三次方程的故事(转自灵机一动)

来源: 康MM 2006-12-21 08:52:46 [] [旧帖] [给我悄悄话] 本文已被阅读: 次 (10966 bytes)
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最 后 的 时 刻

•图雅•


  1512年,一群法国兵攻入了意大利博利斯镇。镇上的人都逃空了,只在一堵墙的后面发现了一个十来岁的少年。于是发生了类似电影里鬼子进村的一幕:

  “你跟这儿藏着干吗呢?”法国军官问。

  少年低着头,不说话。

  “说!”

  “自己看去,”少年偏了一下头,眼睛里有嘲笑的光芒。军官看过去,发现墙根有一片湿。他勃然大怒,一脚踢过去:

  “真他妈的野蛮民族!”他把刀抽出来了,“镇上的大人都藏到哪儿去了?”

  “。”少年说。


  “你说什么?”军官简直不敢相信自己的耳朵。

  “我是说,操你们法国兵的母亲。”少年咬文嚼字地解释。
  
  军官一刀劈了下去。

  这个顽强的少年就是数学家尼可罗•方台纳(NICCOLO FONTANA,1499-1557)。那天他之所以能活下来完全是因为一条狗。法国人在他的脸上砍了一刀,血流了一地。那条狗偶然走过来,在他的脸上舔了一阵子。狗的吐沫有杀菌的功能,因此伤口没感染。但是伤好之后,他脸上落了个可怕的大疤,连话也说不清楚了。可这没准也就是为什么他能成为数学家。他不怎么说话,老想。

  命中注定,方台纳将在二十多年后受到一次严重的挑战。1535年,刚过了年没多久,意大利出了一件不大不小的新闻,数学家费奥(Antonio Fior,1506-?)挑战数学家方台纳。

  那时方台纳已经成了数学教授了,在意大利很有名气。虽然16世纪的名气也就是会开个方,会做点几何应用题什么的,可你必须知道那个时候在意大利当教授不轻松。老有人跟你犯葛,也就是挑战。怎么挑战呢?出难题。谁都能出。保不准谁哪天高兴了,就能给你出一道刁钻古怪的。你解出来当然好,解不出来,对你的名声可就有影响了。幸亏有一点还公平,谁要给你出题,你也可以给他出,你解不出不要紧,只要对方也解不出,丢脸就是共同的。因为有了这么一条,平常无理取闹的也还不太多。

  可这次非同小可,挑战的对方是费奥!他的老师费罗(Scipione Del Ferro,1465-1526)很厉害!虽然他死了,可他的学生必然也是很了得的。但是方台纳这个人有进无退,他接受了挑战。题目一共三十道,限一个月之内,找出下面式子里的X各得几:

      X^3+5X=6
      X^3+2X=19
      X^3+7X=48
      ……

  你从这些方程里能看出什么吗?不错,所有三十道,都是:某数乘X的三次方+另一个数乘X=第三个数。简单点说,就是
      
      X^3+MX=N,

其中M,N都是已知整数。这在数学上叫做三次方程的一种特殊类型的“一般形式”。这三十道题,你能解一道是没用的,你得会解这个“一般形式”,或者能找出一个“一般解法”,也叫“算法”。问题是,方台纳并不知道这个一般解法。翻遍了所有的数学手册也没找到。一气之下,他也给费奥出了三十道特别不近人情的。然后,他便埋头推导起来。他的桌子上很快堆起了大量画得乱七八糟的纸和只咬了几口的皮萨。

  时间一天天过去,桌子简直成了个垃圾堆积,推导却毫无进展。那么费奥的桌子又怎么样呢?他的桌子十分干净。不是因为他爱清洁,而是因为他根本就没去做方台纳出的那三十道题。没事他就绕到方台纳他们家附近去侦察一下,每当他看到方家灯火通明,他就忍不住想乐。

  要知道他这次出题的原因,还得谈到他的老师。七年前那一天,老师派人把他叫到病床边,拉着他的手,说:孩子,你都二十二岁了。我平常看你不怎么做作业,净到外边玩。我死了,你怎么办呢?费奥到了这个关头也说不出话来了。老师叹了口气,从枕头底下拿出一张纸,说:我也帮不了你什么忙了,师徒一场,我把这个给你吧。记住,不到万不得已的时候,千万别拿出来用。

  这张纸上,就写着上面那道方程的一般解法。费奥把老师的话记了六年,到了第七年,他给忘了。别的数学家都挺有成绩的,他觉得自己什么都没做出来,老这么呆着太没面子了。于是他决定把他的秘密武器拿出来,而且,出手的进攻目标是很有名气的方台纳。如果跟方台纳打成平手,他的行情自然会涨上去。他毫不怀疑这个结果,所以对方台纳的题他看也不看。
  
