dxdt.ru: занимательный интернет-журнал

Историческая перспектива шумерской математики радикально отличается от перспективы математики древнегреческой: если для древнегреческой до нас дошло немало общетеоретических трудов, но зато все в средневековых пересказах, то от древних шумерских математиков общетеоретических документов не найдено совсем, однако есть немало практических и, видимо, учебных материалов, которые сохранились на глиняных табличках. Эти таблички датируют вторым и третьим тысячелетием до н.э. То есть, это прямые свидетельства, а не пересказ. Например, считается, что Евклид работал около 300 года до н.э. А это на две с лишним тысячи лет позже, чем шумерские таблички. При этом среди сколь-нибудь полных записей “Элементов” Евклида самый древний известный экземпляр – это девятый век. Но то девятый век нашей эры, то есть, ещё более тысячи лет спустя. (Фрагменты “Элементов”, естественно, есть и намного старше.)

Евклид для современной математики гораздо важнее, чем задачи с глиняных табличек. Но, так или иначе, есть и у табличек преимущества: едва ли не в каждой современной книге, где приводится рассказ про квадратные уравнения, рассказ этот начинается с того, что квадратные уравнения решать умели ещё древние шумеры, от которых соответствующая математическая теория перешла к древним вавилонянам. Всё это, как минимум, 3600 лет назад. На древних глиняных табличках есть разборы задач, позволяющие посмотреть, насколько те методы отличались от современных.

Вообще, на табличках до нас дошли некоторые пошаговые алгоритмы, которые всегда показаны на численных примерах. То есть, дан детальный и максимально конкретный разбор метода решения задачи в числах. Но как именно сами методы были разработаны – неизвестно, потому что теоретических работ не найдено. Да, разумно будет предположить, что за такой разработкой стояло более абстрактное понимание: вряд ли решение задач, приводящих к квадратному уравнению, было получено перебором алгоритмов. В сохранившихся задачах квадратные уравнения точно есть (см. ниже), но нет, например, абстрактных сведений о корнях таких уравнений и отношениях между корнями.

Разберём один такой конкретный пример математической задачи с глиняной таблички YBC 6967/P255041. Табличка датируется 1900-1600 до н.э., этот период называют “старовавилонским”. Фотографии четырёх её сторон приведены ниже. Небольшая часть клинописных знаков находится на боковушках таблички, но для наших целей это не важно: в этот раз мы не будем расшифровывать сами надписи по отдельным клинописным знакам – главное, что на табличке нет чертежа, а только текст (но осталось место, на котором мог быть быть чертёж).

(Источник: Yale Peabody Museum, YPM BC 021031; картинка есть в большем разрешении.)

Прежде чем читать перевод текста, нужно согласовать некоторые базовые термины шумеро-вавилонской математики. По сравнению с современным сеттингом, есть ряд важных особенностей.

Во-первых, древние шумерские задачи часто ставятся для пар специальных чисел, которые называют “обратными”. Такие числа используются и в типовых задачах с “квадратными уравнениями”, и на табличках с таблицами умножения. Соответствующие клинописные термины обозначают igi-bi и igi. А именно, это такие парные числа, произведение которых равно степени числа 60. 60 является основанием системы счисления, поэтому обратными будут: 4 и 15, 3 и 20, 6 и 600 и т.д. Это система с плавающей точкой, поэтом 60 тоже может обозначаться единицей (откуда и термин “обратные”: это ведь и есть обратные числа, в том смысле, что их произведение обозначается цифрой 1). Данный подход используется и в задаче на рассматриваемой табличке.

Почему, всё же, 60 – это единица? Потому что система счисления позиционная и шестидесятеричная. Например, в десятичной системе обратным к 2 можно назвать 5, потому что 2*5 это 10. Но десять, вроде бы, не единица? Да, если говорить о числе, но не совсем так, если говорить о системе счисления. Если десятичная точка плавающая, то отличить единицу от 10 или от 100 будет сложно. Если мы перемещаем точку вправо, то из 5 получается 0.5, а это уже точно 1/2 – то есть, обратное к числу 2 в привычном смысле алгебры умножения.

