8.1 早期剩余问题
欧洲的不定分析问题,最早见于斐波那契的著作。
斐波那契,意大利著名数学家,早年跟随父亲求学于非洲,后到埃及、叙利亚、希腊、西西里以及法国南部游学,以掌握当时全部数学知识而闻名。回到意大利后,从事著作,于1202年出版由阿拉伯文、希腊文编译成的拉丁文数学著作《算术》。
书中记载了一些不定分析问题。例如,其中一题如下:
设计一个数,除以3,除以5,也除以7,并问每除之后各剩余多少。对于除以3所剩余的每个单位1,要记住70;对于除以5所剩余的每个单位1,要记住21;对于除以7所剩余的每个单位1,要记住15。这样的数如大于105,则减去105,其剩余就是所设计的数。例如,设一数除以3余2,记住70的二倍或140,其中减去105,则剩余35。若除以5余3,记住21的三倍或63,与上述35相加得98。若除以7余4,记住15的四倍或60,与上述98相加则得158,减去105,其剩余是53。这就是所设计的数。
斐波那契的《算术》中,只是记载了一些问题,既没有关于这类问题解法的任何理论,也没有更多的解释。但这一题与《孙子算经》物不知数题十分相似,而且模数都是3,5,7,解法也是同出一辙。即便所取得数,也只是问题的最小解。
两个问题如此相似,不能不让人惊异。虽然对来源有各种不同的研究报道,但斐波那契的大部分问题来自阿拉伯,则似无可怀疑的。而中国与阿拉伯国家之间的学术交流在古代较为频繁,其具体情况应有进一步探讨的必要。
尼可马修斯(Nichomachus,H.,公元90年左右)是来自犹太的阿拉伯数学家,比毕达哥拉斯(Pythagoras,公元前500年)晚好几百年。由于在哲学思想和数的理论方面,他继承了该学派的衣钵,企图恢复毕达哥拉斯精神,故称为新毕达哥拉斯学派代表人物。
他的著作《理论算术》英译时,附加了五个问题,其中三个标有伊萨克(Issca)的印记。据考证,伊萨克可能就是拜占庭著名数学家兼天文学家伊萨克·阿古尔(Argyros,Issca,1318—1372)。也就是说,标有印记的第五个问题就是阿古尔问题。
今将阿古尔问题照录如下:
如果你希望知道在7和105之间有人记在心里的那个数,你可以用下面的方法把它求出来。让那人先心算:从那数能减去3的多少倍就减去3的多少倍,如果有余数的话,让他说出小于3的余数。当他说出余数时,对于每个单位1,记着70这个数。因此,如果余数是1,仅记70;如果余数是2,记70的两倍或140;如果余数是零,记着零。必须注意,减后的余数,尤其注意余数不是单位1的情况。然后,让他用同样方法从那数能减去5的多少倍就减去5的多少倍,并让他说出小于5的余数,对于每个单位1取21,使与第一次的得数相加。之后,让他用同样方法减去7,并让他说出小于7的余数,对于每个单位1取15,使所有这些数相加,并由其和能减去105的多少倍就减去105的多少倍。剩余的数就是你所求的数。
这一问题的模数3,5,7和计算步骤,与《孙子算经》物不知数题十分相似。虽然把已知条件限于7和105之间,但所求的仍属于最小解。叙述方面,则与斐波那契的《算术》中的问题相类似。显然,英译本附加的阿古尔问题,未尝没有受到斐波那契问题的影响。
19世纪在德国发现了一部德文抄本,经考证,大约是1450年间的遗物,作者不详。由于发现于慕尼黑,一般称为慕尼黑抄本。在慕尼黑抄本里,记载着一些不定分析问题。今照录一题:
我也希望或者他想知道在他的钱库里有多少钱。这样做:让他计算钱数,数之以三,数之以五,数之以七;而且数以3余1,记下70,数以5余1,记下21,数以7余1,记下15。然后把这些数相加,由其和减去基数,基数就是3乘以5再乘以7,是105,能(减)几次就减几次,其剩余的数就是他想的或他钱库的钱数。这例子尽可能不高于基数,即105,并且不要取较大的数。
由该问题最后一句“这例子尽可能不高于基数,即105,并且不要取较大的数”来看,所计算的数限制于105以内,这和前述阿古尔问题的要求相一致。因此我们想,慕尼黑抄本的作者可能受到阿古尔问题的影响。在问题之后,作者解释了其解法:
按照这种方法做。数以3取70,数以5取21,等等。如果你需要数以3的话,使它除以3,若余数为1,你求得以5乘7,这就是所求的数;可是,若余数大于1,加倍这数,然后除以3,若余数仍大于1,再加同一数。这样一直到余数变为1的时候。同样的方法,如果你需要数以5的话,使它除以5,以3乘7得21,因此,对于数以5来说所求的数是21。你需要数以7的话,使它除以7,若余数是1,以3乘5得15,于是对于数以7来说所求的数是15。可以用同样的方法处理其他的数。
这个问题渊源很深,不但十分像阿古尔问题,也很像斐波那契问题和孙子问题。由于其中所用词句多属于意大利术语,所以有人认为慕尼黑抄本的问题直接或间接来自斐波那契的问题。假定斐波那契经由阿拉伯受到中国的影响,那么可以说,慕尼黑抄本的问题也间接受到中国的影响。
德国数学家雷基奥蒙坦(Regiomontanus,原名Muller,J.,1436—1478)于1463年给他的友人毕安基尼(Bianchini)的信时说:“有一个数,它除以17,余数15;除以13,余数11;除以10,余数3。我问你,这是怎样的数?”次年毕安基尼回信说:“这问题可以给出很多不同数的解,这些数都适合这一问题,如1103,3313,以及其他的数。可是,我不需要烦琐地求出另外的数。”由此明显地看出毕安基尼不知道一般法则。雷基奥蒙坦在回信中写道:“……你适当地求出最小的数为1103,第二个数为3313。这就足够了,因为最小的数是1103,像这样的数有无限多个。如果加上一个用三个因数(以乘法)计算的数,即17,13和10的话,我们可以求得第二个,用同样方法,再加上同一数,即得第三个数,等等。”
看来,雷基奥蒙坦是了解一次同余式(组)的完全解,但他并没有说明如何求得了第一个解。很可惜,雷基奥蒙坦没有把他关于同余式的解法系统地描述出来。在不定分析的发展史上,就好像短缺了什么。