create the illusion of an equally abundant neutral record of the meeting.
Print altered the evidence. Accusations, dates, insults, and mathematical questions could be duplicated and preserved. A 1546 allegation could not simply become a document created at the 1539 encounter. A 1545 edition remained a witness to what had been published before the later attack.
Even printed dates are not literally unalterable: editions, reissues, variants, and calendar systems require bibliographical checking. The gain was durable, publicly comparable witnesses, not an infallible timestamp or a fully formed modern priority system.
The archive is consequently skewed in an intelligible way. The loud public dispute was designed to circulate. The private promise was not. We know much about the quarrel's published forms and much less about the precise commitment at its center. The best-preserved part of a controversy need not be the part that would settle it.
3. Thirteen Forms
Ars magna appeared at Nuremberg in 1545 in forty chapters. Chapters XI through XXIII treat thirteen forms of cubic equations, and the quartic material also distinguishes forms that modern notation can unify.
This is not pointless repetition. The classification reflects conventions about positive quantities and which side of a relation contains a term. Moving a term across an equality with a changed sign may be routine now; in that presentation it can move the problem into a different named type.
As with al-Khwarizmi's six forms, a modern polynomial written with arbitrary signed coefficients can conceal the historical work performed by the classification. Cardano knew and used negative quantities, but his system did not simply reproduce today's uniform coefficient convention.
A famous passage in Chapter XXXVII asks for two parts of ten whose product is forty. If the parts must be real, the request cannot be satisfied. Writing them as 5 + t and 5 − t makes the obstruction visible: their product is 25 − t², no greater than twenty-five for real t.
Cardano nevertheless continues the formal calculation. In modern notation the two expressions are 5 + √(−15) and 5 − √(−15). Their sum is ten, and formal multiplication gives 25 − (−15), or forty.
The important event is not that he already possesses the modern complex field. He is willing to manipulate expressions lacking the ordinary magnitude interpretation expected of an answer. He labels the work with language often translated as sophistic and comments on its extreme subtlety and limited usefulness.
The behavior exceeds the dismissive vocabulary. The expressions are retained long enough to satisfy the formal conditions. A provisional category gives an unfamiliar operation space to work, even while the author declines to treat its objects as ordinary numbers.
That is similar to the role of fictitious negative quantities in the previous essay, but the distinction must remain clear. A negative quantity and the square root of a negative quantity create different mathematical problems. Historical labels overlap without making the objects identical.
The example is quadratic. It is not evidence that Cardano successfully used nonreal intermediate quantities to resolve the difficult three-real-root cases in the cubic chapters. Popular accounts often transfer the success from one setting to another.
The correspondence published by Tartaglia indicates that Cardano encountered troubling cubic examples soon after receiving the rule in 1539. He questioned the operation; Tartaglia's reply attributed the difficulty to Cardano's handling and reflected growing suspicion about the exchange.
Again, the letters reach us through an interested later publication. Their mathematical content can be examined separately from accepting every implication of the editorial narrative.
Ars magna contains cubics that modern analysis places in the three-real-root regime. But where the radical procedure leads to square roots of negative quantities, Cardano does not consistently carry those expressions through to a successful resolution in the manner later associated with Bombelli.
Three things should therefore be separated. Cardano recognizes an obstruction in the rule. In a different problem he experiments with the formal arithmetic beyond the obstruction. Another author develops that arithmetic more systematically and brings it back into the cubic calculation.
The distinction matters because mathematical possibility rarely arrives in one indivisible moment. An operation can be tried before its general rules are organized; the rules can be organized before their objects receive an accepted interpretation; an interpretation can be published before it reaches a substantial audience.
The next section identifies the obstruction itself. Its force is stronger than the observation that an equation sometimes has an answer a mathematician does not like. Here the desired answers can all be real, while a particular successful-looking route insists on leaving the real domain along the way.
4. The Irreducible Case
Start with a cubic whose quadratic term has been removed by a change of variable. In modern notation write it as x³ + px + q = 0. Set x = u + v. Expanding gives u³ + v³ + (3uv + p)(u + v) + q = 0.
Choose 3uv + p = 0. Then the remaining requirements are u³ + v³ = −q and u³v³ = −(p/3)³. The two cubes are therefore the roots of a quadratic equation.
This modern symbolic derivation is an explanatory reconstruction, not a facsimile of Cardano's notation. It makes the difficulty inspectable: the auxiliary values are −q/2 ± √((q/2)² + (p/3)³).
When the cubic has one simple real root and a nonreal pair, the expression under that square root is positive. Real cube roots of the two real auxiliary values can produce the real solution. Boundary cases require their own treatment.
When the cubic has three distinct real roots, the same expression is negative. The auxiliary quadratic has nonreal conjugate solutions. Along this radical route, finding real roots requires first calculating with nonreal quantities.
Appropriate paired cube roots then recombine to give a real result. The pairing matters: independently choosing arbitrary cube roots need not satisfy uv = −p/3. The other coordinated choices generate the other real roots.
The nonreal pieces do not contaminate the answer. They encode relationships that cancel appropriately when the pieces are assembled. The destination lies on the real line, while this representation of the journey leaves it.
That is a powerful reason to study the unfamiliar operations. The difficulty is not solved by announcing that the original problem has no real answer. It has three. Nor can one merely change a sign in the formula and assume the obstruction disappears.
But the conclusion is about a route, not every possible method. Trigonometric expressions can represent these roots within real quantities. Numerical methods can approximate them. Geometrical constructions may locate them. Some special cubics can be factored immediately.
The familiar phrase casus irreducibilis has a stronger theorem behind it when irreducibility is specified. For a cubic with rational coefficients that is irreducible over the rationals and has three real roots, the roots cannot be expressed from the coefficients by real radicals alone in the usual radical framework. Wantzel's 1843 work established the classical obstruction.
Irreducibility is indispensable. If a rational root is already available, factorization reduces the remaining problem to a quadratic, and real expressions can be obtained without following Cardano's nonreal detour.
This also means that Bombelli's famous example, which has the known root four, illustrates the arithmetic of the detour but is not itself an irreducible cubic over the rationals. It should not be used as though it proved the later theorem's full hypothesis.
The historical pressure and the mathematical theorem belong to different dates. Sixteenth-century practitioners encountered the unwanted square roots in their formula. Nineteenth-century algebra could state and demonstrate why a specified class of alternative real-radical routes would not solve the general difficulty.
Calling the formula the only possible road in the sixteenth century would be too strong even historically. Methods of approximation and geometrical investigation existed. What made it consequential was its status as a new general algebraic procedure whose own internal requirements exposed the limitation.
The essay's theme is therefore deliberately precise. Sometimes an object lacking accepted status appears not as an optional fantasy but as a necessary intermediate within a valued method. The method's usefulness does not prove the object's entire theory. It creates a concrete problem that refusing to look at the intermediate expression does not resolve.
5. An Engineer's Arithmetic
Rafael Bombelli, baptized at Bologna in 1526 and dead in 1572, did not follow a conventional university mathematics career. His documented world included engineering, surveying, drainage, land boundaries, and patrons concerned with making terrain usable.
He trained with an architect and engineer. Records connect him with Tuscan land-reclamation work during the middle of the century, with interruptions and resumptions typical of ambitious projects. He also participated in a proposed bridge intervention at Rome and advised on drainage schemes.
Calling him merely an amateur mathematician can obscure how much specialized quantitative work belonged outside university chairs. Calling his algebra a consequence of marsh engineering would go beyond the evidence. The two activities belong to one career without a demonstrated psychological chain from one to the other.
His Algebra developed over years. He began writing during the 1550s, planned five books, and published the first three in 1572. The geometrical material of the remaining books stayed in manuscript, was rediscovered in 1923, and was edited in 1929.
Bombelli anticipated resistance. He described his own initial suspicion that the unfamiliar operations were closer to sophistry than truth and warned readers that the subject demanded concentrated attention. This is not the language of someone to whom the objects were already ordinary.
Yet he continued. He gave special names to opposed forms associated with square roots of negatives, conventionally rendered through phrases such as plus of minus and minus of minus. Those expressions do not amount to our symbol i, but they allow distinctions that ordinary verbal arithmetic did not handle comfortably.
He then gave operational rules. In modern terms, like imaginary units multiply to a negative real unit, while opposite ones multiply to a positive real unit. Real and nonreal parts can be combined systematically in addition and multiplication.
A multiplication table does not by itself provide a modern foundational construction or a global consistency proof. It does establish a disciplined calculational practice that can be tested across examples. That is already more than tolerating one anomalous radical and hoping for the best.
His celebrated example is x³ = 15x + 4. The value x = 4 plainly works. Cardano's expression gives ∛(2 + √(−121)) + ∛(2 − √(−121)), or, in modern notation, ∛(2 + 11i) + ∛(2 − 11i).
Bombelli's decisive move is to seek the complicated cube roots in a simpler paired form. Using the rules, (2 + i)³ = 2 + 11i and (2 − i)³ = 2 − 11i. Their sum is four.
The calculation can be checked directly. Squaring 2 + i gives 3 + 4i; multiplying again by 2 + i gives 6 + 11i + 4i² = 2 + 11i. The conjugate calculation reverses the nonreal part. The unfamiliar terms disappear only after doing indispensable work within the expression.
The answer's novelty is not the point: four was already known. The value of the example is that the proposed rules carry the calculation through the obstruction and return the expected real solution without an arbitrary change of procedure midway.
Bombelli did not thereby prove that every conceivable manipulation with these objects was safe. Branch choices and extension of identities would continue to cause difficulties. He demonstrated a coherent and productive body of operations, not a modern theorem about the consistency of an entire field.
Nor did the publication instantly persuade every European mathematician. We lack a dependable first-edition sales total and a complete map of early readership. Later praise and influence cannot establish a large audience in the 1570s.
Some historical accounts emphasize Bombelli's conceptual importance; others caution that his immediate circulation was narrower than his later canonical position suggests. Both points can be true. An achievement can be mathematically substantial before it becomes widely known.
What changed on the page was enough to matter. A square root of a negative quantity no longer served only as a warning to stop. It could enter a rule-governed language that successfully mediated between real conditions and a real answer. Explaining what that language's objects were would take further work.
6. Two and a Half Centuries
From Bombelli to the early nineteenth century, the history is not well summarized as universal rejection. Nonreal quantities became increasingly useful in equations, logarithms, trigonometry, series, and analysis. Euler's 1748 connection between exponential and trigonometric functions is a prominent landmark.
Operational fluency and ontological reassurance did not always move together. A mathematician might call a quantity impossible in one discussion and use it skillfully in another. The words can mark a problem of interpretation without signaling a ban on calculation.
Descartes's Geometry of 1637 helped fix the term imaginary. Discussing roots, he distinguishes what can be counted formally as possible roots from quantities actually corresponding to them. Imaginary indicates the lack of an accepted real-magnitude counterpart, not a romantic tribute to creativity.
The term should not be reduced to a personal insult either. Its force comes from a conceptual contrast between real magnitude and something only posited in the algebraic accounting. Later readers inherit the ordinary-language implication after the mathematical framework has changed.
