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。
《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。
资料来源与延伸阅读
- 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
- Bibhutibhusan Datta, The Science of the Sulba: A Study in Early Hindu Geometry (University of Calcutta, 1932)
- MacTutor History of Mathematics (University of St Andrews): Indian Sulbasutras
- MacTutor History of Mathematics (University of St Andrews): Baudhayana
- MacTutor History of Mathematics (University of St Andrews): Mathematics in the service of religion, Sulba Sutras (Ian Pearce, Indian Mathematics: Redressing the balance)
- MacTutor History of Mathematics (University of St Andrews): Pythagoras's theorem in Babylonian mathematics
- Institute for the Study of the Ancient World, New York University: Before Pythagoras, item YBC 7289 (Yale Babylonian Collection)
- University of British Columbia, Department of Mathematics: The Babylonian tablet Plimpton 322
- MacTutor History of Mathematics (University of St Andrews): Abraham Seidenberg, University of California obituary
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