  二月十四号,比划的结果出台了。完全出乎费罗的预料,方台纳解出了所有三十道题,而且公布了一般解法。而他自己连一道题也没解出来。对方台纳教授来说,这是一个辉煌的时刻,他的大疤放着光,跟垂头丧气的费奥亲切握手,然后转过身,对着鼓掌的人群大声宣布:可怜的费奥,按照比赛规则,他输给我三十顿盛宴,我不要了!观众的掌声顿时又响了起来。

  今天在任何数学手册上都可以找到X^3+MX=N的解法,可只有方台纳自己才知道,他曾付出过怎样辛勤的努力。他的解法是最后一天的深夜,比赛的最后一刻才找出来的。

在这最后的时刻,他对困难的回答跟对法国军官的解释一样:富于勇气,而且井井有条。


卡丹与三次方程

-四月

图雅的文章中讲到,费厄用三次方程向方台纳挑战,方台纳大获全胜。象费厄的老师费罗一样,方台纳发现了三次方程X^3+MX=N的解法后,把它当作秘密武器,秘不示人。各地的信件象雪片一样飞来,向方台纳询问解法,但他一概不理。时间久了,人们见他不肯开口,渐渐地来信少了。但是其中有一个人,仍然一而再、再而三地来信,语气一次比一次恳切,最后说得方台纳也有些心软了。这个人来自米兰,名叫卡丹(Girolamo Cardano)。从此,故事出现了意想不到的转折。

在继续讲三次方程的故事之前,这里有必要讲一讲卡丹其人。

卡丹的一生很不平凡,可以算是跌宕起伏,波澜壮阔。他的出生就不一般:卡丹的父母并不想要这个孩子,他们用尽了各种堕胎药,但始终没有奏效。卡丹出生的时候又是难产,用他在自传中的话说,是“被硬生生地从母亲的子宫中拽出来的”。呱呱坠地后又差点夭折,是医生用热酒给他从头到脚洗了一遍,才保住了性命。

出生就如此艰难,可以想像卡丹一辈子的身体状况都很差。一连七八夜失眠是家常便饭,心脏、肾脏功能不良,还有大大小小的各种其他疾病。实际上他的精神也不完全正常。他经常狠咬自己的嘴唇,狠扭手指或猛掐胳臂上的皮肤,直到疼得流出眼泪。照他自己的说法,这样做是因为停下来时的感觉无比舒畅。

健康状况不佳,并不是卡丹仅有的困难。他在帕多(Padua)大学读医科,以优异成绩毕业,然而米兰地方政府却不发给他行医执照。很明显,他的古怪性格是不发给他执照的一个主要原因。这段时间是卡丹一生中的一个低谷。于是他只好搬到帕多附近的小城萨可(Sacco),在那里行医。一天夜里,他梦见了一位白衣少女。而时隔不久,他就遇到一位姑娘,和梦中见到的一模一样。卡丹非常相信梦的含义,所以很快就爱上了这位姑娘并和她结了婚。

卡丹不仅相信梦,还相信占星术,相信可以通过雷雨来预测未来事件。他相信自己有很多保护神,甚至在大庭广众之下和“保护神”说话。

他的另一个爱好是赌博。他在自传中承认自己是个赌棍,天天都赌。好在他同时利用自己这个坏习惯进行了科学研究,写了一本名叫《机会的游戏》(Book on Games of Chance)的书,在他死后发表了。这是世界上第一本对概率论做严肃的数学探讨的书。

卡丹在萨可从1526年住到了1532年。他感到在这个小城住下去实在没有发展前途,就带着妻子和一个儿子搬回了米兰。当然,在米兰他依旧被禁止行医。但是在这段时间,幸运之神终于开始向他微笑了。

他举办了很多科普讲座,在贵族中以及在知识界都大受欢迎。他的许多著作,从医学到宗教到数学,都获得了很大的成功。1536年,他发表了一篇揭露意大利医学界种种弊端的文章,引起舆论轰动,从此他正式获得了行医的权利。1539年米兰医学院聘用了卡丹,很快他就声名远播。在十六世纪中叶,卡丹大概是欧洲最有名的一位医生,他所诊治的病人中有著名的红衣主教,甚至教皇。

