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约翰·纳皮尔的一生

年表 1550生于爱丁堡附近的默奇斯顿城堡。父亲阿奇博尔德当时 16 岁。 1563母亲去世。13 岁的约翰进入圣安德鲁斯大学。 约 1564未获学位便离开圣安德鲁斯,到欧洲大陆求学。 1571回到苏格兰。 1572与伊丽莎白·斯特林结婚。迁居加特内斯,在那里建造城堡。 1593出版《圣约翰启示录的清晰发现》,这是他生前最有名的书。 1594签约寻找藏在法斯特城堡的宝藏。 1596在手稿中描述他的战争“秘密发明”。 1608父亲去世,他成为默奇斯顿的领主。 1614出版《奇妙的对数表的描述》。 1615在默奇斯顿接待伦敦的教授亨利·布里格斯。 1617出版《算筹术》,介绍计算算筹。4 月 4 日去世。 1619儿子罗伯特出版《奇妙的对数表的构造》。 默奇斯顿的少年 约翰·纳皮尔 1550 年生于默奇斯顿塔楼,那是一座离爱丁堡三公里多的小石头城堡。父亲阿奇博尔德·纳皮尔爵士当时只有 16 岁。这个家族属于苏格兰贵族,姓氏有许多写法:Napier、Napeir、Nepair,拉丁文写作 Neperus,法文的 Neper 由此而来。 默奇斯顿塔楼,纳皮尔在这里出生,也在这里去世。如今它位于爱丁堡纳皮尔大学的一个校区内。Kim Traynor · Wikimedia Commons · CC BY-SA 3.0 当时的苏格兰正陷于宗教战争。1560 年,议会与罗马决裂,接受新教改革,信奉天主教的女王玛丽·斯图亚特几年后被废黜。纳皮尔成长为一名狂热的新教徒,这种信仰影响了他的一生。 1563 年,也就是母亲去世那年,13 岁的约翰被送进苏格兰最古老的圣安德鲁斯大学。他只待了很短的时间,没有拿到学位就离开了。他的舅舅亚当·博斯韦尔主教曾建议父亲送他出国求学,此后几年他很可能在法国或低地国家度过。文献没有记载具体地点。1571 年,他回到了苏格兰。 ◀ 上一站 沿路线走一遍 下一站 ▶ 1550–1563 默奇斯顿生于爱丁堡附近的默奇斯顿塔楼,父亲是一位 16 岁的贵族。 1563 圣安德鲁斯13 岁进入苏格兰最古老的大学,未拿学位就离开了。 c. 1564–1571 欧洲大陆到国外求学,可能在法国或低地国家。文献没有记载具体地点,地图上的点只是示意。 1574–1608 加特内斯住在他在家族领地上建造的城堡里。撰写关于《启示录》的著作,并开始计算对数。 1594 法斯特城堡与罗伯特·洛根签约,寻找藏在城堡里的宝藏,条件是分得三分之一。 1608–1617 默奇斯顿成为默奇斯顿的领主。发表对数(1614),接待布里格斯(1615),出版《算筹术》,1617 年去世。 1615 伦敦在格雷沙姆学院,亨利·布里格斯读了这本书,动身前往爱丁堡拜见作者。 1617–1627 林茨开普勒见到这些表,写信给这位男爵(不知道他已去世),并在《鲁道夫星表》中使用对数。 请启用 JavaScript 以查看地图。各站列在下方。 纳皮尔在苏格兰的足迹,以及他的对数表传到伦敦和开普勒手中的路线。 地图:© OpenStreetMap 贡献者