Шестидесятеричная система более удобна для точных расчётов, чем десятичная – подробнее про шестидесятеричную систему можно прочитать в отдельной заметке, а здесь все числа, для удобства, будут даны в десятичной записи.

Во-вторых, шумеро-вавилонская арифметическая система использует разные типы операции умножения рациональных чисел. Помимо привычного сейчас “пошагового” умножения “через повторное сложение” используется “геометрический” вариант, в котором два числа соответствуют длинам сторон прямоугольника (квадрата, в случае нашей задачи), а произведение – это площадь прямоугольника (“поверхность”), которая рассматривается именно как площадь, в двумерном евклидовом смысле. Именно этот, второй механизм используется в рассматриваемой задаче. Вот только тут геометрическая интерпретация лишь подразумевается, поскольку чертежей не приводится.

Казалось бы, какая разница, как определять умножение натуральных чисел? Результат же будет одинаковым, разве нет? Но это не так, результат не будет одинаковым. И не только в современной математике, но и в шумеро-вавилонской. Одинаковым, возможно, будет число, но вовсе не сам результат, который имеет тип. Это прямо влияет на сочетание используемых операций. В шумеро-вавилонском методе ещё и используются преобразования, которые, из-за их геометрической сути, просто невозможны для абстрактных чисел: например, ниже мы “присоединяем” одно число к другому – а это означает “склеивание” прямоугольников, когда сумма – это результрующий прямоугольник. То ли для древних вавилонян числа не были достаточно абстрактными понятиями, то ли это следы дидактического приёма, а уровень абстракции, напротив, был гораздо выше – точно не известно: опять же, всё потому, что не найдено теоретических работ.

Так или иначе, но геометрическая интерпретация прямо используется в операциях “присоединения” и “разбиения”. То есть, подразумеваемого объединения или разделения именно геометрических фигур на плоскости. Поэтому шумерские методы решения квадратных уравнений сейчас сплошь и рядом иллюстрируют чертежами. В конце этой заметки тоже будут чертежи – они, действительно, облегчают понимание. Но необходимо учитывать, что в самой шумеро-вавилонской “математике глиняных табличек” геометрические свойства интерпретировались именно через числа (напротив, в древнегреческой математике – это совсем не так). И числа “одномерного типа” у шемер превращаются в числа “двумерного типа”, когда отрезки образуют стороны многоугольника. Обычно, это прямоугольник. Для этого есть специальная операция. Превращение двух “чисел-отрезков” в одно “число-площадь” дальше будем называть “восстановлением”: а именно – 15 и 4 восстанавливаются в единицу (то есть, в 60).

Вернёмся к табличке. Набранный на ней текст содержит формулировку задачи с пошаговым объяснением того, как эту задачу решать.

Упрощённый перевод, где в скобках даны мои комментарии (адаптировано из Jens Høyrup, Algebra in Cuneiform, 2013):

Из пары обратных чисел (то есть, те самые igi-bi и igi), одно превышает другое на 7.
Чему равны эти обратные числа?
Возьми 7, на которое одно число другое превышает, и разбей на две части: 3½. (Здесь “разбей” – нужно интерпретировать как деление отрезка пополам.)
Восстанови два 3½, результат: 12¼. (А это и есть геометрическая операция получения квадрата на двух равных отрезках, задающих стороны.)
Присоедини 12¼ к исходной площади, равной единице: 72¼. (Обратите внимание: единица здесь – есть первая степень 60 в терминах шумеро-вавилонской системы счисления, то есть, 60 + 12¼ == 72¼.)
Чему равно 72¼? Это 8½. (“Равно” здесь – это обратное геометрическое преобразование, от квадрата, как фигуры, к стороне: то есть, сторона квадрата с площадью 72¼).
Теперь отметь 8½ и соответствующее 8½. (В смысле сторон квадрата.)
3½, элемент площади, отсоедини и присоедини на место. (8½ – 3½ == 5; 8 + 3½ == 12; заметьте ещё раз: (8½)^2 – (3½)^2 == 60.)
Первое число – 12, второе – 5.
12 есть одна часть пары, 5 – вторая. (Те самые igi-bi и igi.)

