02.28 法国数学家韦达和符号代数

代数学是数学中最古老的的学科之一,从最早的整数,有理数,到方程,再到群环域,最后到如今各种各样的代数体系,代数学这个学科几经兴衰后才发展如今这样的数学主流学科。那么代数学发展过程中最重要的节点是什么呢?我们从整个数学发展的历史来看,符号代数的出现无疑是一件不可或缺的里程碑事件,而符号代数的关键人物正是我们中学生都知道的被誉为“符号代数之父”的法国数学家韦达。

韦达(François Viète,1540~1603)出生于法国普瓦图地区的一个贵族家庭,他早年的职业是律师,这一点和费马很像,实际上我们可以发现,很多当时的数学家都当过律师,这是因为律师是最体面的工作之一,贵族子弟中有能力的人中很多都会选择从事这一职业。后来韦达走上仕途,在政府部门出任议员等职。但数学一直是韦达的“业余爱好”,为此他花费了几乎所有闲暇时间,实际上在韦达的时代,还没有出现专职的数学家。

法国数学家韦达和符号代数


在韦达之前,数学家们基本是沿用被称为“代数学之父”的古希腊数学家丢番图(Diophantus)所留下的代数符号体系,即使后人有所改进,也只不过是将单词缩写而已,加减这样的运算符号也只是用字母代替,这一局面一直持续到16世纪初。到了韦达的时代,为了数学的有效发展,一些数学家有了以符号代替词语的意识,但一直都不成体系,而韦达则是历史上第一个有意识而且系统使用字母和符号的数学家。

法国数学家韦达和符号代数


韦达的习惯是用辅音字母表示已知数而用元音字母表示未知数,而用拉丁语表示数的指数,例如a^2他记作a quadratum。尽管韦达明确地使用了“+”和“-”的运算符号,但却没表示乘法和相等的符号,而仍是用拉丁语表示,例如他将

a^3+3a^2b+3ab^2+b^3=(a+b)^3

记作

a cubus+b in a quadr. 3+a inb quad. 3+b cubo aequalia a + b cubo.

这些都说明,韦达的符号体系还是不全面的,后来经过许多数学家的完善才形成了我们今天的体系,例如笛卡尔明确地以字母表前面的字母a,b,c等表示已知数或方程的系数,而已字母表最后的x,y,z等表示未知量或方程未知数,这样的习惯被沿用至今。

有了符号体系后,一些传统的代数知识才开始成为系统。三次和四次代数方程的求解是16世纪最重大的数学成就之一,但在韦达之前,数学家往往只能针对各种类型的方程求解,例如卡尔达诺在他著名的《大法》一书中所涉及的方程高达66种,而每一种都有特殊的解法,这无疑徒增学习和传播数学的压力。韦达用自己的符号系统改写了前人的解方程方法,直接用含系数的代数式将解表示了出来,他还顺便得到了如今我们熟知的关于方程根系的

“韦达公式”。对于二次和三次方程的韦达公式,韦达本人给出了证明,同时,他也给出了一般n次方程的韦达公式,但他没能证明,这样的证明直到两百年后,在高斯证明了代数学基本定理后才得到完全的证明。

法国数学家韦达和符号代数


除去方程论外,韦达在三角函数方面的贡献也非常大,例如他给出了正切定理,正弦差公式以及球面三角形的余弦公式等。令人惊讶的是,在没有微积分的时代里,他还给出了一般n倍角的正弦公式:


法国数学家韦达和符号代数


利用这个n倍角公式,韦达曾成功地解出了一个45次方程的23个根!这里我们要特别说明,在韦达的时代,还没有复数的概念,所以他得到的根只有实根。

不仅如此,韦达还给出了历史上第一个圆周率π的解析表达式:

法国数学家韦达和符号代数


可以说,韦达是同时代里最杰出的数学家之一,他的贡献丰富,创造性强而且影响深远,尤其是他的符号体系思想深深改变了代数学的面貌,自此代数学才开始成为一门独立而系统的数学学科。韦达无愧为“符号代数之父”!


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