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纳皮尔的两个点:对数的定义

纳皮尔没有我们今天使用的指数记号。为了定义对数,他借助一幅运动的图景,那时离牛顿和莱布尼茨创立微积分还早得很。 定义 设想两个点同时出发。第一个点 $P$ 沿长度为 $10^7$ 的线段 $AB$ 运动,它每一时刻的速度都等于离 $B$ 还剩的距离:开始很快,然后不断减速,永远到不了终点。第二个点 $Q$ 沿一条无限长的直线运动,速度始终等于 $P$ 的初速度。 当 $P$ 离 $B$ 的距离为 $x$ 时,$Q$ 走过的距离就是 $x$ 的对数。 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。 为什么是 $10^7$?纳皮尔想要的是正弦的对数,正弦用于天文和航海。当时正弦不是 0 到 1 之间的数,而是一个大半径圆中半弦的长度,这样可以避免分数。纳皮尔取半径为 $10^7$,于是正弦是至多八位的整数。 今天的算法 有了微积分,这个定义就成了一个微分方程。设 $P$ 剩下的距离为 $x(t)$,速度为 $-x'(t)=x(t)$,且 $x(0)=10^7$。解为 $$x(t)=10^7e^{-t}.$$点 $Q$ 以恒定速度 $10^7$ 运动,所以走过了 $y=10^7t$。消去 $t$: $$\boxed{\operatorname{NapLog}(x)=10^7\ln\frac{10^7}{x}.}$$例如,当 $P$ 走到一半时,$x=5\,000\,000$, $$\operatorname{NapLog}(5\,000\,000)=10^7\ln2\approx6\,931\,472.$$注意,纳皮尔的对数随 $x$ 增大而减小,并且 $\operatorname{NapLog}(10^7)=0$。公式里藏着数 $e\approx2.71828$,它要到一个多世纪后才由欧拉命名。纳皮尔从未写出它,但他的对数除去比例因子之外,就是以 $1/e$ 为底的对数。 乘积变成和 由公式可以得出使对数表有用的性质。因为 $\ln$ 把乘积变成和, $$\operatorname{NapLog}\!\left(\frac{xy}{10^7}\right)=\operatorname{NapLog}(x)+\operatorname{NapLog}(y).$$因子 $10^7$ 很麻烦:每次做乘法都要记得除以它。这是纳皮尔和布里格斯在 1615 年决定编一张新表、令 $\log1=0$、$\log10=1$ 的原因之一。

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布里格斯与常用对数

这些数最初由最杰出的默奇斯顿男爵约翰·纳皮尔发明;后来按照他本人的意见,由亨利·布里格斯加以改变。 — 亨利·布里格斯《对数算术》扉页(1624) 亨利·布里格斯是伦敦格雷沙姆学院的几何学教授,也是英格兰最出色的计算家之一。1615 年 3 月,他写信给一位朋友说,纳皮尔的新对数让他"头脑和双手都忙个不停",并希望当年夏天去拜见他。他做到了。在默奇斯顿的交谈中,两人一致认为,对数表做两处改动会实用得多:1 的对数为 0,10 的对数为 1。 以 10 为底的对数 这样选择之后,$x$ 的对数就是要得到 $x$ 时 10 必须乘方的指数: $$\log x=y\iff10^y=x.$$数列的法则也不再有任何碍事的因子: $$\log(ab)=\log a+\log b,\qquad\log\frac ab=\log a-\log b,\qquad\log a^n=n\log a.$$计算 log 2 布里格斯怎样算出这些数?一个简单的技巧可以说明思路。我们知道 $$2^{10}=1024\approx1000=10^3.$$取对数,$10\log2\approx3$,即 $\log2\approx0.3$。为了更精确,我们利用多出来的部分:$2^{10}=10^3\times1.024$,所以 $$\log2=\frac{3+\log1.024}{10}.$$对于非常接近 1 的数,$\log(1+h)\approx0.4343\,h$。取 $h=0.024$,$\log1.024\approx0.0104$,于是 $\log2\approx0.30104$。真实值是 $0.30103$。其他的对数随之而来:$\log4=2\log2\approx0.60206$,$\log8\approx0.90309$,$\log5=\log10-\log2\approx0.69897$。 布里格斯走得远得多。他对 10 连续开了 54 次平方根,每次都算到 30 多位小数,直到得到一个非常接近 1 的数,它的对数 $1/2^{54}$ 可以直接与它超出 1 的部分相比较。这是一项巨大的工作,而他全靠手算。 首数与尾数 以 10 为底的最大好处是:移动小数点只改变对数的整数部分: $$\log2=0.30103,\quad\log20=1.30103,\quad\log200=2.30103,\quad\log2000=3.30103.$$整数部分叫首数,表示这个数有几位。小数部分叫尾数,对它们都一样。所以只要一张 1 到 10 之间各数的尾数表,就能用于任何数。 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。