Wallis attempted geometrical interpretations in the seventeenth century, including perpendicular directions. These were important steps, but a suggestive perpendicular construction is not yet a fully coordinated representation of every complex number, addition, multiplication, length, and angle.
Leibniz's discussions likewise combine extensive use with language of fictions and uncertain modes of being. Such expressions should be read with their mathematical purposes rather than gathered as proof that nothing was understood before a plane was drawn.
Euler's use of i requires another date distinction. The notation is associated with a paper written in 1777 but published in 1794. Composition and public availability are separate historical events.
Euler's proficiency also did not eliminate errors caused by carrying familiar identities beyond their valid domains. Square-root multiplication, harmless under suitable nonnegative real hypotheses, becomes branch-sensitive over complex numbers. Earlier caution and later expertise do not form a simple ladder on which every successor is uniformly safer.
Caspar Wessel, a surveyor and cartographer, supplied a systematic geometrical account in work submitted to the Danish academy in 1797 and published in 1799. Directed segments represent the quantities; addition follows composition of directed lengths, while multiplication multiplies lengths and adds angles.
The representation was a major achievement, yet its international reception was limited for decades. Language, publication venue, and scholarly networks mattered. Renewed historical attention in the late nineteenth century, including a French translation in 1897, restored recognition of Wessel's priority.
Jean-Robert Argand independently developed a related account in work associated with 1806. The exact circumstances of its initial private circulation are less secure than later textbook narratives imply. Discussion in Gergonne's journal around 1813 brought the approach into a wider French mathematical network.
Gauss's relation to the subject spans several stages. His 1799 dissertation on the fundamental theorem of algebra belongs to the background, while his especially influential public discussion of complex arithmetic appeared in the early 1830s. The familiar date 1831 concerns the announcement and exposition associated with his work on biquadratic residues; publication histories should not be flattened into one event.
Hamilton pursued a complementary route in the 1830s. Instead of asking where a mysterious square root lived, he organized complex quantities as pairs of real numbers. Addition acts componentwise. Multiplication is defined so that (a,b)(c,d) = (ac − bd, ad + bc).
Under those rules, (0,1) multiplied by itself is (−1,0). The imaginary unit need not be assumed beforehand as an inexplicable root; it becomes a specific element in a constructed system. Hamilton's work developed around 1833 and appeared in mature published form in 1837.
A geometrical picture helps one see the operations. A pair construction shows how to build them from accepted real quantities and verify their laws. Neither makes two centuries of earlier analysis irrelevant; each answers questions that previous practice had kept open.
The timeline defeats the single-cause story in which nobody believed until someone drew the complex plane. Extensive successful use preceded the mature representation. Wessel's limited early reception shows that publishing a representation did not automatically produce acceptance.
Geometry was both a product of accumulated practice and a contributor to further legitimacy. Formal constructions, applications, notation, and circulation all mattered. The gray interval contained partial explanations and real conceptual work, not merely two hundred years of blind calculation.
7. Direct, Inverse, Lateral
In his early-1830s discussion, Gauss complained that names such as positive, negative, imaginary, and impossible helped create unnecessary obscurity. A vocabulary of direct, inverse, and lateral units, he suggested, might have made the relations less mysterious.
The remark identifies naming as part of the problem. A word can continue to imply illegitimacy after a stable mathematical framework has made its objects entirely ordinary. The inherited contrast between real and imaginary is unusually effective at misleading newcomers.
The labels nevertheless need chronological and conceptual separation. Cardano's sophistic language belongs to the 1545 experiment. Bombelli uses related language when describing his initial doubts. Descartes's imaginary becomes the durable technical term. Impossible occurs in later discussions with varying force.
Absurd belongs especially to the negative-number history examined in the previous essay. It should not be assigned indiscriminately to mature pure imaginary numbers or projected into a fifteenth-century discussion that concerned something else.
This distinction does not make the histories unrelated. If negative quantities themselves lacked an uncontested interpretation in a framework of ordinary magnitude, their square roots would be still harder to place. But the second difficulty is not merely a stronger emotional reaction to the first.
Why did imaginary remain? We do not have a mathematical congress voting to preserve a bad name. Terminological inertia is a plausible explanation: real and imaginary parts, axes, and quantities became embedded in teaching and research across languages.
That explanation is an inference about linguistic stability, not a documented universal decision. Technical terms also routinely shed part of their everyday meaning. A mathematician using imaginary today does not thereby deny the existence or legitimacy of a complex number.
Changing a term has coordination costs. Textbooks, translations, paired expressions, and reference works have to change together. Removing one misleading implication may not outweigh the practical advantage of a familiar shared vocabulary. That is a reasonable account of persistence, not a proof that nobody ever proposed alternatives.
Chinese terminology requires a separate investigation. Modern xushu and shishu form an imaginary/real pair and share written forms with Japanese technical vocabulary. Shared characters do not establish which language coined a term first or the precise direction of every transfer.
Nineteenth-century Chinese algebra translations preceded some of the later mass borrowing of Japanese technical vocabulary. Sino-Japanese intellectual exchange was not one-way. A responsible first-use claim would require comparison of dated editions, not a guess based on how the compound looks.
This review does not establish a secure first Chinese coiner, first edition, or complete series of competing translations. The absence should remain explicit. It is better to leave a bibliographical question open than to populate it with a plausible famous translator.
The semantic observation can be made more cautiously. Xu carries associations of emptiness or nonactuality that can echo the contrast encoded by imaginary. That may help explain why the term feels misleading to modern learners. It is not evidence of the translator's private intention or of a universal rule that only accurate translations survive.
The previous essay followed old Chinese words for positive and negative into new algebraic settings. Here the exact naming route is less fully established. The asymmetry is part of the evidence, not a defect to conceal by giving both stories matching origin dates.
Gauss's complaint remains pertinent without resolving the etymology of every language. The conceptual system can change faster than its ordinary-language labels. A student may receive an obsolete philosophical hint before learning the modern definition that makes the hint unnecessary.
8. Going Through
The negative quantities of the previous essay often arrived with ready interpretations: debt, loss, or reversed direction. Square roots of negatives presented a different pressure. In important algebraic calculations, intermediate expressions appeared for which no accepted ordinary-magnitude counterpart was available.
The cubic case makes the contrast vivid. The desired roots can all be real. The particular radical representation nonetheless passes through nonreal quantities before returning a real value. The intermediate objects do not have to remain visibly in the final answer to have performed mathematical work.
This is not their only historical role. Cardano's sum-and-product example gives nonreal final solutions in modern terms, and later analysis treats complex quantities as objects of direct investigation rather than merely temporary scaffolding. The detour is an important entry route, not an exhaustive definition.
Nor was everyone compelled to use it or everyone united in refusing its legitimacy. Approximation, geometry, and special factorizations supplied alternatives in various problems. The argument concerns a specific pressure within general algebraic methods, followed by a widening body of uses.
The source's strongest rhetorical version—that for two hundred and fifty years nobody offered any worthwhile explanation—would erase Wallis and the other interpretive efforts already described. What remained absent for much of the interval was a broadly accepted, systematically coordinated account, not every meaningful idea.
Bombelli's rules supplied a disciplined operational foothold. They did not establish a modern consistency theorem. Later geometrical accounts connected the operations with lengths and angles. Pair constructions showed how a system could be explicitly made from real components. These achievements answered different questions.
The distribution of credit therefore should not be collapsed into one inventor. Del Ferro, Tartaglia, Cardano, and Ferrari belong to the history of the equations and their disputed circulation. Bombelli develops the arithmetic at a crucial obstruction. Wessel, Argand, Gauss, Hamilton, and others contribute interpretations, constructions, and dissemination.
Even this list is selective. Its purpose is not to replace one heroic origin story with a slightly longer roll of heroes. It is to show why discovery, demonstration, interpretation, publication, and acceptance have different evidence and dates.
The social settings are equally varied. A university teacher guards a rule; an independent instructor publishes a controversy; a physician organizes a major algebra; an engineer develops nonreal arithmetic; a surveyor supplies a geometrical representation that receives little international attention for decades.
Those occupations are not colorful distractions from the mathematics. They help explain what could be communicated, what was worth keeping secret, and which readers were likely to encounter a publication. But they do not license speculative claims that a marsh engineer's practical worldview caused his abstract innovation.
The philosophical interpretation offered by this series is that successful work can make a conceptual boundary increasingly expensive to maintain. If a useful procedure repeatedly encounters an excluded object, mathematicians may revise the procedure, restrict its claims, or enlarge the domain in which it operates.
In this case, enlargement became exceptionally fruitful. The unfamiliar expressions did not need to be disguised as ordinary positive magnitudes. They could acquire rules, representations, and explicit constructions that explained why the successful operations belonged together.
A pair such as (0,1) is no less definite because it corresponds to what earlier writers called imaginary. A point in a plane is no less available to mathematical reasoning because a historical name still contrasts it with real. The modern account does not vindicate every earlier informal manipulation; it makes their successes and failures easier to distinguish.
The name nevertheless continues to do pedagogical damage. A beginner hears one kind of number called real and another imaginary and may infer that one exists while the other is a useful pretense. The seventeenth-century contrast concerned an accepted kind of magnitude. Modern mathematical existence is not restricted to that category.
Three centuries of conceptual work separate those meanings. The persistence of the word conceals the change until someone explains it. That is why naming belongs to this history, though it cannot replace the history of the operations.
The lesson is not simply that mathematics may imagine anything it likes. New objects require coherent definitions and justified laws. The more interesting claim is that usefulness can disclose where old definitions are too restrictive—and that proving a new system's legitimacy need not consist in forcing it back into the old interpretation.