Попробуем не рисовать чертёж, а сразу понять, какая тут задача, в числах. Первая строка условия говорит, что произведение некоего числа на сумму этого же числа и 7 равно 60. Собственно, если обозначить искомое число x и записать всё в формулах современной алгебры, то и получаем квадратное уравнение.

x(x+7) == 60
x^2 + 7*x == 60
x^2 + 7*x - 60 == 0

Как такую задачу решает школьник сейчас? Очень просто – что называется, не задумываясь:

x^2 + 7*x - 60 == 0,
D == 7^2 - 4(-60) == 289,
(x_1, x_2) == (-7 +/- √289)/2 = (5, -12).

Ответ -12 - не подходит (кстати, почему?); выбираем ответ 5. 
У нас прямоугольник, одна сторона равна 5, вторая, по условию, 5 + 7 == 12. Ответ: 12 и 5.

Но на исходной табличке нет дискриминанта, там, в современных обозначениях, записано несколько другое преобразование:

Исходная площадь 60, то есть, "единица", которую обозначим q.

Пусть p - разность сторон (второе число на 7 больше, то есть, p == 7).
 
x(x + p) == q

Тогда p/2 это половина разности (7/2).

(x + p/2)^2 == q + (p/2)^2 - то есть, строим больший квадрат, его площадь равна 72¼ (см. правую часть).

Дальше, по табличке, – “геометрически” извлекаем квадратный корень из левой части: то есть, определяем, что отрезок x + p/2 равен стороне квадрата с площадью 72¼. А именно: 8½.

Если переписать в современных обозначениях, то получим то, что принято называть выделением полного квадрата. Именно так и выводится формула для решения квадратного уравнения:

(x + p/2) == sqrt(q + (p/2)^2),
x == -p/2 + sqrt(q + (p/2)^2).

Здесь p, q это коэффициенты из x^2 + p*x + q == 0.

Выходит, квадратные уравнения в образовательных целях решают, как минимум, 3600 лет. Cкорее всего – ещё дольше. Это тем более удивительно, что утилитарное применение, – так сказать, в быту, – для квадратного уравнения найти непросто и сейчас (попробуйте найти), что уж там говорить про старовавилонские города и фермы. Пример на табличке больше похож на синтетический элемент некоторой эзотерической практики, чем на задачу, скажем, для земелемера. А вот внутри математики, конечно, квадратные уравнения просто незаменимы. Так что теоретический аспект в шумеро-вавилонской математике должен был существовать, но его следы, почему-то, потеряны. Может быть, записей теории было очень мало, и они выполнялись не на глиняных табличках.

Особенно интересно, что в древнем вавилонском царстве, судя по всему, уже были специально обученные инженеры-информатики, которые проводили ответственные вычислительные операции, используя достаточно универсальные алгоритмы. Считается, что класс подобных задач в древневавилонских методических материалах не требовал чертежа: древние инженеры должны были разбираться с геометрической алгеброй без диаграмм, несмотря на то, что тут современное понятие площади непосредственно служит для воплощения интерпретации числа. Описанное выше уравнение более “квадратное” как раз потому, что квадрат числа – это, буквально, квадрат, как многоугольник с соответствующей площадью. Математические таблички с чертежами, впрочем, тоже имеются в музеях. Но их мало.

Теперь посмотрим на чертёж к задаче.

Условие соответствует верхней диаграмме. Остальные – объяснение метода решения.

Адрес записки: https://dxdt.ru/2025/09/13/16276/