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约公元前800年的《鲍达亚那绳法经》陈述了矩形对角线的绳法规则,并给出精确到小数点后五位的2的平方根
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约公元前800年的《鲍达亚那绳法经》陈述了矩形对角线的绳法规则,并给出精确到小数点后五位的2的平方根

插图:tuput

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这部梵文的火坛营造手册,史家把它定在约公元前800年,书中说沿矩形对角线拉的绳所作出的面积,等于两条边各自所作面积之和,并列出六组符合这一规则的边长。它求2的平方根的规则给出577/408,与真值在小数点后第五位之前都相符。

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《鲍达亚那绳法经》是一部火坛营造手册,史家把它定在公元前800年前后。书中用文字陈述:沿矩形对角线拉紧的绳子,所作出的面积等于两条边上的两个正方形之和。书中列出六组边长,可以用整数验证,从3和4到15和36。同一部文本还说,正方形的对角线是1,加上它的三分之一,再加上这三分之一的四分之一,再减去这四分之一的三十四分之一。算出来是577/408,即1.4142157,与2的平方根在小数点后第五位之前都相符。

一部关于绳子和木桩的手册

“绳法经”(Sulbasutra)一词的意思是“绳的经文”,这是梵文学者乔治·蒂博(George Thibaut)1875年刊印的译法,他当时是贝拿勒斯学院的教授。经(sutra)是简短的规则(波你尼的梵语语法,见另一篇文章,同样是一部简短规则之书),而绳法经是吠陀仪轨手册中讲解如何丈量和修建祭场与祭坛的部分。蒂博写道,这些文本证明印度人最早的几何学产生于祭祀的需要,并把鲍达亚那排在这些文本的首位,因为他的论述比其他几家更清楚、更完整。

圣安德鲁斯大学的MacTutor数学史网站把鲍达亚那的文本定在约公元前800年,摩那婆(Manava)的约公元前750年,阿帕斯坦巴(Apastamba)的约公元前600年,迦提亚那(Katyayana)的约公元前200年。它说,鲍达亚那的是我们所拥有的最古老的绳法经,不过这些作者只知道名字和大致年代。该网站的鲍达亚那传记写道:“我们对他的年代了解得还不够准确,甚至无法猜测他的寿命”;同一网站上伊恩·皮尔斯(Ian Pearce)的一章则把整个这一组定在公元前800年至前200年之间。

矩形的规则,以及六组边长

蒂博的校订本刊印了鲍达亚那相隔几节的两条规则。一条说,沿正方形对角线拉的绳所作的面积,是该正方形的两倍。另一条说,沿长方形(oblong,即矩形)对角线拉的绳,同时作出其长边和短边各自所作的两块面积。

后面的一条规则,按蒂博的译文,说这一点可以在边长为三和四、十二和五、十五和八、七和二十四、十二和三十五、十五和三十六的长方形中看到。蒂博指出,文本没有说出对角线,它们是5、13、17、25、37和39。他补充说,最后一组是第二组的三倍,所以这张表里只有五种不同的形状。达塔(Datta)在他1932年为加尔各答大学写的研究中,把这些编为第一章的第45、48和49节。

记录里有一处细节需要说明。MacTutor关于绳法经的页面对鲍达亚那只引了正方形的情形,而把一般的矩形陈述归给几个世纪之后的迦提亚那。蒂博和达塔都把矩形规则印在鲍达亚那的名下,而这六组边长就依赖于它。

绳子在地面上做什么

这些三元数组是实用的工具。在蒂博刊印的阿帕斯坦巴的规则里,绳子用来为大型苏摩祭划定场地。那块场地的西边长30个单位,称为pada,中央东西线长36,东边长24。工匠把一根54个单位的绳子系在36个单位那条线两端的木桩上,绳上从西端起12和15个单位处作有标记。

取绳上15处的标记,向南拉紧,就确定了一个角,因为这时绳子构成一个边长为15、36和39的三角形。这个三角形在15和36相接处是直角,而15的平方加36的平方等于1,521,即39的平方。据蒂博说,整个过程的依据是知道边长如此的三角形是直角三角形。一根有标记的绳子和几根木桩,就给了祭司一个直角。

七个半平方普鲁沙

火坛本身,即agni,是几何学真正变得苛刻的地方。蒂博数出砖共五层,每层200块,总共1,000块,砌法要求没有一块砖压在与它大小形状相同的砖上面。基本的祭坛大致模仿一只猎鹰的轮廓,由方砖砌成。经文给出它的面积是七个半平方普鲁沙(purusha),普鲁沙指一个人举起双臂站立时的高度。

其中四个方块构成鸟身。另外三个方块构成两翼和尾,翼和尾再略微加长,分别加长一个普鲁沙的五分之一和十分之一,使它更像一只鸟。仪轨文本列出了其他形状:翼弯尾展的猎鹰、鹭、三角形、十六根辐条的车轮、盆、龟。每一种的面积都必须与那只普通猎鹰相同,所以工匠要把矩形变成正方形,把正方形变成三角形,把正方形变成圆。