一 三十道题
1535年初的威尼斯,两个人各出三十道题给对方。
题目封起来,交给一位公证人,约定一个期限,到期交解答。
出题的一方叫菲奥尔。他手上有一件东西:一类三次方程的解法。这套规则来自他的老师,博洛尼亚大学的算术与几何教师希皮奥内·德尔·费罗。德尔·费罗大约在1515年就已经掌握了它,从来没有公开。
这个年份要注意。它是现代数学史的共识,但没有一份署了年份的自笔稿可以把它钉死。结果留下来了,发现的那一天没有。菲奥尔的三十道题,几乎全部押在这同一件东西上。另一方叫塔尔塔利亚。他的三十道题是杂的,各种类型都有。
按照他后来的说法,他在正式收题前不久,终于自己找到了菲奥尔所倚仗的那类方程的通法。然后他在大约两个小时里解完了对方全部三十题。菲奥尔一题也没解出来。这场较量在后世被讲了无数遍,通常的重点是两个天才当场心算。实际发生的事情更接近一次赌注押错。
这场较量的结构很干净。一方把全部筹码押在一个秘密上,另一方把题目做成异质的。秘密一旦被破,局面就在同一天反转。有三件事先摆在这里,这一篇后面还要用很多次。
第一,原始材料上那个日期写的年份比这里早了一年,因为当时威尼斯的一年从三月一日开始。二月还算在上一年里。换成现代的纪年习惯,那是1535年二月。照抄原文的年份,是一个常见的一年误差。
第二,现代故事里流行的赌注是三十顿宴席。近一手材料的措辞并不这么整齐,提到的是荣誉以及按解出题数计算的一些报酬。三十题,封题,公证人,期限,这些都有材料。三十顿宴席没有。
第三,也是最要紧的一条。关于1535年这场较量,最有价值的材料来自塔尔塔利亚十一年后自己整理出版的一本书。他是当事人,也是编者。那么,这套约1515年发现的解法为什么到1535年仍只在少数人手里流传。
没有发现他留下任何一句自述。合理的重建是这样:当时北意大利的应用数学教师,专业声望和公开解题挑战紧紧绑在一起。一项只有自己掌握的方法,可以成为求职,保住职位和挑战对手时的职业资本。在这样的制度里,把一个漂亮的方法当成秘密武器,是经济上可以理解的。
但这是对制度的解释,不是他本人说过的话。现代叙述常常把这个推断再往前写一步,说输了比赛就会自动丢掉教授职位。自动这两个字没有材料撑着。这些人的身份也值得摆一摆。
还有一件事要说在前面。这一整篇里将出现四个互相指控的人,而他们留下的材料极不对称。有人留下了大量自己编排的往事,有人只留下一部印刷的数学书,有人什么也没留下。谁的声音大,和谁说的对,是两回事。
所以下面这两节里,双方都印出来过的东西和只有一方说的东西,会一直分开走。那位藏了二十年的人有大学职位。塔尔塔利亚靠教学,技术著作和公开挑战建立名声。这个名字是绰号,意思是结巴。1512年法军攻进布雷西亚,他随母亲和妹妹躲进大教堂,一个法国兵的刀砍伤了他的下颌和上颚,他从此说话困难。他的第一本书1537年出版,讲的是炮弹怎样飞,书里有最早的射表。他在书前的献辞里说,起初他觉得,把一门伤害邻人,甚至毁灭人类的手艺推向完善,是可耻又残忍的事,于是不但把这方面的研究放下,还把记下的计算和文字撕碎烧掉了。后来他看见狼要闯进羊群,每个牧人都同意要设防,才觉得不该再藏着,把它印了出来。那只狼指的是奥斯曼土耳其。后来出场的卡尔达诺在数学教学,医学,大学和权贵网络之间流动。费拉里的公开较量很快成了他的职业资本。
十六世纪的意大利没有今天这样统一的数学家职业路径。公开较量不是余兴节目,它是找工作的方式之一。
所以不能拿现代的学术规范去反问为什么不马上出版。对1530年代的独立教师来说,公开以后所有竞争者都会拥有它。保留则是一项只有自己能出的题,只有自己能破解的技能资产。
二 一方的文本
1539年,卡尔达诺想要那套规则。
现存材料显示,年初双方先经中间人通信。一月里卡尔达诺方面提过两种方案:可以把规则收进自己的书而署塔尔塔利亚的名,也可以答应保密。塔尔塔利亚最初拒绝,因为他希望以后自己出版。二月的通信继续,语气时软时硬。卡尔达诺还提到米兰的一位权势人物可能愿意见他。塔尔塔利亚终于去了米兰。
按他后来的说法, 1539年三月二十五日,两人在卡尔达诺家中会面。他原想借此见那位权贵,没有见成。他随后把三次方程的规则用诗句的形式传给了卡尔达诺。那首口诀确有文本传世。它不是完整的证明,是处理若干类型三次方程的操作规则。然后是誓言。这里必须把来源摆清楚。
最早保存下来的完整誓言文本,出自塔尔塔利亚1546年的那本书。叙述方是塔尔塔利亚。所述事件是1539年三月二十五日。时间差约七年。没有现存的双方签署的1539年誓约,也没有中立见证人的会议记录。
在他那段戏剧化的对话里,卡尔达诺被写成以神圣的福音和绅士的信义起誓,不但永不出版他告诉自己的发现,而且要把它们写成密码,使自己死后别人也无法理解。塔尔塔利亚随即说,这么多誓言若还不能信,他自己反倒该被视作没有信义的人。有的是塔尔塔利亚七年后把那些誓言记成这样,没有的是卡尔达诺当场说过什么。
卡尔达诺那一边的公开说法,是另一套框架。
1545年的《大术》里,他承认塔尔塔利亚把规则传给了自己,也没有把发现冒充成本人原创。但他首先把这类三次方程的发现权追溯给更早的那位博洛尼亚教授,然后说塔尔塔利亚是在与菲奥尔竞争的背景下独立重新得到它的。他还强调,得到规则以后,自己继续寻找证明,推广到更多情形,而费拉里完成了四次方程。
这套谱系是:德尔·费罗最先,塔尔塔利亚独立再发现,卡尔达诺证明和系统化,费拉里扩展。
有一个时间关系不能弄反。《大术》出版于1545年,比塔尔塔利亚印出完整誓言早一年。所以不能把它当成卡尔达诺对誓言指控的答辩。真正公开还击的是费拉里,从1547年开始。
至于卡尔达诺为什么认为自己可以出版,传统叙事说, 1543年前后他和费拉里去了博洛尼亚,见到德尔·费罗已故之后留下的女婿,查看了留下的材料,由此确认塔尔塔利亚不是最早发现的人。
这次核查的大框架现代数学史通常接受。但哪一天到的博洛尼亚,摊开了哪一本笔记,谁站在房间里,这些主要靠后来争论中的说明保存,不应该全部倒灌回1545年的正文。那本被说成由女婿保管的原始笔记,今天并没有作为完整的自笔档案留下来。一场核查决定了一个人有没有权利出版一个公式,而被核查的那本笔记本身没有传下来。两边的伦理逻辑都站得住。
卡尔达诺一方的意思是:自己答应保守的是塔尔塔利亚的秘密。既然同一个发现原来由另一个人更早独立取得,那么不能由塔尔塔利亚永久垄断一个本不属于他独占优先权的结果。而且费拉里的四次方程方法必须调用三次方程,继续不出版也会压住费拉里的独立成果。
塔尔塔利亚一方的意思是:保密的誓言约束的是卡尔达诺本人,无论别人是否更早独立发现,都没有取消这个私人承诺。后世也常把前一种理由理解成一个伦理上的漏洞,而不是一条无争议的解除条款。
1547年到1548年,费拉里发出六份公开挑战书,塔尔塔利亚印出六份答复。十二份印刷品,双方交换的六十二道题,现代有影印整理本完整保存。
所以这场公开骂战不是后世编的。那十二份东西当时就印出来了,今天逐字都在。最终的会面通常定在1548年八月十日的米兰。数学史研究总体认为费拉里占了明显上风,塔尔塔利亚随后离开。
但最容易被影视化的那些现场细节,材料都撑不住。教堂挤满市民,总督亲自主持或者充任裁判,费拉里带着大批拥趸而塔尔塔利亚只有兄弟陪同,第一天结束就连夜离城,这些不是一份中立的会议纪要能逐项确认的。可靠的现代叙述甚至明确提醒,关于正式比赛的经过,掌握的材料极少,而且主要依靠塔尔塔利亚本人一份简短而可疑的事后记载。
这一整节要说的其实是一件事。印刷改变了争议的证据形态。
以前某人对我说过什么,会随着口述消失。现在指控,侮辱,数学题和日期可以被复制,寄送,保存,并在四百年后逐字比较。卡尔达诺不可能在1546年看见对方的书之后,回到1545年偷偷修改第一版。塔尔塔利亚也无法让1546年的指控自动变成1539年当场形成的文件。印刷给出的是一个可以公开审计的时间锚点。
不过印刷并没有自动创造现代那种论文优先权制度。手稿仍然可以早于印刷,秘密的口授仍然可以构成发现史上的证据,出版者标的年份还要结合当地的历法。它带来的是可公开比对的版本与日期见证;重印、版次、刊误和历法仍须由书目学辨别。
于是这场纠纷最奇妙的一点出现了。
这个不对称还有一层。骂战之所以保存得好,恰恰因为它是骂战。那十二份东西本来就是印出来给人看的。而誓言之所以只剩一方的版本,恰恰因为它是私下的。公开的争吵留下证据,私下的承诺不留。
所以后人对这件事的了解,形状是歪的。最吵的部分最清楚,最关键的部分最模糊。
关于双方的公开骂战,后人知道得非常多,十二份印刷品逐字俱在。而关于最关键的那次私人誓言,只有一方七年后的文本。
三 十三种
《大术》全书四十章, 1545年在纽伦堡印行。
它把三次方程拆成很多种。第十一到二十三章逐类处理十三种三次方程。四次方程也被拆成多种形式。这不是因为作者不知道它们今天可以统一写成一个式子。
上一篇说过,那个时代的代数没有把正负系数统一当成同一种数来处理。一个量从等号左边移到右边,在现代只是改变符号。在当时,它可能意味着进入另一个方程种类。上一篇里那六类,这一篇里这十三种,是同一道墙的两个面。上一篇说过,那六类不是六条规则,是一道墙的六个面。这里是同一道墙,面更多,因为次数更高。
而这道墙再过几十年就要被另一件事撞出一个洞,洞在别处,不在这里。
这一节先把墙立起来,下一节再说那个洞。
如果先入为主地把现代那种带正负系数的多项式投回1545年,就会误以为作者在故意重复。实际情况恰好相反:负数还没有完全成为系数体系里的普通成员,所以形式必须用加在哪一边的语言拆开。这本书里有一段特别有名,在第三十七章。问题看起来极简单:把十拆成两部分,使两部分的乘积等于四十。实数范围内做不到。两部分的和是十,积最大只能是二十五。
他照着二次方程的办法处理下去,得到两个互相配对的对象。各自有一个五,另有一正一负的,来源于负十五的平方根的部分。用现代的语言说,就是五加负十五的平方根,以及五减负十五的平方根。真正重要的是他的态度。他没有把它扔掉。
这里值得停一下。一个可以直接说此题无解的地方,他选择了继续算。他说,尽管这是诡辩式的东西,仍然要做运算。然后他把两个对象相乘,形式上的运算确实回到了四十。
两部分的和是十,这一条他让它成立。两部分的积是四十,这一条他也让它成立。代价是那两个部分不是数。
