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數學復數的歷史

1545年,此時的歐洲人尚未完全理解負數、無理數,然而他們智力又面臨壹個新的“怪物”的挑戰。例如卡丹在所著《重要的藝術》(1545)中提出壹個問題:把10分成兩部分,使其乘積為40。這需要解方程x (10-x) = 40,他求得的根是5-√-15 和5+√-15,然後說“不管會受到多大的良心責備,”把5+√-15和5-√-15相乘,得到25-(-15)=40。於是他說,“算術就是這樣神妙地搞下去,它的目標,正如常言所說,是有精致又不中用的。”笛卡爾(Descartes,1596-1650)也拋棄復根,並造出了“虛數”(imaginary number)這個名稱。對復數的模糊認識,萊布尼茲(Leibniz,1646- 1716)的說法最有代表性:“聖靈在分析的奇觀中找到了超凡的顯示,這就是那個理想世界的端兆,那個介於存在與不存在之間的兩棲物,那個我們稱之為虛的—1的平方根。”

直到18世紀,數學家們對復數才稍稍建立了壹些信心。因為,不管什麽地方,在數學的推理中間步驟中用了復數,結果都被證明是正確的。特別是1799年,高斯(Gauss,1777- 1855)關於“代數基本定理”的證明必須依賴對復數的承認,從而使復數的地位得到了近壹步的鞏固。當然,這並不是說人們對“復數”的顧慮完全消除了。甚至在1831年,棣莫甘(De Morgan,1806- 1871) 在他的著作《論數學的研究和困難》中依然認為:

"……已經證明了記號是沒有意義的,或者甚至是自相矛盾或荒唐可笑的。然而,通過這些記號,代數中極其有用的壹部分便建立起來的,它依賴於壹件必須用經驗來檢驗的事實,即代數的壹般規則可以應用於這些式子(復數)。……"

我們知道,18世紀是數學史上的“英雄世紀”,人們的熱情是如何發揮微積分的威力,去擴大數學的領地,沒有人會對實數系和復數系的邏輯基礎而操心。既然復數至少在運算法則上還是直觀可靠的,那又何必去自找麻煩呢?

1797年,挪威的韋塞爾(C. Wessel,1745-1818) 寫了壹篇論文“關於方向的分析表示”,試圖利用向量來表示復數,遺憾的是這篇文章的重大價值直到1897年譯成法文後,才被人們重視。瑞士人阿甘達(J. Argand,1768-1822) 給出復數的壹個稍微不同的幾何解釋。他註意到負數是正數的壹個擴張,它是將方向和大小結合起來得出的,他的思路是:能否利用新增添某種新的概念來擴張實數系?在使人們接受復數方面,高斯的工作更為有效。他不僅將 a+ bi 表示為復平面上的壹點 ( a,b),而且闡述了復數的幾何加法和乘法。他還說,如果1,-1 和 原來不稱為正、負和虛單位,而稱為直、反和側單位,那麽人們對這些數就可能不會產生種種陰暗神秘的印象。他說幾何表示可以使人們對虛數真正有壹個新的看法,他引進術語“復數”(complex number)以與虛數相對立,並用 i 代替。

在澄清復數概念的工作中,愛爾蘭數學家哈米爾頓(Hamilton,1805 – 1865) 是非常重要的。哈米爾頓所關心的是算術的邏輯,並不滿足於幾何直觀。他指出:復數a+ bi 不是 2 + 3意義上的壹個真正的和,加號的使用是歷史的偶然,而 bi 不能加到a 上去。復數a+ bi 只不過是實數的有序數對(a,b),並給出了有序數對的四則運算,同時,這些運算滿足結合律、交換率和分配率。在這樣的觀點下,不僅復數被邏輯地建立在實數的基礎上,而且至今還有點神秘的-1的平方根也完全消除了。