最难的规则出现在重建时。据蒂博说,祭祀者修建的第二座祭坛要在面积上增加一个平方普鲁沙,第三座再增加两个,而达塔写道,整体的形状不许改变。达塔称对角线定理对祭坛几何是不可缺少的,此外还有作一个等于另外两个正方形之和的正方形这类作图。鲍达亚那作一个与给定矩形等积的正方形的方法,MacTutor上也有,它靠切割和移动矩形来完成,最后用一根绕定点旋转的绳子收尾。

577/408,正方形的对角线

求2的平方根的规则很短,可以照蒂博的译法给出:把量度加上它的三分之一,再把这三分之一加上它自己的四分之一,减去这四分之一的三十四分之一。蒂博说,阿帕斯坦巴用同样的词句给出了这条规则,迦提亚那也给出了。规则里没有任何一处说它讲的是正方形的对角线。蒂博解释说,注疏对此毫无疑问:那个量度是边,增加后的量度是对角线,他称它与真值的吻合非常接近。据MacTutor的传记,这条规则在鲍达亚那第一章的第61节。

写出来,1加1/3加1/12是17/12,即1.41667,略微偏大。减去1/408,得577/408。2的平方根的真值是1.4142136,所以误差约为百万分之二。

作者们如何得到这个修正,是现代人的重构,不是文本自己说的。蒂博1875年提出,达塔1932年接着发挥:他们从边长为12的正方形出发,其对角线的平方是288个小方格。边长为17时是289,多了一格。从17个单位的正方形的两条边各削去三十四分之一单位宽的一条,就去掉了这一格,角上一小块重叠则留下最后的修正。鲍达亚那为什么要这样的精度,而祭坛并不需要,是MacTutor的传记提出而未作回答的问题。

圆,以及较弱的圆周率

同一部文本在圆上显得没有那么精确。MacTutor给出绳法经化圆为方的标准方法,是作一个边长为直径13/15的正方形,这意味着圆周率为676/225,即3.004。鲍达亚那的其他作图意味着900/289(3.114)和1156/361(3.202)。MacTutor说,这些数值都不特别准确,但用在祭坛上不会产生明显的误差。大约十三个世纪之后,公元499年,阿耶波多在《阿耶波多历算书》中把圆周率定为3.1416,桑加马格拉马的马达瓦(Madhava,约1340年至1425年)所代表的喀拉拉学派后来发现了圆周率的无穷级数,喀拉拉数学的叙述对此有说明。

更古老的泥板,以及绳法经没有说的

巴比伦的泥板更古老。收藏于哥伦比亚大学的普林顿322号(Plimpton 322),MacTutor把它定在公元前1800年至前1650年之间,不列颠哥伦比亚大学数学系定在约公元前1800年。它的各列似乎列出了勾股数组。耶鲁巴比伦藏品中的一块泥板YBC 7289,画着一个标出对角线的正方形,并给出2的平方根的六十进制值1;24,51,10,约为1.41421296。这比印度的数值更接近真值:其误差约为千万分之六,而印度的是百万分之二。纽约大学古代世界研究所把这块泥板定在公元前19世纪至前17世纪,并说它表明巴比伦的书吏知道这条定理。

学者们对这些证据的解读各不相同。MacTutor的绳法经页面说,有些史家认为印度作者抄用了巴比伦人已有的一个近似值。加利福尼亚大学的数学家亚伯拉罕·赛登伯格(Abraham Seidenberg)得出的结论是,巴比伦、希腊和印度的几何学源自一个共同的起源,其中祭坛营造与这条定理占有核心地位,这是MacTutor转载的讣告所说。达塔在早期印度文献中没有找到直接或间接提到这条定理的证明,而MacTutor明确指出绳法经不含证明。

蒂博1875年的论文说,是A. C. 伯内尔(A. C. Burnell)在他的梵文写本目录中最早提请人们注意这些文本,并引用他的话:婆罗门中几何学的最初萌芽,必须到仪轨手册的Sulva部分去寻找。蒂博补充说,他已经开始在贝拿勒斯学院的刊物《学者》(The Pandit)上发表鲍达亚那的绳法经及其注释和译文。

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资料来源与延伸阅读

  1. George Thibaut, On the Sulvasutras, Journal of the Asiatic Society of Bengal, vol. 44 (1875), Sanskrit text and translation of the Baudhayana, Apastamba and Katyayana rules
  2. Bibhutibhusan Datta, The Science of the Sulba: A Study in Early Hindu Geometry (University of Calcutta, 1932)
  3. MacTutor History of Mathematics (University of St Andrews): Indian Sulbasutras
  4. MacTutor History of Mathematics (University of St Andrews): Baudhayana
  5. MacTutor History of Mathematics (University of St Andrews): Mathematics in the service of religion, Sulba Sutras (Ian Pearce, Indian Mathematics: Redressing the balance)
  6. MacTutor History of Mathematics (University of St Andrews): Pythagoras's theorem in Babylonian mathematics
  7. Institute for the Study of the Ancient World, New York University: Before Pythagoras, item YBC 7289 (Yale Babylonian Collection)
  8. University of British Columbia, Department of Mathematics: The Babylonian tablet Plimpton 322
  9. MacTutor History of Mathematics (University of St Andrews): Abraham Seidenberg, University of California obituary

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