可惜好景不长,家庭悲剧接踵而至。1546年,卡丹的妻子去世,年仅31岁,给他留下两儿一女。卡丹对长子蹇巴蒂斯塔(Giambattista)寄托了极大的希望。蹇巴蒂斯塔很聪明,继承了父亲在医学方面的天赋,在帕维亚(Pavia)获得了医学学位。1557年,蹇巴蒂斯塔不顾父亲的反对,和一个女人结了婚。事实证明这是一桩不和谐的婚姻。蹇巴蒂斯塔的妻子生育了三个孩子,但是她说,没有一个是蹇巴蒂斯塔的。蹇巴蒂斯塔愤怒已极,用毒药毒死了妻子。卡丹在儿子以谋杀罪被捕后,四方奔走求告,指望以自己的名望为蹇巴蒂斯塔免去死罪,但终于无济于事,眼睁睁地看着爱子被送上了断头台。祸不单行,不久他的小儿子也学了坏,沦为地痞,迫使卡丹几次亲自将他送进监狱。

1562年,卡丹离开米兰,接受了波隆纳(Bologna)大学的一个医学职位。他带着蹇巴蒂斯塔的儿子法西奥(Fazio)赴任。法西奥并不是他的亲孙子,但对老年的卡丹来说,这孩子给他带来了他的亲生子女所没能带来的亲情。

新的环境并没有给卡丹的生活带来安宁。当时意大利的教会正在极力反对欧洲的基督教改革运动,对各种“异端邪说”的惩罚非常严厉。卡丹在1570年被捕入狱,罪名之一是他曾写过一本书,书中介绍了一位反基督教的罗马皇帝。令人惊讶的是,在朋友的努力下,卡丹不仅后来获释出狱,还去了罗马,接受了由教皇亲自颁发的一份养老金。

1576年9月20日,经历了一波三折、大起大落的一生,卡丹在平静中去世。用现代人的眼光看来,卡丹的一生非常富有传奇性,又充满了自相矛盾。他是个高产的作家,他的著作涵盖了很多方面的内容,有科学,也有非科学。他的思想一方面体现了现代的理性思维方式,另一方面又带有强烈的中世纪迷信色彩。一个世纪以后,著名数学家和哲学家莱布尼兹总结道:“卡丹是一位有很多缺陷的伟人;假如没有这些缺陷,他将是无与伦比的。”

下面我们回过头来接着讲三次方程的故事。1535年,方台纳击败费厄之后,卡丹一次又一次地给方台纳写信询问解法。方台纳严辞拒绝,并说自己准备将来就这个解法写一本书。卡丹一开始很生气,但后来改变了策略,用恳切的语言请方台纳到米兰作客。1539年,在方台纳作客期间,卡丹以基督教徒的身份起誓,至死也要保守秘密,绝不向他人泄露。方台纳受了感动,于是把方程X^3+MX=N的解法告诉了卡丹。

不久以后的一天,一个叫费拉里(Ludovico Ferrari)的年轻人来到卡丹家,希望找一份工作。卡丹把他收下做了仆人,但是很快发现这个孩子特别聪明,于是主仆关系迅速转变为师生关系。卡丹给费拉里讲了方台纳的解法,然后两人一起研究,取得了惊人的进展。对最一般的三次方程:X^3+bX^2+cX+d=0,卡丹找出了解法;然而他的解法依赖于把一般方程简化成X^3+MX=N的形式,而由于对方台纳的誓言,卡丹自己的发现也不能发表。同时,费拉里发现了四次方程的解法。这是代数学的一个巨大的进展,但是这个解法需要把四次方程简化为一个相关的三次方程来解,所以碍于卡丹的誓言,仍然不能发表。师徒二人手中掌握着当时代数上最重要的发现,却不能发表,其心情可想而知。

1543年,卡丹和费拉里来到波隆纳。他们找到了费罗的手稿,其中就有X^3+MX=N形式的方程的解法。对于卡丹来说,这无疑解除了誓言的约束,因为这个解法来自费罗,而不是方台纳。至于费罗的解法和方台纳的解法一模一样这个事实,卡丹就假装不知道。

1545年,卡丹发表了他的数学名著《伟大的艺术》(Ars Magna)。卡丹认为代数是一门“伟大的艺术”。这本书共有四十章。在书中,他介绍了不同形式的二次和三次等多项式方程的求解方法。第十一章讲的就是X^3+MX=N形式的方程。在这一章的开头,卡丹写道:“三十年前,费罗发现了这个解法并在后来教给了费厄。费厄向塔塔格利亚挑战,使塔塔格利亚有机会也发现了这个解法。他在我的恳求下把解法告诉了我,但没有讲它的证明。依靠这些协助,我证明了这个解法的正确性。这个问题难度极大。”