于是他得到了一对满足全部条件的东西,只是不知道它们是什么。上一篇里那个虚构的身份,就是在这一类时刻被发明出来的。它不解决问题,它只是让问题可以先放在桌上。而放在桌上这件事,后来被证明是关键的一步。扔掉的东西不会自己回来。
英译里有一句常被译成撇开心智的折磨,大意是撇开由此引起的精神拷问,然后继续乘下去。结尾那句著名的评语是,这种算术的精微最终精微到了极处,也无用到了极处。他的行为比他的评语前卫得多。嘴上说它无用,手却已经按代数规则把它算完了。
这个动作在上一篇里出现过一次,形态一样。有人称负数为虚构,同时把它纳入方程技术。虚构这个词不是把东西赶出去,是给它安排一个可以留下来的身份。诡辩这个词在这里起的是同一种作用。
但这里有一个常见的错置。这个把十分成两部分的例子是一道二次问题。它不是他已经靠负数的平方根解决了三次方程的例子。那道墙在别处,而且他很早就撞上过。而且撞上它的时候,那套规则他刚拿到不久。一个人刚拿到一件秘密武器,就发现它在某些地方会卡住,而传给他武器的那个人告诉他是他自己操作错了。
塔尔塔利亚后来刊出的1539年通信里,卡尔达诺在拿到口诀之后很快拿一些例子检验规则,其中一个例子按现代的判断正好落在最麻烦的那一类。他向塔尔塔利亚提出疑问,对方的回信认为是他的操作出了问题,并且表现出越来越强的后悔和警惕。也就是说,早在1539年,他已经撞到了那套规则会失灵的地方。
但1545年的书里有一个经常被流行数学史写错的事实:他并没有在三次方程那几章里,用这类对象成功完成那种情形。书中确有今天会产生三个实根的三次方程,而当他的根式规则会迫使平方根下出现负数时,他没有照着公式继续走下去。
所以要把三件事分开。
他知道有一道墙。他也曾在别的问题上伸手碰过墙后面的运算。真正把这种运算系统地带回三次方程那种情形的人,是另一个人。
四 不可约情形
现在写清楚那道墙是什么。这一段不需要任何符号。先把一般的三次方程换元,去掉平方项。那套办法的关键一步,不是直接去猜最终答案,是假定所求的根可以拆成两个辅助量的和。
经过整理,这两个辅助量必须同时满足两个条件:它们的乘积由原方程确定,它们各自的立方相加也由原方程确定。
于是问题降了一级。这两个立方的值,恰好是一道普通二次问题的两个答案。
现在出现分岔。
当原来的三次方程只有一个实根时,这道辅助的二次问题通常给出两个实数。分别取立方根,再相加,一切仍然留在实数里面。
而当原三次方程有三个彼此不同的实根时,辅助二次问题的判别状况恰好翻转。它的两个答案不再是实数。要算它们,必须先取一个负数的平方根。明明最终所求的三个答案全都落在实数线上,而那条根式的道路在中途被迫离开了实数线。这不是算术上的偶然事故,也不是选错了正负号。换个方向也没有用。这条路只有这一条。
两个中间量形成今天所谓的一对共轭。分别取适当的立方根之后,又得到一对配对的量。把它们相加,非实的部分彼此抵消,于是重新得到实数。选择另外两套彼此协调的立方根,就会得到另外两个实根。非实的中间量并没有污染答案。它们恰恰是把三个真实答案同时编码起来的结构。
所以这一情形最有戏的地方是三句话。
问题没有虚假的答案。三个答案全是真实的。可是用当时最新的代数通法去够它们,路径却必须穿过一种当时没有合法身份的对象。上一篇里的负数是从债务和方向里长出来的,它至少有一个现成的反面可以指。这一个什么也指不到。而且不用它就拿不到答案。更准确地说:不用它,用那条路就拿不到答案。这个限定很重要,下一段就要处理它。
这句话也有它的边界。
说那套公式在三个不同实根的情况下会出现负数的平方根,是正确的。说任何方法都必须使用这类对象,则太强。后来可以用三角函数只在实数范围内表达这些根。
更严格的说法要到十九世纪才有。当一个有理系数的三次多项式在有理数范围内不可约,同时又有三个实根时,不可能只靠实数范围里的普通平方根和立方根把它们写出来。这个证明出现在1843年。那个不可约的条件少不了。如果三次式本身已经有一个有理根,可以先分解,当然可能绕开那条路。
所以实际的情形是这样:在那一类情形里,沿着当时那条路走,必须经过它。而这条路是当时新近获得的一条重要通用代数路线,并不是所有求根方法中唯一可行的一条。三百年后才有人证明,换一条同类的路也绕不开。
五 一个工程师
把这件事做成的人叫拉斐尔·邦贝利, 1526年在博洛尼亚受洗, 1572年去世。
邦贝利没有走大学数学教授那条路。他是在工程,测量和水利的世界里长起来的,跟随一位建筑师兼工程师学习,而那位老师曾为教廷的财政机关做排水和土地工程。
邦贝利最有材料可写的项目是托斯卡纳一片沼泽和土地的整治。1549年前后他的赞助人拿到开发权,到1551年已经有他参与土地边界记录和工程事务的文书。工程在1555年前后中断,后来恢复, 1560年前完成了重要阶段。这些工作让他得到了水利工程师的名声。1561年他还在罗马参与过修复台伯河上一座桥的工程尝试,后来又给另一片沼泽的排水项目做过咨询。
把他简单称为业余数学家,反而会丢掉最要紧的一点。他是一个以土地,水流,边界和工程项目谋生的人,却写出了十六世纪最大胆的抽象代数之一。
这两件事之间没有明显的因果,不必硬找。但有一点可以说:一个天天要给一片沼泽定出边界的人,对什么叫一个东西确实在那里,大概有他自己的标准。
那本书也不是1572年突然写成的。工程暂缓的1550年代中期他开始动笔,大约1557年已经在写,原计划五卷。1572年先出版了前三卷,后两卷几何部分没有正式出版,未刊的手稿要到1923年才被重新发现, 1929年整理刊出。邦贝利自己知道读者会觉得他在做疯事。
他在讨论那类三次方程的时候说,许多人会觉得他的想法离奇,放肆,不守常规。他承认自己起初也认为这种东西与其说是真的,不如说更像诡辩。诡辩这个词,二十七年前卡尔达诺用过一次。
而他还警告读者,这一部分必须使足心智的力量,否则非常容易被迷惑。二十七年前那一位说的是撇开心智的折磨。两个人隔着二十七年,用的是同一类词。
这一点比它看上去重要。两个立场相反的人,一个称它无用,一个为它立规则,而他们描述自己面对它时的心理状态,用的是同一组词。那个东西给人的感觉,二十七年没有变。差别在于后一位没有停。他反复研究之后发现可以给出一致的运算和证明,于是决定继续。他做的事情分三步。
第一步,他不再把负数的平方根当成一个坏掉的普通根号。他给两种基本对象专门取了名字,直译大致是负之正和负之负。它们大体对应后来的一正一负两个虚单位,而他当然没有今天的字母记号。
第二步,他给出成套的运算规则。普通的正量,负量,和这两种对象相乘时该得到哪一种。两个同向的相乘会变成普通的负量,一正一反相乘则变成普通的正量。加减的时候,普通部分与普通部分合并,那一类部分与同类部分合并。换句话说,他第一次不只是容忍这些对象,而是给了它们一张乘法表。
给一张乘法表,和给一个定义,是两件不同的事。定义要回答它是什么,乘法表只回答它怎么算。他给的是后者。而在接下来的两百多年里,数学家手上有的也一直只是后者。
这条分界在这个系列里已经出现过。第五篇里那位注者停在球体积上,是因为他连算法都还没有。这里相反:算法有了,而且可靠,缺的是对象。
第三步是历史的核心。他选了一个已知实根是四的例子。按那套办法算下去,中间会得到一对配对的非实量,而每一个还要再开立方。前面的问题就卡在这里:一个负数的平方根已经够奇怪,怎么给一个带着负平方根的数开立方。他作了一个大胆的假定。那个复杂的立方根本身,也许仍然可以写成一个普通数,加上一个简单的同类对象。
然后他没有靠直觉硬猜。他把这个假定整体立方,按照自己制定的运算表展开,再把普通部分和非实的部分逐项比较。结果,一边的立方根可以写成二加一个单位的那种对象,另一边恰好是它的配对者,二减同一个对象。两者相加,非实的部分完全抵消,留下的正是四。
这一步的说服力不在于答案对。答案本来就知道是四。说服力在于:从头到尾每一步都按他自己定的规则走,中间没有一处需要额外的许可,而最后它自己关上了。
于是这件事第一次清楚地呈现出来。
负平方根不是错误的标志。中间结果可以不是实数。两个这样的中间结果完全遵守代数规则。最后它们共同产生一个早已知道确实存在的实根。他没有提供现代的复数理论,没有复平面,更没有现代数域的定义。他证明的是另一件在观念史上更实际的事情:这些对象可以组成一种不会随意崩溃的计算语言。
不会随意崩溃这几个字是要紧的。一个新对象最容易死在哪里,不是死在没人相信,是死在算到某一步就自相矛盾了。他通过一套规则与成功算例显著降低了这种疑虑,但没有给出后来意义的整体相容性证明。对象的系统解释仍待发展。至于这本书当时有多少人读到,报不出数字。没有可靠的首版印数,也没有一本销量账簿传下来。
接受史本身也有争论。一条传统强调它极重要,因为运算已经十分完整,后来重要的数学家读过并给予高度评价。另一条传统指出,它在十六,十七世纪的实际流传和直接影响,并没有后世的经典地位所暗示的那么大。
所以实际发生的是:他在1572年做出的事,并没有使欧洲数学界从第二天起集体承认这类对象。能证明书存在,能证明后来重要的数学家读到了它。却不能由后世的地位倒推出1570年代有一个庞大的读者群。发明和接受必须分开。一本书可以在还没有读者的时候就已经是对的。
六 两百五十年
从1572年到十九世纪初,最准确的概括不是这类对象被拒绝了两百五十年。是:使用先于本体上的安心。
数学家越来越频繁地把负数的平方根当作形式工具使用。十七,十八世纪,方程论,对数,三角函数,无穷级数逐渐把它们拖进越来越多的计算。到某个阶段,不用它们进行某些分析计算反而更笨重。1748年欧拉把指数函数和三角函数通过复参数联系起来,是一个著名的节点。与此同时,它究竟是什么仍然令人不安。
所以同一个数学家完全可能在一页把它叫作不可能的,在下一页又熟练地利用它。这不是逻辑上的人格分裂。它反映的是早期现代数学里,运算的合法性和对象的存在资格还没有绑在一起。上一篇的第七节说过同一件事,只是那里的对象是负数。这一篇的灰区更长,也更黑。名字出现在1637年。
笛卡尔在《几何学》第三卷讨论方程的根,写道所谓的真根和假根并不总是实的,有时只是想象出来的:虽然可以按方程的次数想象出那么多个根,但有时并没有一个量与所想象的东西相对应。
所以这个词最初的语境确实带着降格的意味。它与实的相对,意思是能想象出来,却未必有对应的量。
