朱世杰

朱世杰:中国的漫游代数学家

二十多年里,一位来自燕山(今北京附近)的数学家行走在忽必烈新统一的中国大地上,向所有愿意学习的人教授代数。当他最终将自己的方法写成纸上文字时,他所完成的一部著作大大超出了当时中国数学家们的需求,以至于在历史学家乔治·萨顿(George Sarton)的估计中,这使他成为“他的种族、他的时代、乃至所有时代”最伟大的数学家之一。随后,这本书几乎失传,中国自身也花了五百年时间才完全恢复其中的内容。

行路之师

史料将朱世杰的生活年代置于1249年至1320年之间,最常见的说法约为1260年至1320年;甚至连他的确切生卒年也因为流传下来的直接记载极少(除了他自己的著作)而成为模糊的代名词。他的字是汉清,号松庭。他属于学术界所称的十三世纪末伟大的中国数学家群体,与秦九韶、杨辉和李治并列——这几位人物将宋金时代的代数推向了顶峰,随后这一传统停滞了几个世纪。使朱世杰与众不同的是他的流动性:蒙古对中国的统一开辟了曾因南北战争而关闭的道路,朱世杰利用了这些道路,作为一名行脚老师游历了二十年,将北方发展起来的数学技术带到了此前尚未流传的中国南方。

算学启蒙

他的第一本著作《算学启蒙》(Suanxue qimeng)于1299年问世。这是一本刻意编写的初级教材——三卷、二十章、259道习题——引导学生学习分数、小数、面积、体积以及旧的双设法。它由于过于成功而在国内未能保存下来:一旦更高级的教材在中国取代了它,这本书就在国内完全失传了。相反,它在海外得以存续,于1433年在朝鲜、1658年在日本印刷,并在两国塑造了几代人的数学教育,直到清代学者罗士琳寻得一本并在十九世纪将其在中国重新刊印——这是一本不得不出国才能回家的教科书。

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四元玉鉴

朱世杰的代表作《四元玉鉴》(Siyuan yujian)随后于1303年问世。其中包含288道解答过的习题,其核心成就是一种处理四个未知量(而非一个)的方法,分别赋予了天、地、人、物诗意的名称。早期的中国代数学家发展出了“天元术”——本质上是一种通过算筹数组表示单变量符号代数的形式——而朱世杰将其扩展为一个真正的系统,用于建立和求解联立多项式方程,然后将所得系统简化为一个单未知数的高次方程(有时次数高达十四次),再进行数值求解。他用于数值求解的技术本质上就是欧洲后来以威廉·霍纳(William Horner)命名的那种方法,这是他独立得出并在霍纳发表该方法五个多世纪前在中国应用的。该书还在一幅题为“古法八次幂表”的图表中展示了二项式系数数组(欧洲后来将其称为帕斯卡三角形),以及通过系统的逐差法处理自然数和形数求和的推导公式(前n个整数之和、三角数之和以及更复杂的序列)。值得注意的是,朱世杰并不总是寻求最简单的答案路径;一些问题似乎被刻意设计成高复杂度,显然是为了让学生充分体会他的方法,而不是为了经济地模拟一个现实世界的问题。

失而复得

$《四元玉鉴》同样未能完整保存下来。到十八世纪时,它实际上已在中国的流通中消失了,它得以存续至今要归功于学者阮元,他在浙江省追踪到了一本仅存的抄本——一本他自己形容为严重残缺且“错误百出”的文本。后来的清代学者添加了七篇序言和大量的批注,试图重建和澄清朱世杰的原意,这些工作如此浩繁,以至于今天的历史学家很难将朱世杰本人的思想从建立在其之上的十九世纪批注层中剥离出来。隐藏在下方的依然被视为中世纪中国代数学的技术巅峰:当代数学史家写道,在此后的很长一段时间里,中国数学再也没有取得显著超越朱世杰所达成就的进展。

为什么朱世杰被称为天才

认为朱世杰是天才的理由,建立在原始工具之下的抽象能力之上。在使用算筹在板上操作而非书面符号记号的情况下,他建立了一个连贯的方法,用于表示和求解多达四个未知数的多项式方程组——这种代数一般化水平是中国数学在他之前未曾达到、而欧洲直到近代早期才以相当形式达到的。他用于提取高次多项式根的数值技术比霍纳的方法早了五百多年,他的二项式系数三角形数组比帕斯卡早了三个多世纪,这是通过一个完全独立的、两地之间没有联系的数学传统得出的。这种收敛发现——同样的深层结构在相距数个世纪和不同文明中被两次发现——是数学史家指出作为真正洞察力(而非对现有工具的渐进式改进)证据的经典标志之一。

坦率的限定是,朱世杰的名声几乎完全建立在两本其现存文本本身就不确定的书上:《四元玉鉴》是通过一个历经数世纪后世注释过滤的单一残缺抄本传到现代世界的,因此专家们并不总能确定哪些段落是朱世杰自己的话,哪些是清代学者的重建或阐发。他的生平同样单薄——甚至连他的生卒年跨度在不同的资料来源之间也超过了十年——这使得这位天才几乎完全靠数学本身来证明,而不是靠当时关于这个人的记载。

遗产

朱世杰用于消去多项式方程组中变量的方法被现代数学家公认为吴文俊二十世纪“特征列方法”的直接先驱,这一技术至今仍用于计算机代数中——这是一个罕见的中世纪中国代数学技术直接融入当代计算数学、而不仅仅停留在历史古董之中的例子。

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