塔塔格利亚就是方台纳。方台纳从小面部受伤,说话受影响,因此得了个外号“塔塔格利亚”(Tartaglia),意思是“结巴颏子”。后来他以塔塔格利亚出名,其本名“方台纳”却很少被提起。

虽然卡丹在书中说明了塔塔格利亚的贡献,塔塔格利亚却不满意。他指责卡丹是个骗子,违背了基督教徒的神圣誓言。卡丹本人对这些指责采取高姿态,并不反驳;但是他的弟子费拉里对塔塔格利亚进行了猛烈的反击。费拉里反过来指责对塔塔格利亚抄袭费罗的结果。双方来来往往地互相指责,对立逐渐升级。1548年,塔塔格利亚来到米兰和费拉里进行公开辩论。卡丹没有出场,塔塔格利亚利用这一点攻击卡丹,说他是因为心虚。这场辩论最后发展到了白热化的程度,双方动了手。费拉里占有地利人和之便,所以最终塔塔格利亚能够得以生还,都属侥幸。

至此,三次方程的故事算是告一段落。现在,三次多项式方程的根式解的公式,一般称为“卡丹——塔塔格利亚公式”。最后值得一提的是,1824年,年轻的挪威数学家阿贝尔(Niels Abel)证明了五次和五次以上的多项式方程不存在根式解,给多项式方程的求解问题画上了一个完整的句号。

所有跟帖: 

ding shifu! :) -idiot94- 给 idiot94 发送悄悄话 (0 bytes) () 12/21/2006 postreply 09:02:45

顶。 -扬之水- 给 扬之水 发送悄悄话 扬之水 的博客首页 (0 bytes) () 12/21/2006 postreply 09:15:31

"方台纳解出了所有三十道题,而且公布了一般解法" ,底下卡丹 -丑女郎- 给 丑女郎 发送悄悄话 丑女郎 的博客首页 (131 bytes) () 12/21/2006 postreply 09:27:57

肯定没说。我觉得是说他宣布了他不光会解这种特殊方程, -康MM- 给 康MM 发送悄悄话 (28 bytes) () 12/21/2006 postreply 09:32:08

无利不起早啊,那时要有诺贝尔奖这么一说,他肯定就说了。 -丑女郎- 给 丑女郎 发送悄悄话 丑女郎 的博客首页 (0 bytes) () 12/21/2006 postreply 10:44:37

我也有和丑女郎同样的疑问啊?他若没有公布,只是说知道解法了,别人 -露上草- 给 露上草 发送悄悄话 露上草 的博客首页 (0 bytes) () 12/21/2006 postreply 15:45:27

怎么会完全信服呢? -露上草- 给 露上草 发送悄悄话 露上草 的博客首页 (0 bytes) () 12/21/2006 postreply 15:47:35

他解了30个方程亚 -康MM- 给 康MM 发送悄悄话 (0 bytes) () 12/21/2006 postreply 18:44:49

可他只是说没有公开宣布答案啊? -露上草- 给 露上草 发送悄悄话 露上草 的博客首页 (0 bytes) () 12/21/2006 postreply 21:19:50

他宣布了答案(方程的根),没有宣布解法 -康MM- 给 康MM 发送悄悄话 (0 bytes) () 12/22/2006 postreply 07:03:40

师傅好~~~~~~~~ 粉激动粉激动的说。。。 -露上草- 给 露上草 发送悄悄话 露上草 的博客首页 (0 bytes) () 12/22/2006 postreply 13:42:20

呵呵,很久以前读过,不过到昨天为止 -outlier- 给 outlier 发送悄悄话 outlier 的博客首页 (56 bytes) () 12/21/2006 postreply 09:40:17

xiao S ou la :) -idiot94- 给 idiot94 发送悄悄话 (0 bytes) () 12/21/2006 postreply 10:41:43

haha, 你好玩 =P -露上草- 给 露上草 发送悄悄话 露上草 的博客首页 (0 bytes) () 12/21/2006 postreply 15:44:11

Very nice story!! -乱弹- 给 乱弹 发送悄悄话 乱弹 的博客首页 (0 bytes) () 12/21/2006 postreply 11:07:47

顶你!顶你!顶顶你!=P -露上草- 给 露上草 发送悄悄话 露上草 的博客首页 (0 bytes) () 12/21/2006 postreply 15:48:23

狗的吐沫有杀菌的功能吗?这太好啦~~~ =) -露上草- 给 露上草 发送悄悄话 露上草 的博客首页 (0 bytes) () 12/21/2006 postreply 15:53:06

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