这个对照要看清楚。他没有说它是错的,也没有说它算不出结果。他说的是:没有量与它相对应。在一个数还必须是某种量的体系里,这句话等于说它不是数。
不过说他用这个词纯粹是在骂它,也略嫌现代化。更精确的说法是:这个词在他的语境里表示本体地位不足,不是赞美。而它的贬抑来自只有想象而无对应量的对比,不是一句情绪化的辱骂。
这也解释了这一篇的题目为什么在历史上是准确的。最初不是后人浪漫地说数学家的想象力创造了新世界,而更接近:你可以想象有这种根,可实际没有相应的量。
1685年的沃利斯已经在为这类量寻找几何解释。他从有向线段和几何比例出发,尝试把负数的平方根放进平面里的垂直方向去理解。他自己开篇就说这些量通常被称作想象的量,说明这个术语此时已经进入英语的数学用语。上一篇里那个既画出双向直线,又相信负数是越过无穷之后的区域的人,就是他。
为什么通常不把他称作复平面的创立者。因为他没有建立后来那种完整的一一对应。不是仅仅某个负平方根可以画成一条垂直线,而是要让每一个由实部和非实部组成的数都对应平面中的点或者有向线段,并且加法,乘法,长度与转角都与代数运算一致。他有关键的几何直觉,没有完成这个闭合的系统。
这一层区分在数学史里反复出现:看见一个东西的样子,和把它安置进一套完整的对应关系,差得很远。
莱布尼茨大量使用这些量,并留下过把它们形容成介于存在与不存在之间的奇特措辞。这种态度不是拒绝计算,是拒绝过早回答它是什么。
关于那个虚单位的字母,要区分写成时间和出版时间。通常把这个记号的系统采用归功于欧拉1777年完成的一篇论文,而论文直到1794年才出版。
欧拉也不是从此从不犯错。十八世纪还没有建立现代的分支规则,他有时把只对非负实数安全成立的一条平方根规则搬到两个负数上,于是出现符号错误。
所以不要把历史写成前人不会算,欧拉一来就全部正确。邦贝利在某些符号规则上反而非常谨慎。
一个人对一件东西越熟,越容易在它身上用错一条从别处搬来的规则。一个人对一件东西越陌生,反而每一步都要停下来想。真正把它画出来的第一个人,是一位测量师和制图师。
他1797年把论文提交给丹麦皇家科学院, 1799年以丹麦文出版,系统地把有方向和长度的有向线段与这类量联系起来:加法对应首尾相接,乘法把长度相乘,方向角相加。这已经极接近现代的复平面。而他提供了一个极好的反例,说明正确的发现和被接受不是同一件事。
他的论文发表在国际读者很少注意的丹麦科学院刊物上,语言又是丹麦语。它几乎沉寂了一个世纪。十九世纪末才因为丹麦的数学史研究重新被注意, 1897年有了法译本,优先权才得到国际承认。
1806年另有一人独立印行一册小书,给这类量以平面几何的表示。他不是著名的学院教授,初版也是私人的小规模出版,开始同样没有立即轰动。1813年前后相关材料在一份数学年刊里重新进入公共讨论,他的方法由此比前一位更直接地进入了法国的数学网络。
高斯的情况最复杂。他1799年的博士论文已经在代数学基本定理的问题里接近这个世界,而且他显然早就掌握相关的几何直觉。但真正公开而明确的声明出现在1831年。在那里他让形如一个实整数加上另一个实整数乘虚单位的对象成为算术本身的对象。
哈密顿在1830年代走了一条与几何解释互补的路线。与其问负一的平方根到底存在在哪里,不如从一开始就把这类数定义成两个实数构成的一对。
他在1833年前后提出这个想法, 1837年发表了成熟的版本。两个这样的数对相加,就分别把第一成员和第二成员相加。乘法则定义成一种特殊的数对乘法,使第二个方向的单位乘自己恰好产生负的一。这样,所谓的虚单位不需要先作为一个神秘的平方根存在。它只是数对体系里的一个特定元素。
这件事比画一根垂直轴更深一层。几何告诉你怎样看它,这种构造告诉你可以仅凭已经接受的实数和明确的运算法则把它造出来。那么几何解释究竟是接受的原因,还是接受之后的结果。这个问题值得问,因为通俗叙述几乎一律写成:大家不相信,后来有人画了复平面,从此大家相信了。
时间线本身就反驳了单线因果。邦贝利1572年已经在算,沃利斯1685年尝试解释,十八世纪它已经进入三角和分析的核心操作。这些全都发生在那个完整的平面表示出现之前。反过来,那位测量师也证明了画出来本身不会自动产生接受:他的完整几何解释几乎被忽略了一个世纪。
所以比较符合今天数学史研究的表述是:几何化既是长期使用的结果,也是进一步合法化的原因之一。先有两百多年它算得动。再逐渐得到它可以画,可以定义,可以作为完整数系一员的多重回答。这个次序和上一篇里负数那一段几乎一样,只是时间更长,而且中间那两百年更黑。
负数已有债务和方向等解释可借。非实量在这两百多年里也出现过几何解释的尝试,但尚未形成广泛接受而系统协调的说明。
七 直接,逆向,侧向
1831年,高斯在那篇文章里抱怨了一件事。
他说,过去如果不用正,负,想象,甚至不可能这些笨拙的词,而把三个基本方向想成比方说直接,逆向,侧向的单位,那么围绕这些对象的神秘黑暗几乎不会产生。
也就是说,到1831年,欧洲最权威的数学家之一已经在指出:问题的一部分不是这些量太荒谬,而是数学家给它们取的名字一直暗示它们荒谬。
上一篇的最后一节说过,许多语言最初都不是从一个中性的类别名去命名负数,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。
这一篇的名字比那一篇更刺眼,因为它直接说这东西是想出来的。而且这些名字要分清楚,不能揉成一张单子。诡辩式的,出自1545年的卡尔达诺。邦贝利后来也用过同一个词,说自己起初觉得这种东西更像是在诡辩。想象的,出自1637年的笛卡尔。这是后来真正固定下来的名称。
不可能的,在十七,十八世纪逐渐常见。高斯1831年回顾旧术语的时候,把想象的和甚至不可能的并列为造成黑暗的老名称。荒谬的,必须小心。上一篇处理过的那个传统里,荒谬的数主要用于负数或者负的解,而不是成熟意义上的纯虚数。说十五世纪的数学家把虚数叫作荒谬数,就是把负数的接受史偷换成了这一篇的接受史。
不过这个区分本身可以变成一句很好的历史陈述。连负数都还常被叫作荒谬的时候,负数的平方根当然更没有现成的席位。为什么这个名字后来没有换掉。
没有一次数学大会投票决定保留这个坏名字。比较可信的解释是术语的惯性:等到这个名称的哲学误导被充分认识的时候,它已经嵌进了各国的教材,实部与虚部,实轴与虚轴,以及大量专业文献。技术词一旦固定,通常就不再完全服从普通语言的字义了。
而且换名字这件事从来不是数学问题。要换掉它,得动教材,动符号,动几十种语言里已经配好的成对词。收益是消除一个误导,成本是重排一个已经运转的系统。没有人来做这笔交易。至于汉语这一侧,这一篇必须留一个缺口。
在可以核到的材料里,找不到足以确定虚数这两个字究竟由哪一位中文译者,哪一年,哪一本书第一次定名的证据。
可以稳妥确认的只有:现代汉语的虚数与实数成对,而它与日语的同类术语同形。晚清到明治之间,中日的西学术语存在大量双向流动。
但同形本身不能证明这个词一定是日本先造再传中国。十九世纪中叶中国已有西方代数学的翻译活动,上一篇提到的那一批人的数学译书,早于晚清大规模输入日本新名词。所以这个术语尤其需要逐本查首版,不能根据看起来像日语汉字词就倒推来源。上一篇也留过两个同样的缺口。那里是负数有没有竞争译名,以及相反数的来历。
这两篇里的四处空白,与其补一条看起来完整的谱系,不如写成查不到。
不过有一件事可以说。虚这个字比单纯的想象更进一步,它带着空,非实,未实有的古典汉语色彩。欧洲那个原词的贬抑历史,被这个汉字接得非常准。一个译名如果译得不准,通常会在使用中被磨掉。这一个准到把原词的毛病也一起译了过来。
八 走过去
把这一篇和上一篇并排看,会发现两个对象进入数学的方式完全不同。
负数是被推进来的。它在算法的中间过程里自然出现,在账簿里有对应的现实,在方向上有一个现成的反面可以指。争的是它有没有资格当一个数,而不是它有没有用。这一个是被逼进来的。
没有人想要它。它在任何地方都没有对应的量。笛卡尔给它取名字的时候,明确说的就是没有量与它相对应。
可是在三次方程最尴尬的那一类情形里,三个答案全都是实的,而通往它们的那条路必须从这里过去。不是虚数帮助数学家找到了一个虚假的根。恰恰相反,它首先是作为通往三个实根的中间道路出现的。这个形状值得记住,因为它和前面几篇都不一样。
第三篇里那个缺口,两千年没有人看见。第四篇里那个自述,是当事人主动写下来的。第七篇里那个对象,有人抵抗,有人辩护,而抵抗有论证。
这一篇里的东西,是一个所有人都不承认,所有人又都绕不开的中转站。上一篇里那个东西至少还能指着一笔债说这就是我。这一个指不出任何东西。而且这个中转站不在终点,也不在起点。它在路中间,进去要出来,出来之后它就不见了。
这一点让它比负数更难辩护。负数至少可以留在答案里,让人指着它问这是什么。这一个连留都不留。一个只在中途出现,最后自己消失的东西,要怎么论证它存在。两百多年里不断有人给出局部解释,也有越来越多的数学家使用它,但系统解释与普遍接受并未同时到来。最后得到的三个答案里,一点它的痕迹也没有。它被使用了两百多年,而在这两百多年里,它一直没有一个像样的身份。
能算,算得对,反复算都对,就是说不出它是什么。两百多年里,数学家对它的全部把握就是这一句。
上一篇结尾引过一句话: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。说这句话的人生活在十九世纪,而他看到的最好的例子就在这里。先是邦贝利给了它一张乘法表,证明它至少不会随意崩溃。而这个人白天在沼泽地里记土地边界。然后有人试着把它画出来,但画出来的那个人被忽略了一百年。
然后有人把它定义成两个实数构成的一对,于是它不必先作为一个神秘的平方根存在。
最后有人指出,麻烦的一部分在于这个名字。而那个名字到今天也没有换。每一个第一次听说实数和虚数的学生,都会先从这两个词里收到一个暗示:一边是真的,一边是假的。那个暗示是十七世纪留下的,而且当时说的就是这个意思。只不过说这话的人指的是没有对应的量,而学生听到的是不存在。两者之间差了三百年的数学。
数还在往下算,而什么算数学,还没有算清楚过。
一 三十道題
1535年初的威尼斯,兩個人各出三十道題給對方。