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纳皮尔算筹:用小棒做乘法

对数用于天文学中的大型计算。为了日常的运算,纳皮尔发明了另一样东西,1617 年,也就是他去世那年,发表在一本小书《算筹术》(Rabdologia)中。书名来自希腊语 rhabdos(棒)和 lógos(计算):用小棒计算。 算筹 每一根算筹,也叫"骨头",因为最贵的是象牙做的,顶端写着 0 到 9 中的一个数字,下面是它的 1 到 9 倍,写在九个被斜线分开的小方格里。十位在斜线上方,个位在下方。例如 7 的算筹上写着 $0/7$、$1/4$、$2/1$、$2/8$、$3/5$、$4/2$、$4/9$、$5/6$、$6/3$。 一套 17 世纪的纳皮尔算筹及其盒子,藏于剑桥惠普尔博物馆。Marsupium · Wikimedia Commons · 公有领域 怎样相乘 计算 $425\times6$ 时,把 4、2、5 三根算筹并排放好,看第六行: $$4\times6=24\ \to\ 2/4,\qquad2\times6=12\ \to\ 1/2,\qquad5\times6=30\ \to\ 3/0.$$现在从右到左沿斜线相加。第一条斜线只有 0。第二条有 3 和 2:得 5。第三条有 1 和 4:得 5。最后一条只有 2。结果是 $$425\times6=2550.$$斜线自动完成了普通乘法中的"进位":每个乘积的十位,都落在下一个乘积个位所在的同一条斜线上。如果一条斜线的和超过 9,多出的部分就进到下一条,和加法一样。 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。 多位数的乘数 要乘一个多位数,比如 $425\times36$,就分别读出第 6 行和第 3 行,再把结果按正确的位置相加: $$425\times36=425\times30+425\times6=12\,750+2\,550=15\,300.$$最大的好处是谁也不需要背乘法表:只要会读、会加就行。算筹在几年内传遍欧洲,一直用到 19 世纪。在《算筹术》中,纳皮尔还描述了速算盒,一种更精巧的条板盒,不用写下任何加法就能做更大的乘法。

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计算尺:会滑动的对数

对数表仍然需要查数、相加、再查数。纳皮尔之后没几年,英国人就意识到可以把对数刻在尺子上,用手来做加法。 冈特的刻度 1620 年,布里格斯在格雷沙姆学院的同事、天文学家埃德蒙·冈特画了一把尺子,尺上每个数 $x$ 到 1 的刻度的距离都与 $\log x$ 成正比: $$x\text{ 的位置}=L\cdot\log x.$$1 在开头,10 在末尾,2 在全长的 $0.301$ 处,3 在 $0.477$ 处,5 在 $0.699$ 处。数越往右越挤。做乘法时,用两脚规从 1 量到 $a$,再把这段开度从 $b$ 处量出去:脚尖就落在 $a\times b$ 上,因为距离相加: $$L\log a+L\log b=L\log(ab).$$奥特雷德的两把尺子 大约 1622 年,牧师兼数学家威廉·奥特雷德不再用两脚规:他把两条相同的刻度并排放置,一条在另一条上滑动。计算 $2\times3.5$ 时,把下尺的 1 对准上尺的 2,在下尺 3.5 的上方读出上尺的数:7。这就是第一把计算尺。 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。 除法是反过来的同一种算法:算 $8\div2.5$ 时,把下尺的 2.5 对准上尺的 8,在下尺 1 的上方读数:3.2。计算尺不告诉你小数点在哪里。计算的人必须知道答案是 3.2、32 还是 0.32,就像布里格斯对数的首数一样。 一把 20 世纪的计算尺。中间的刻度可以彼此滑动;透明的游标帮助读数。Jacek Halicki · Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0 三百五十年 计算尺后来增加了平方、开方、正弦和对数的刻度,还有一个带细线的玻璃游标,便于精确读数。它能给出三位有效数字,这对几乎所有工程都够用了。桥梁、飞机、发电站和火箭都是用它设计的。阿波罗计划的工程师们使用计算尺,飞船上也带着一把。1972 年科学袖珍计算器出现后,计算尺在短短几年内就消失了。

