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+、−、× 和 =:符号小史

数学里最简单的符号,也是最年轻的。欧几里得从没写过 $+$,花拉子米从没写过 $=$。已经使用字母的韦达,仍然把 aequatur(等于)完整地写出来。孩子在一年级学到的运算符号,几乎全都诞生于十五世纪末到十七世纪末的欧洲,前后大约两百年。 1489约翰内斯·维德曼在莱比锡的一本商业算术书中印出 $+$ 和 $-$。 1525克里斯托夫·鲁道夫在他的代数书《未知数》(Coss)中用 $\surd$ 表示平方根。 1557罗伯特·雷科德在《砺智石》中发明了 $=$。 1591弗朗索瓦·韦达用字母表示已知量和未知量。 1631威廉·奥特雷德用 $\times$ 表示乘法;同年,托马斯·哈里奥特的遗著出版,书中有 $<$ 和 $>$。 1637勒内·笛卡儿把幂写成指数:$x^3$、$x^4$。 1659约翰·拉恩用 $\div$ 表示除法。 1698莱布尼茨提议用点 $\cdot$ 表示乘法,以免把 $\times$ 和字母 $x$ 弄混。 加号和减号:仓库里的记号 $+$ 和 $-$ 最早出现在印刷品中是在 1489 年,约翰内斯·维德曼为商人写的一本算术手册里。在那里,它们还不完全表示运算,而是标记多出和短缺。一箱货物比应有的重量重,就标 $+$;轻了,就标 $-$。最被接受的假说是:$+$ 是拉丁文 et(“和”)的缩写,写得快了,就成了一个十字。 在此之前,意大利人写 $\bar{p}$(代表 plus)和 $\bar{m}$(代表 minus)。这种带横线的字母和德国的符号并存了一百多年。 等号:一对孪生的平行线 罗伯特·雷科德是伦敦的一位医生,他用英文写数学书,而那个时代几乎一切都用拉丁文写。1557 年,在《砺智石》(The Whetstone of Witte)一书中,他厌倦了在每一行都写 is equalle to(等于),于是解释道: 《砺智石》(1557)中雷科德介绍等号的段落。注意那两条平行线有多长。罗伯特·雷科德 · Wikimedia Commons · 公有领域 为了避免一遍遍重复“等于”这几个字,我将像在工作中常做的那样,放上一对平行线,也就是一样长的孪生线,像这样:═══,因为没有任何两样东西能比它们更相等了。 — 罗伯特·雷科德,《砺智石》(1557) 雷科德的理由是一个符号学的理由,而且是个好理由:这个符号像它所代表的东西。两条完全一样的线,画出了“相等”这个概念本身。紧接着,他用这个新符号写下了第一个方程: 第一个带等号的方程,今天写作 14x + 15 = 71。紧跟在 14 后面的符号是雷科德表示未知数(“根”)的记号,ϑ 表示普通的数。罗伯特·雷科德,1557 · Wikimedia Commons · 公有领域 雷科德的符号花了很长时间才胜出。八十年后,笛卡儿仍在用另一个符号;在欧洲大陆,$=$ 有时还被用来表示差或平行。直到 1700 年前后,莱布尼茨和他的追随者采用了它,它才成为标准。