題目封起來,交給一位公證人,約定一個期限,到期交解答。
出題的一方叫菲奧爾。他手上有一件東西:一類三次方程的解法。這套規則來自他的老師,博洛尼亞大學的算術與幾何教師希皮奧內·德爾·費羅。德爾·費羅大約在1515年就已經掌握了它,從來沒有公開。
這個年份要注意。它是現代數學史的共識,但沒有一份署了年份的自筆稿可以把它釘死。結果留下來了,發現的那一天沒有。菲奧爾的三十道題,幾乎全部押在這同一件東西上。另一方叫塔爾塔利亞。他的三十道題是雜的,各種類型都有。
按照他後來的說法,他在正式收題前不久,終於自己找到了菲奧爾所倚仗的那類方程的通法。然後他在大約兩個小時裡解完了對方全部三十題。菲奧爾一題也沒解出來。這場較量在後世被講了無數遍,通常的重點是兩個天才當場心算。實際發生的事情更接近一次賭注押錯。
這場較量的結構很乾淨。一方把全部籌碼押在一個秘密上,另一方把題目做成異質的。秘密一旦被破,局面就在同一天反轉。有三件事先擺在這裡,這一篇後面還要用很多次。
第一,原始材料上那個日期寫的年份比這裡早了一年,因為當時威尼斯的一年從三月一日開始。二月還算在上一年裡。換成現代的紀年習慣,那是1535年二月。照抄原文的年份,是一個常見的一年誤差。
第二,現代故事裡流行的賭注是三十頓宴席。近一手材料的措辭並不這麼整齊,提到的是榮譽以及按解出題數計算的一些報酬。三十題,封題,公證人,期限,這些都有材料。三十頓宴席沒有。
第三,也是最要緊的一條。關於1535年這場較量,最有價值的材料來自塔爾塔利亞十一年後自己整理出版的一本書。他是當事人,也是編者。那麼,這套約1515年發現的解法為什麼到1535年仍只在少數人手裡流傳。
沒有發現他留下任何一句自述。合理的重建是這樣:當時北意大利的應用數學教師,專業聲望和公開解題挑戰緊緊綁在一起。一項只有自己掌握的方法,可以成為求職,保住職位和挑戰對手時的職業資本。在這樣的制度裡,把一個漂亮的方法當成秘密武器,是經濟上可以理解的。
但這是對制度的解釋,不是他本人說過的話。現代敘述常常把這個推斷再往前寫一步,說輸了比賽就會自動丟掉教授職位。自動這兩個字沒有材料撐著。這些人的身份也值得擺一擺。
還有一件事要說在前面。這一整篇裡將出現四個互相指控的人,而他們留下的材料極不對稱。有人留下了大量自己編排的往事,有人只留下一部印刷的數學書,有人什麼也沒留下。誰的聲音大,和誰說的對,是兩回事。
所以下面這兩節裡,雙方都印出來過的東西和只有一方說的東西,會一直分開走。那位藏了二十年的人有大學職位。塔爾塔利亞靠教學,技術著作和公開挑戰建立名聲。這個名字是綽號,意思是結巴。1512年法軍攻進佈雷西亞,他隨母親和妹妹躲進大教堂,一個法國兵的刀砍傷了他的下頜和上顎,他從此說話困難。他的第一本書1537年出版,講的是炮彈怎樣飛,書裡有最早的射表。他在書前的獻辭里說,起初他覺得,把一門傷害鄰人,甚至毀滅人類的手藝推向完善,是可恥又殘忍的事,於是不但把這方面的研究放下,還把記下的計算和文字撕碎燒掉了。後來他看見狼要闖進羊群,每個牧人都同意要設防,才覺得不該再藏著,把它印了出來。那只狼指的是奧斯曼土耳其。後來出場的卡爾達諾在數學教學,醫學,大學和權貴網絡之間流動。費拉里的公開較量很快成了他的職業資本。
十六世紀的意大利沒有今天這樣統一的數學家職業路徑。公開較量不是餘興節目,它是找工作的方式之一。
所以不能拿現代的學術規範去反問為什麼不馬上出版。對1530年代的獨立教師來說,公開以後所有競爭者都會擁有它。保留則是一項只有自己能出的題,只有自己能破解的技能資產。
二 一方的文本
1539年,卡爾達諾想要那套規則。
現存材料顯示,年初雙方先經中間人通信。一月裡卡爾達諾方面提過兩種方案:可以把規則收進自己的書而署塔爾塔利亞的名,也可以答應保密。塔爾塔利亞最初拒絕,因為他希望以後自己出版。二月的通信繼續,語氣時軟時硬。卡爾達諾還提到米蘭的一位權勢人物可能願意見他。塔爾塔利亞終於去了米蘭。
按他後來的說法, 1539年三月二十五日,兩人在卡爾達諾家中會面。他原想借此見那位權貴,沒有見成。他隨後把三次方程的規則用詩句的形式傳給了卡爾達諾。那首口訣確有文本傳世。它不是完整的證明,是處理若干類型三次方程的操作規則。然後是誓言。這裡必須把來源擺清楚。
最早保存下來的完整誓言文本,出自塔爾塔利亞1546年的那本書。敘述方是塔爾塔利亞。所述事件是1539年三月二十五日。時間差約七年。沒有現存的雙方簽署的1539年誓約,也沒有中立見證人的會議記錄。
在他那段戲劇化的對話裡,卡爾達諾被寫成以神聖的福音和紳士的信義起誓,不但永不出版他告訴自己的發現,而且要把它們寫成密碼,使自己死後別人也無法理解。塔爾塔利亞隨即說,這麼多誓言若還不能信,他自己反倒該被視作沒有信義的人。有的是塔爾塔利亞七年後把那些誓言記成這樣,沒有的是卡爾達諾當場說過什麼。
卡爾達諾那一邊的公開說法,是另一套框架。
1545年的《大術》里,他承認塔爾塔利亞把規則傳給了自己,也沒有把發現冒充成本人原創。但他首先把這類三次方程的發現權追溯給更早的那位博洛尼亞教授,然後說塔爾塔利亞是在與菲奧爾競爭的背景下獨立重新得到它的。他還強調,得到規則以後,自己繼續尋找證明,推廣到更多情形,而費拉里完成了四次方程。
這套譜系是:德爾·費羅最先,塔爾塔利亞獨立再發現,卡爾達諾證明和系統化,費拉里擴展。
有一個時間關係不能弄反。《大術》出版於1545年,比塔爾塔利亞印出完整誓言早一年。所以不能把它當成卡爾達諾對誓言指控的答辯。真正公開還擊的是費拉里,從1547年開始。
至於卡爾達諾為什麼認為自己可以出版,傳統敘事說, 1543年前後他和費拉里去了博洛尼亞,見到德爾·費羅已故之後留下的女婿,查看了留下的材料,由此確認塔爾塔利亞不是最早發現的人。
這次核查的大框架現代數學史通常接受。但哪一天到的博洛尼亞,攤開了哪一本筆記,誰站在房間裡,這些主要靠後來爭論中的說明保存,不應該全部倒灌回1545年的正文。那本被說成由女婿保管的原始筆記,今天並沒有作為完整的自筆檔案留下來。一場核查決定了一個人有沒有權利出版一個公式,而被核查的那本筆記本身沒有傳下來。兩邊的倫理邏輯都站得住。
卡爾達諾一方的意思是:自己答應保守的是塔爾塔利亞的秘密。既然同一個發現原來由另一個人更早獨立取得,那麼不能由塔爾塔利亞永久壟斷一個本不屬於他獨佔優先權的結果。而且費拉里的四次方程方法必須調用三次方程,繼續不出版也會壓住費拉里的獨立成果。
塔爾塔利亞一方的意思是:保密的誓言約束的是卡爾達諾本人,無論別人是否更早獨立發現,都沒有取消這個私人承諾。後世也常把前一種理由理解成一個倫理上的漏洞,而不是一條無爭議的解除條款。
1547年到1548年,費拉里發出六份公開挑戰書,塔爾塔利亞印出六份答復。十二份印刷品,雙方交換的六十二道題,現代有影印整理本完整保存。
所以這場公開罵戰不是後世編的。那十二份東西當時就印出來了,今天逐字都在。最終的會面通常定在1548年八月十日的米蘭。數學史研究總體認為費拉里佔了明顯上風,塔爾塔利亞隨後離開。
但最容易被影視化的那些現場細節,材料都撐不住。教堂擠滿市民,總督親自主持或者充任裁判,費拉里帶著大批擁躉而塔爾塔利亞只有兄弟陪同,第一天結束就連夜離城,這些不是一份中立的會議紀要能逐項確認的。可靠的現代敘述甚至明確提醒,關於正式比賽的經過,掌握的材料極少,而且主要依靠塔爾塔利亞本人一份簡短而可疑的事後記載。
這一整節要說的其實是一件事。印刷改變了爭議的證據形態。
以前某人對我說過什麼,會隨著口述消失。現在指控,侮辱,數學題和日期可以被複製,寄送,保存,並在四百年後逐字比較。卡爾達諾不可能在1546年看見對方的書之後,回到1545年偷偷修改第一版。塔爾塔利亞也無法讓1546年的指控自動變成1539年當場形成的文件。印刷給出的是一個可以公開審計的時間錨點。
不過印刷並沒有自動創造現代那種論文優先權制度。手稿仍然可以早於印刷,秘密的口授仍然可以構成發現史上的證據,出版者標的年份還要結合當地的曆法。它帶來的是可公開比對的版本與日期見證;重印、版次、刊誤和曆法仍須由書目學辨別。
於是這場糾紛最奇妙的一點出現了。
這個不對稱還有一層。罵戰之所以保存得好,恰恰因為它是罵戰。那十二份東西本來就是印出來給人看的。而誓言之所以只剩一方的版本,恰恰因為它是私下的。公開的爭吵留下證據,私下的承諾不留。
所以後人對這件事的瞭解,形狀是歪的。最吵的部分最清楚,最關鍵的部分最模糊。
關於雙方的公開罵戰,後人知道得非常多,十二份印刷品逐字俱在。而關於最關鍵的那次私人誓言,只有一方七年後的文本。
三 十三種
《大術》全書四十章, 1545年在紐倫堡印行。
它把三次方程拆成很多種。第十一到二十三章逐類處理十三種三次方程。四次方程也被拆成多種形式。這不是因為作者不知道它們今天可以統一寫成一個式子。
上一篇說過,那個時代的代數沒有把正負系數統一當成同一種數來處理。一個量從等號左邊移到右邊,在現代只是改變符號。在當時,它可能意味著進入另一個方程種類。上一篇裡那六類,這一篇裡這十三種,是同一道牆的兩個面。上一篇說過,那六類不是六條規則,是一道牆的六個面。這裡是同一道牆,面更多,因為次數更高。
而這道牆再過幾十年就要被另一件事撞出一個洞,洞在別處,不在這裡。
這一節先把牆立起來,下一節再說那個洞。
如果先入為主地把現代那種帶正負系數的多項式投回1545年,就會誤以為作者在故意重復。實際情況恰好相反:負數還沒有完全成為系數體系裡的普通成員,所以形式必須用加在哪一邊的語言拆開。這本書裡有一段特別有名,在第三十七章。問題看起來極簡單:把十拆成兩部分,使兩部分的乘積等於四十。實數範圍內做不到。兩部分的和是十,積最大只能是二十五。
他照著二次方程的辦法處理下去,得到兩個互相配對的對象。各自有一個五,另有一正一負的,來源於負十五的平方根的部分。用現代的語言說,就是五加負十五的平方根,以及五減負十五的平方根。真正重要的是他的態度。他沒有把它扔掉。
這裡值得停一下。一個可以直接說此題無解的地方,他選擇了繼續算。他說,儘管這是詭辯式的東西,仍然要做運算。然後他把兩個對象相乘,形式上的運算確實回到了四十。
兩部分的和是十,這一條他讓它成立。兩部分的積是四十,這一條他也讓它成立。代價是那兩個部分不是數。