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约翰·纳皮尔的遗产

对数的发明把几个月的工作缩短为几天,可以说使天文学家的寿命延长了一倍。 — 据说出自皮埃尔–西蒙·拉普拉斯 很少有发明传播得这样快。不到十年,对数就在英格兰、荷兰、德意志和意大利得到使用。三个半世纪里,它们是人类最主要的计算工具。 开普勒 第一位重要的使用者是约翰内斯·开普勒,他在 1617 年见到纳皮尔的表,欣喜不已。1619 年,他给这位苏格兰男爵写了一封感谢信,却不知道他已去世两年,并把 1620 年的《星历表》献给了他。开普勒自己编制了对数表,并在 1627 年的《鲁道夫星表》中使用。这部当时最精确的行星位置表证实了椭圆轨道。 自然对数 对数的数学有了自己的生命。1647 年,比利时人格雷瓜尔·德·圣文森特和他的学生阿方斯·德·萨拉萨发现,双曲线 $y=1/x$ 下的面积具有对数的性质。自然对数记作 $\ln$,底为 $e\approx2.71828$,就是欧拉研究并命名的那个数,它早已藏在纳皮尔用两个点给出的定义里。今天,对数出现在地震的里氏震级、声音的分贝、化学的 pH 值、计算机的存储和算法的复杂度之中。 《奇妙的对数表的描述》的扉页,爱丁堡,1614 年。作者署名为“默奇斯顿男爵、苏格兰人约翰·纳皮尔”。John Napier · Wikimedia Commons · 公有领域 其他贡献 小数点。 弗拉芒人西蒙·斯蒂文在 1585 年提倡使用小数,但记法很复杂。纳皮尔在《算筹术》和《构造》中用一个点把整数部分隔开,如 25.803,推动了这一习惯的传播。 球面三角形。 纳皮尔创造了便于记忆的圆部法则,把直角球面三角形的十个公式归结为两句话,用于天文和航海。纳皮尔比拟式至今仍出现在球面三角学的书中。 奈培。 电信中衡量对数比值的单位叫奈培(neper),以纪念他。月球上也有一座以他命名的环形山。 留下了什么 计算。 对数,把乘法变成加法,把乘方变成乘法。 工具。 纳皮尔算筹、速算盒,以及经由冈特和奥特雷德发展出的计算尺。 记号。 小数点和"对数"这个词。 三角学。 圆部法则和纳皮尔比拟式。 科学。 开普勒的星表、航海,以及此后三个世纪的工程。 城堡周围的大学 纳皮尔出生和去世的默奇斯顿塔楼至今仍在。1960 年代,爱丁堡市在它周围建了一所技术学院,以纳皮尔命名。如今它是爱丁堡纳皮尔大学,那座 15 世纪的塔楼就矗立在校园中央,被现代建筑环绕。 要点回顾 约翰·纳皮尔生于 1550 年,卒于 1617 年。经过二十年计算,他在 1614 年发表了对数。 在等比数列中相乘,就是在等差数列中相加:$2^a\times2^b=2^{a+b}$。 纳皮尔用两个运动的点定义对数;用现代语言说,$\operatorname{NapLog}(x)=10^7\ln(10^7/x)$。 他与布里格斯一起采用了以 10 为底:$\log1=0$,$\log10=1$,由 $2^{10}\approx10^3$ 可得 $\log2\approx0.30103$。 纳皮尔算筹读出乘法表的一行,再沿斜线相加,就完成乘法。 计算尺把与对数成正比的长度相加,从而做乘法。 来源: Julian Havil,John Napier: Life, Logarithms, and Legacy(2014)· Eli Maor,e: The Story of a Number(1994)· 纳皮尔传记,MacTutor。