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零与位值:会计算的数字

试着计算 $\text{XLVII}$ 乘以 $\text{XII}$,不许换成我们的数字。 连从哪里下手都很难知道。$\text{XLVII}$ 里的 $\text{X}$ 表示十,但它在 $\text{L}$ 的前面,所以要减去:$\text{XL}=40$。$\text{V}$ 不管放在哪里都是五。这里没有个位一栏,也没有十位一栏,每个符号的值都挂在它自己的形状上。同样的计算写成 $47\times 12$,两行就做完了: $$47\times 12 = 47\times 10 + 47\times 2 = 470 + 94 = 564.$$结果用罗马数字写是 $\text{DLXIV}$。罗马人并不是不会算账。他们只是不用数字本身来计算:他们在算盘或画了线的桌面上用小石子计算,数字只用来写下结果。小石子在拉丁文里叫 calculus,“计算”(calculation)一词就是从这里来的。 数字的值取决于它的位置 我们使用的是位值制:同一个形状,放在不同的位置上,值就不同。在 $205$ 里,$2$ 表示两百;在 $25$ 里表示二十;在 $2$ 里表示二。 零占住了十位:没有它,205 就变成了 25。为本书绘制的教学示意图。 用符号学的话来说,单独一个数字 $2$ 是一个不完整的符号。补全它意义的是它的位置;而当某一位是空的时候,守住这个位置的是零。像 $205$ 这样的书写,它的值不在三个形状中的任何一个里,而在组织它们的规则里: $$205 = 2\cdot 10^2 + 0\cdot 10^1 + 5\cdot 10^0.$$所以位值制是能动的记号的绝佳例子。我们在学校学的加减乘除规则(“进一”“借一”)之所以存在,正是因为这种书写把个位对齐个位、十位对齐十位。计算就在纸上完成,不需要算盘。 通往零的漫长旅程 大约公元前 1800 年,巴比伦人就已经用位值的方式写数,采用六十进制(这就是一小时有 60 分钟的原因)。但在许多世纪里,他们没有表示空位的符号:$1$ 和 $60$ 可能长得一样,读者只能根据上下文去猜。直到大约公元前 300 年,泥板上才出现一个分隔符号,用来标出数中间的空位。在世界的另一边,玛雅人也得到了一个零,画得像一只贝壳。

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Radix quadrati:数学也有自己的书写

问一个学生 9 的平方根是多少,他多半会回答“3”。再问它为什么叫“根”,又为什么叫“平方”,谈话通常就到此为止了。这个名字已经变成一个空洞的标签,而符号 $\sqrt{\phantom{9}}$ 也成了一个奇怪的钩子,好像要从数里“拔出”什么东西。 可是这个名字曾经讲述了全部的故事。希腊几何学家把要找的数直接叫作边(pleurá):面积为 9 的正方形,边长是 3。阿拉伯代数学家称它为 jidhr,也就是正方形从中“长出来”的根;中世纪的拉丁文译者写作 radix。像这样一句话: $$\textit{radix quadrati 4 aequalis 2}$$说的意思一点也不神秘:面积为 4 的正方形,边长等于 2。 九个面积为 1 的小正方形拼成一个边长为 3 的正方形。9 的平方根就是这个正方形的边长。为本书绘制的教学示意图。 从拉丁文到钩子 并没有人在某一天决定用符号代替句子。手抄计算的人会把最常重复的词缩写,缩写又一代比一代更短。下面的步骤是示意性的,但它遵循了从中世纪手稿到十六世纪印刷书籍之间书写所走过的道路: radix quadrati 如何变成 √(点击继续) radix quadrati 4 aequalis 2:“面积为 4 的正方形,边长等于 2”。 rad. quad. 4 aeq. 2:抄写者把最常重复的词缩写。 R. q. 4 aeq. 2:几乎只剩下字母 R,十六世纪的卡尔达诺和邦贝利仍在使用。 $r\,4 = 2$:在德语文献中,一个拉长的小写 r 表示开方。 $\sqrt{4}=2$:r 的笔画伸长,把数“吞”了进去。克里斯托夫·鲁道夫在 1525 年印出了这个符号;1637 年,笛卡儿加上了盖住被开方数的横线。 符号赢得了速度,却丢掉了记忆。今天读到 $\sqrt{4}$ 的人,已经看不到正方形了。所以当学生问 $\sqrt{4}$ 是 $2$ 还是 $-2$ 时,最清楚的答案来自那个古老的名字:边的长度不会是负的。现代约定 $\sqrt{a}$ 总是取非负值,正是这个符号所遗忘的几何留下的直接遗产。