於是他得到了一對滿足全部條件的東西,只是不知道它們是什麼。上一篇裡那個虛構的身份,就是在這一類時刻被發明出來的。它不解決問題,它只是讓問題可以先放在桌上。而放在桌上這件事,後來被證明是關鍵的一步。扔掉的東西不會自己回來。
英譯里有一句常被譯成撇開心智的折磨,大意是撇開由此引起的精神拷問,然後繼續乘下去。結尾那句著名的評語是,這種算術的精微最終精微到了極處,也無用到了極處。他的行為比他的評語前衛得多。嘴上說它無用,手卻已經按代數規則把它算完了。
這個動作在上一篇裡出現過一次,形態一樣。有人稱負數為虛構,同時把它納入方程技術。虛構這個詞不是把東西趕出去,是給它安排一個可以留下來的身份。詭辯這個詞在這裡起的是同一種作用。
但這裡有一個常見的錯置。這個把十分成兩部分的例子是一道二次問題。它不是他已經靠負數的平方根解決了三次方程的例子。那道牆在別處,而且他很早就撞上過。而且撞上它的時候,那套規則他剛拿到不久。一個人剛拿到一件秘密武器,就發現它在某些地方會卡住,而傳給他武器的那個人告訴他是他自己操作錯了。
塔爾塔利亞後來刊出的1539年通信裡,卡爾達諾在拿到口訣之後很快拿一些例子檢驗規則,其中一個例子按現代的判斷正好落在最麻煩的那一類。他向塔爾塔利亞提出疑問,對方的回信認為是他的操作出了問題,並且表現出越來越強的後悔和警惕。也就是說,早在1539年,他已經撞到了那套規則會失靈的地方。
但1545年的書裡有一個經常被流行數學史寫錯的事實:他並沒有在三次方程那幾章裡,用這類對象成功完成那種情形。書中確有今天會產生三個實根的三次方程,而當他的根式規則會迫使平方根下出現負數時,他沒有照著公式繼續走下去。
所以要把三件事分開。
他知道有一道牆。他也曾在別的問題上伸手碰過牆後面的運算。真正把這種運算系統地帶回三次方程那種情形的人,是另一個人。
四 不可約情形
現在寫清楚那道牆是什麼。這一段不需要任何符號。先把一般的三次方程換元,去掉平方項。那套辦法的關鍵一步,不是直接去猜最終答案,是假定所求的根可以拆成兩個輔助量的和。
經過整理,這兩個輔助量必須同時滿足兩個條件:它們的乘積由原方程確定,它們各自的立方相加也由原方程確定。
於是問題降了一級。這兩個立方的值,恰好是一道普通二次問題的兩個答案。
現在出現分岔。
當原來的三次方程只有一個實根時,這道輔助的二次問題通常給出兩個實數。分別取立方根,再相加,一切仍然留在實數裡面。
而當原三次方程有三個彼此不同的實根時,輔助二次問題的判別狀況恰好翻轉。它的兩個答案不再是實數。要算它們,必須先取一個負數的平方根。明明最終所求的三個答案全都落在實數線上,而那條根式的道路在中途被迫離開了實數線。這不是算術上的偶然事故,也不是選錯了正負號。換個方向也沒有用。這條路只有這一條。
兩個中間量形成今天所謂的一對共軛。分別取適當的立方根之後,又得到一對配對的量。把它們相加,非實的部分彼此抵消,於是重新得到實數。選擇另外兩套彼此協調的立方根,就會得到另外兩個實根。非實的中間量並沒有污染答案。它們恰恰是把三個真實答案同時編碼起來的結構。
所以這一情形最有戲的地方是三句話。
問題沒有虛假的答案。三個答案全是真實的。可是用當時最新的代數通法去夠它們,路徑卻必須穿過一種當時沒有合法身份的對象。上一篇裡的負數是從債務和方向裡長出來的,它至少有一個現成的反面可以指。這一個什麼也指不到。而且不用它就拿不到答案。更準確地說:不用它,用那條路就拿不到答案。這個限定很重要,下一段就要處理它。
這句話也有它的邊界。
說那套公式在三個不同實根的情況下會出現負數的平方根,是正確的。說任何方法都必須使用這類對象,則太強。後來可以用三角函數只在實數範圍內表達這些根。
更嚴格的說法要到十九世紀才有。當一個有理系數的三次多項式在有理數範圍內不可約,同時又有三個實根時,不可能只靠實數範圍裡的普通平方根和立方根把它們寫出來。這個證明出現在1843年。那個不可約的條件少不了。如果三次式本身已經有一個有理根,可以先分解,當然可能繞開那條路。
所以實際的情形是這樣:在那一類情形里,沿著當時那條路走,必須經過它。而這條路是當時新近獲得的一條重要通用代數路線,並不是所有求根方法中唯一可行的一條。三百年後才有人證明,換一條同類的路也繞不開。
五 一個工程師
把這件事做成的人叫拉斐爾·邦貝利, 1526年在博洛尼亞受洗, 1572年去世。
邦貝利沒有走大學數學教授那條路。他是在工程,測量和水利的世界裡長起來的,跟隨一位建築師兼工程師學習,而那位老師曾為教廷的財政機關做排水和土地工程。
邦貝利最有材料可寫的項目是托斯卡納一片沼澤和土地的整治。1549年前後他的贊助人拿到開發權,到1551年已經有他參與土地邊界記錄和工程事務的文書。工程在1555年前後中斷,後來恢復, 1560年前完成了重要階段。這些工作讓他得到了水利工程師的名聲。1561年他還在羅馬參與過修復台伯河上一座橋的工程嘗試,後來又給另一片沼澤的排水項目做過咨詢。
把他簡單稱為業餘數學家,反而會丟掉最要緊的一點。他是一個以土地,水流,邊界和工程項目謀生的人,卻寫出了十六世紀最大膽的抽象代數之一。
這兩件事之間沒有明顯的因果,不必硬找。但有一點可以說:一個天天要給一片沼澤定出邊界的人,對什麼叫一個東西確實在那裡,大概有他自己的標準。
那本書也不是1572年突然寫成的。工程暫緩的1550年代中期他開始動筆,大約1557年已經在寫,原計劃五卷。1572年先出版了前三卷,後兩卷幾何部分沒有正式出版,未刊的手稿要到1923年才被重新發現, 1929年整理刊出。邦貝利自己知道讀者會覺得他在做瘋事。
他在討論那類三次方程的時候說,許多人會覺得他的想法離奇,放肆,不守常規。他承認自己起初也認為這種東西與其說是真的,不如說更像詭辯。詭辯這個詞,二十七年前卡爾達諾用過一次。
而他還警告讀者,這一部分必須使足心智的力量,否則非常容易被迷惑。二十七年前那一位說的是撇開心智的折磨。兩個人隔著二十七年,用的是同一類詞。
這一點比它看上去重要。兩個立場相反的人,一個稱它無用,一個為它立規則,而他們描述自己面對它時的心理狀態,用的是同一組詞。那個東西給人的感覺,二十七年沒有變。差別在於後一位沒有停。他反復研究之後發現可以給出一致的運算和證明,於是決定繼續。他做的事情分三步。
第一步,他不再把負數的平方根當成一個壞掉的普通根號。他給兩種基本對象專門取了名字,直譯大致是負之正和負之負。它們大體對應後來的一正一負兩個虛單位,而他當然沒有今天的字母記號。
第二步,他給出成套的運算規則。普通的正量,負量,和這兩種對象相乘時該得到哪一種。兩個同向的相乘會變成普通的負量,一正一反相乘則變成普通的正量。加減的時候,普通部分與普通部分合併,那一類部分與同類部分合併。換句話說,他第一次不只是容忍這些對象,而是給了它們一張乘法表。
給一張乘法表,和給一個定義,是兩件不同的事。定義要回答它是什麼,乘法表只回答它怎麼算。他給的是後者。而在接下來的兩百多年裡,數學家手上有的也一直只是後者。
這條分界在這個系列裡已經出現過。第五篇裡那位注者停在球體積上,是因為他連算法都還沒有。這裡相反:算法有了,而且可靠,缺的是對象。
第三步是歷史的核心。他選了一個已知實根是四的例子。按那套辦法算下去,中間會得到一對配對的非實量,而每一個還要再開立方。前面的問題就卡在這裡:一個負數的平方根已經夠奇怪,怎麼給一個帶著負平方根的數開立方。他作了一個大膽的假定。那個複雜的立方根本身,也許仍然可以寫成一個普通數,加上一個簡單的同類對象。
然後他沒有靠直覺硬猜。他把這個假定整體立方,按照自己制定的運算表展開,再把普通部分和非實的部分逐項比較。結果,一邊的立方根可以寫成二加一個單位的那種對象,另一邊恰好是它的配對者,二減同一個對象。兩者相加,非實的部分完全抵消,留下的正是四。
這一步的說服力不在於答案對。答案本來就知道是四。說服力在於:從頭到尾每一步都按他自己定的規則走,中間沒有一處需要額外的許可,而最後它自己關上了。
於是這件事第一次清楚地呈現出來。
負平方根不是錯誤的標誌。中間結果可以不是實數。兩個這樣的中間結果完全遵守代數規則。最後它們共同產生一個早已知道確實存在的實根。他沒有提供現代的複數理論,沒有復平面,更沒有現代數域的定義。他證明的是另一件在觀念史上更實際的事情:這些對象可以組成一種不會隨意崩潰的計算語言。
不會隨意崩潰這幾個字是要緊的。一個新對象最容易死在哪裡,不是死在沒人相信,是死在算到某一步就自相矛盾了。他通過一套規則與成功算例顯著降低了這種疑慮,但沒有給出後來意義的整體相容性證明。對象的系統解釋仍待發展。至於這本書當時有多少人讀到,報不出數字。沒有可靠的首版印數,也沒有一本銷量賬簿傳下來。
接受史本身也有爭論。一條傳統強調它極重要,因為運算已經十分完整,後來重要的數學家讀過並給予高度評價。另一條傳統指出,它在十六,十七世紀的實際流傳和直接影響,並沒有後世的經典地位所暗示的那麼大。
所以實際發生的是:他在1572年做出的事,並沒有使歐洲數學界從第二天起集體承認這類對象。能證明書存在,能證明後來重要的數學家讀到了它。卻不能由後世的地位倒推出1570年代有一個龐大的讀者群。發明和接受必須分開。一本書可以在還沒有讀者的時候就已經是對的。
六 兩百五十年
從1572年到十九世紀初,最準確的概括不是這類對象被拒絕了兩百五十年。是:使用先於本體上的安心。
數學家越來越頻繁地把負數的平方根當作形式工具使用。十七,十八世紀,方程論,對數,三角函數,無窮級數逐漸把它們拖進越來越多的計算。到某個階段,不用它們進行某些分析計算反而更笨重。1748年歐拉把指數函數和三角函數通過復參數聯繫起來,是一個著名的節點。與此同時,它究竟是什麼仍然令人不安。
所以同一個數學家完全可能在一頁把它叫作不可能的,在下一頁又熟練地利用它。這不是邏輯上的人格分裂。它反映的是早期現代數學裡,運算的合法性和對象的存在資格還沒有綁在一起。上一篇的第七節說過同一件事,只是那裡的對象是負數。這一篇的灰區更長,也更黑。名字出現在1637年。
笛卡爾在《幾何學》第三卷討論方程的根,寫道所謂的真根和假根並不總是實的,有時只是想象出來的:雖然可以按方程的次數想象出那麼多個根,但有時並沒有一個量與所想象的東西相對應。
所以這個詞最初的語境確實帶著降格的意味。它與實的相對,意思是能想象出來,卻未必有對應的量。
這個對照要看清楚。他沒有說它是錯的,也沒有說它算不出結果。他說的是:沒有量與它相對應。在一個數還必須是某種量的體系裡,這句話等於說它不是數。
不過說他用這個詞純粹是在罵它,也略嫌現代化。更精確的說法是:這個詞在他的語境里表示本體地位不足,不是贊美。而它的貶抑來自只有想象而無對應量的對比,不是一句情緒化的辱罵。
這也解釋了這一篇的題目為什麼在歷史上是準確的。最初不是後人浪漫地說數學家的想象力創造了新世界,而更接近:你可以想象有這種根,可實際沒有相應的量。
1685年的沃利斯已經在為這類量尋找幾何解釋。他從有向線段和幾何比例出發,嘗試把負數的平方根放進平面里的垂直方向去理解。他自己開篇就說這些量通常被稱作想象的量,說明這個術語此時已經進入英語的數學用語。上一篇裡那個既畫出雙向直線,又相信負數是越過無窮之後的區域的人,就是他。
為什麼通常不把他稱作復平面的創立者。因為他沒有建立後來那種完整的一一對應。不是僅僅某個負平方根可以畫成一條垂直線,而是要讓每一個由實部和非實部組成的數都對應平面中的點或者有向線段,並且加法,乘法,長度與轉角都與代數運算一致。他有關鍵的幾何直覺,沒有完成這個閉合的系統。
這一層區分在數學史裡反復出現:看見一個東西的樣子,和把它安置進一套完整的對應關係,差得很遠。
萊布尼茨大量使用這些量,並留下過把它們形容成介於存在與不存在之間的奇特措辭。這種態度不是拒絕計算,是拒絕過早回答它是什麼。
關於那個虛單位的字母,要區分寫成時間和出版時間。通常把這個記號的系統採用歸功於歐拉1777年完成的一篇論文,而論文直到1794年才出版。
歐拉也不是從此從不犯錯。十八世紀還沒有建立現代的分支規則,他有時把只對非負實數安全成立的一條平方根規則搬到兩個負數上,於是出現符號錯誤。
所以不要把歷史寫成前人不會算,歐拉一來就全部正確。邦貝利在某些符號規則上反而非常謹慎。
一個人對一件東西越熟,越容易在它身上用錯一條從別處搬來的規則。一個人對一件東西越陌生,反而每一步都要停下來想。真正把它畫出來的第一個人,是一位測量師和製圖師。
他1797年把論文提交給丹麥皇家科學院, 1799年以丹麥文出版,系統地把有方向和長度的有向線段與這類量聯繫起來:加法對應首尾相接,乘法把長度相乘,方向角相加。這已經極接近現代的復平面。而他提供了一個極好的反例,說明正確的發現和被接受不是同一件事。
他的論文發表在國際讀者很少注意的丹麥科學院刊物上,語言又是丹麥語。它幾乎沈寂了一個世紀。十九世紀末才因為丹麥的數學史研究重新被注意, 1897年有了法譯本,優先權才得到國際承認。
1806年另有一人獨立印行一冊小書,給這類量以平面幾何的表示。他不是著名的學院教授,初版也是私人的小規模出版,開始同樣沒有立即轟動。1813年前後相關材料在一份數學年刊里重新進入公共討論,他的方法由此比前一位更直接地進入了法國的數學網絡。
高斯的情況最複雜。他1799年的博士論文已經在代數學基本定理的問題裡接近這個世界,而且他顯然早就掌握相關的幾何直覺。但真正公開而明確的聲明出現在1831年。在那裡他讓形如一個實整數加上另一個實整數乘虛單位的對象成為算術本身的對象。
哈密頓在1830年代走了一條與幾何解釋互補的路線。與其問負一的平方根到底存在在哪裡,不如從一開始就把這類數定義成兩個實數構成的一對。
他在1833年前後提出這個想法, 1837年發表了成熟的版本。兩個這樣的數對相加,就分別把第一成員和第二成員相加。乘法則定義成一種特殊的數對乘法,使第二個方向的單位乘自己恰好產生負的一。這樣,所謂的虛單位不需要先作為一個神秘的平方根存在。它只是數對體系裡的一個特定元素。
這件事比畫一根垂直軸更深一層。幾何告訴你怎樣看它,這種構造告訴你可以僅憑已經接受的實數和明確的運算法則把它造出來。那麼幾何解釋究竟是接受的原因,還是接受之後的結果。這個問題值得問,因為通俗敘述幾乎一律寫成:大家不相信,後來有人畫了復平面,從此大家相信了。
時間線本身就反駁了單線因果。邦貝利1572年已經在算,沃利斯1685年嘗試解釋,十八世紀它已經進入三角和分析的核心操作。這些全都發生在那個完整的平面表示出現之前。反過來,那位測量師也證明了畫出來本身不會自動產生接受:他的完整幾何解釋幾乎被忽略了一個世紀。
所以比較符合今天數學史研究的表述是:幾何化既是長期使用的結果,也是進一步合法化的原因之一。先有兩百多年它算得動。再逐漸得到它可以畫,可以定義,可以作為完整數系一員的多重回答。這個次序和上一篇裡負數那一段幾乎一樣,只是時間更長,而且中間那兩百年更黑。
負數已有債務和方向等解釋可借。非實量在這兩百多年裡也出現過幾何解釋的嘗試,但尚未形成廣泛接受而系統協調的說明。
七 直接,逆向,側向
1831年,高斯在那篇文章裡抱怨了一件事。
他說,過去如果不用正,負,想象,甚至不可能這些笨拙的詞,而把三個基本方向想成比方說直接,逆向,側向的單位,那麼圍繞這些對象的神秘黑暗幾乎不會產生。
也就是說,到1831年,歐洲最權威的數學家之一已經在指出:問題的一部分不是這些量太荒謬,而是數學家給它們取的名字一直暗示它們荒謬。
上一篇的最後一節說過,許多語言最初都不是從一個中性的類別名去命名負數,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。
這一篇的名字比那一篇更刺眼,因為它直接說這東西是想出來的。而且這些名字要分清楚,不能揉成一張單子。詭辯式的,出自1545年的卡爾達諾。邦貝利後來也用過同一個詞,說自己起初覺得這種東西更像是在詭辯。想象的,出自1637年的笛卡爾。這是後來真正固定下來的名稱。
不可能的,在十七,十八世紀逐漸常見。高斯1831年回顧舊術語的時候,把想象的和甚至不可能的並列為造成黑暗的老名稱。荒謬的,必須小心。上一篇處理過的那個傳統里,荒謬的數主要用於負數或者負的解,而不是成熟意義上的純虛數。說十五世紀的數學家把虛數叫作荒謬數,就是把負數的接受史偷換成了這一篇的接受史。
不過這個區分本身可以變成一句很好的歷史陳述。連負數都還常被叫作荒謬的時候,負數的平方根當然更沒有現成的席位。為什麼這個名字後來沒有換掉。
沒有一次數學大會投票決定保留這個壞名字。比較可信的解釋是術語的慣性:等到這個名稱的哲學誤導被充分認識的時候,它已經嵌進了各國的教材,實部與虛部,實軸與虛軸,以及大量專業文獻。技術詞一旦固定,通常就不再完全服從普通語言的字義了。
而且換名字這件事從來不是數學問題。要換掉它,得動教材,動符號,動幾十種語言裡已經配好的成對詞。收益是消除一個誤導,成本是重排一個已經運轉的系統。沒有人來做這筆交易。至於漢語這一側,這一篇必須留一個缺口。
在可以核到的材料裡,找不到足以確定虛數這兩個字究竟由哪一位中文譯者,哪一年,哪一本書第一次定名的證據。
可以穩妥確認的只有:現代漢語的虛數與實數成對,而它與日語的同類術語同形。晚清到明治之間,中日的西學術語存在大量雙向流動。
但同形本身不能證明這個詞一定是日本先造再傳中國。十九世紀中葉中國已有西方代數學的翻譯活動,上一篇提到的那一批人的數學譯書,早於晚清大規模輸入日本新名詞。所以這個術語尤其需要逐本查首版,不能根據看起來像日語漢字詞就倒推來源。上一篇也留過兩個同樣的缺口。那裡是負數有沒有競爭譯名,以及相反數的來歷。
這兩篇裡的四處空白,與其補一條看起來完整的譜系,不如寫成查不到。
不過有一件事可以說。虛這個字比單純的想象更進一步,它帶著空,非實,未實有的古典漢語色彩。歐洲那個原詞的貶抑歷史,被這個漢字接得非常准。一個譯名如果譯得不准,通常會在使用中被磨掉。這一個准到把原詞的毛病也一起譯了過來。
八 走過去
把這一篇和上一篇並排看,會發現兩個對象進入數學的方式完全不同。
負數是被推進來的。它在算法的中間過程裡自然出現,在賬簿裡有對應的現實,在方向上有一個現成的反面可以指。爭的是它有沒有資格當一個數,而不是它有沒有用。這一個是被逼進來的。
沒有人想要它。它在任何地方都沒有對應的量。笛卡爾給它取名字的時候,明確說的就是沒有量與它相對應。
可是在三次方程最尷尬的那一類情形里,三個答案全都是實的,而通往它們的那條路必須從這裡過去。不是虛數幫助數學家找到了一個虛假的根。恰恰相反,它首先是作為通往三個實根的中間道路出現的。這個形狀值得記住,因為它和前面幾篇都不一樣。
第三篇裡那個缺口,兩千年沒有人看見。第四篇裡那個自述,是當事人主動寫下來的。第七篇裡那個對象,有人抵抗,有人辯護,而抵抗有論證。
這一篇裡的東西,是一個所有人都不承認,所有人又都繞不開的中轉站。上一篇裡那個東西至少還能指著一筆債說這就是我。這一個指不出任何東西。而且這個中轉站不在終點,也不在起點。它在路中間,進去要出來,出來之後它就不見了。
這一點讓它比負數更難辯護。負數至少可以留在答案里,讓人指著它問這是什麼。這一個連留都不留。一個只在中途出現,最後自己消失的東西,要怎麼論證它存在。兩百多年裡不斷有人給出局部解釋,也有越來越多的數學家使用它,但系統解釋與普遍接受並未同時到來。最後得到的三個答案里,一點它的痕跡也沒有。它被使用了兩百多年,而在這兩百多年裡,它一直沒有一個像樣的身份。
能算,算得對,反復算都對,就是說不出它是什麼。兩百多年裡,數學家對它的全部把握就是這一句。
上一篇結尾引過一句話: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。說這句話的人生活在十九世紀,而他看到的最好的例子就在這裡。先是邦貝利給了它一張乘法表,證明它至少不會隨意崩潰。而這個人白天在沼澤地裡記土地邊界。然後有人試著把它畫出來,但畫出來的那個人被忽略了一百年。
然後有人把它定義成兩個實數構成的一對,於是它不必先作為一個神秘的平方根存在。
最後有人指出,麻煩的一部分在於這個名字。而那個名字到今天也沒有換。每一個第一次聽說實數和虛數的學生,都會先從這兩個詞裡收到一個暗示:一邊是真的,一邊是假的。那個暗示是十七世紀留下的,而且當時說的就是這個意思。只不過說這話的人指的是沒有對應的量,而學生聽到的是不存在。兩者之間差了三百年的數學。
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。
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