U savremenom svetu Arapi su poznati po naftnim bogatstvima i ratovima koji se vode oko njih. Međutim, malo je poznat veliki udeo Arapa u očuvanju kulturne baštine i drevnih znanja Staroga veka, što je od posebnog značaja u matematici i filozofiji. Da bismo objasnili odakle se pojavila ova sjajna srednjovekovna civilizacija, moramo se upoznati sa osnovnim činjenicama iz arapske istorije i sa njihovim teritorijalnim osvajanjima .
Arabljanska plemena poluostrva Arabije dugo su tavorila u sklopu svog plemenskog mnogobožačkog ustrojstva - na rubu svih starovekovnih događaja. Osim minimalnog trgovačkog doprinosa, uglavnom su bili izolovani od drugih razvijenih naroda, ali koliko sputani, toliko i zaštićeni negostoljubivom klimom Arabije.
Munjeviti uspon arapske civilizacije počinje zapravo pojavom Muhameda u VII veku. On je sebe obznanio za proroka nove vere islama i preveo Arabljane u monoteizam koji je sam zasnovao. To je ubrzo dovelo do velikih pomeranja i osvajanja, pa su Arabljani počeli da provaljuju u plodne krajeve Sirije, Palestine i Mesopotamije. Osvojene su nove teritorije u Iraku, Persiji, Egiptu, Libiji, a kasnija proširenja odnosila su se na područje od Španije i Sicilije do doline Ganga u Indiji. Na ovom ogromnom prostoru arapski kolonizatori susreli su se sa raznim autohtonim kulturama, a došli su u dodir i sa Francima, Vizantijom, raznim helenističkim državicama Istoka, kao i sa bogatom kulturom Indije i Persije.
Opšti kulturni i naučni napredak Arapskog carstva započeo je u doba svetovne dinastije Umajada (661-750) čija je prestonica bio Damask u Siriji. Ovi vladari ratovali su sa Vizantijom, osvojili severnu Afriku i Španiju, severnu i zapadnu Indiju i prodrli do Turana u Srednjoj Aziji. U to vreme arapski je jezik dobio gramatiku i preovladao je u celom Carstvu. Ostvareni su prvi važniji kontakti sa evropskom civilizacijom, a jedan od najvažnijih posrednika bio je hrišćanski apologeta Sv. Jovan Damaštanski (Joannes Damascenus) koji je upoznavao arapske učenjake sa hrišćanskom verom, grčkom filozofijom i vizantijskom umetnošću. Naime, veći deo današnje zapadne Evrope tada je odisao varvarskim nazorima, pa je Vizantija bila usmerena na svoje nove južne susede.
Još veći zamah napretka usledio je u vreme teokratske dinastije Abasida kada je centar države premešten u Bagdad i osnovan Bagdadski halifat. Ova dinastija vladala je sa manjim prekidima od 750. do 1258. god. kada su je uništili Mongoli. To je bio period u kome je Arapsko carstvo preraslo u Islamski halifat, jer je pretežno arapski i sekularni karakter Umajadskog carstva pretvoren u opšti islamski, internacionalni karakter. Rase i nacije koje su prihvatile islam imale su punopravno učešće u svim sferama državnog i društvenog života, a to se odnosilo i na nauku.
Helenizam je ostvario najveći strani uticaj na arapski život; gradovi kao što su Edesa, Haran, Antiohija i Aleksandrija bili su centri odakle se (i posredstvom Arapa) helenizam širio u svim pravcima. Od posebnog značaja za sakupljanje naučnih saznanja bio je rad arapskih prevodilaca sa grčkog jezika.

PREVODIOCI I NASTAVLJAČI

Smatra se da je početkom IX veka prevedeno Ptolomejevo delo LJuadri partitum. Prema al-Masudiju, “arapskom Herodotu”, otprilike u isto vreme prevedeni su Euklidovi Elementi i Ptolomejev Almagest (arap. al-Majisti, od grč. megisth = najveća) - osnovna dela geometrije i astronomije kroz mnoge vekove, a to je najverovatnije učinio Haranac ibn-Matara (al-Hajjaj ibn-Yusuf ibn-Matara, 786-833) . Izgleda da je upravo on pripremio i druga dva prevoda Elemenata, onaj za ibn-Rašida i za al-Mamuna, velikog astronoma, i to pre nego što je Hunein (Hunayn) pripremio svoj prevod.
Kao još jednog važnog prethodnika arapske autohtone matematike potrebno je da navedemo al-Fazarija (Muhammad ibn-Ibrahim al-Fazari). Naime, naučno proučavanje astronomije u islamu započeto je 771. god. kada je u Bagdad doneseno indijsko delo Siddhanta, arap. Sindhind, koje je al-Fazari preveo. Na osnovu toga al-Mamunovi astronomi izvršili su jednu od najtežih operacija - merenje dužine jednog stepena geografske širine, pod pretpostavkom da je Zemlja okrugla. Al-Fazarijeva je zasluga uvođenje indijske aritmetike u arapsku nauku, pre svega, oznake za nulu.
Sve ovo je dovelo do laganog, ali uspešnog napretka arapske matematike i pojave većeg broja naučnika. Pored onih o kojima će više biti reči kasnije, pomenimo al-Nasavija (Ahmad al-Nasanji, umro oko 1040) u čijem se delu al-Muljni’fi al-Hisab al-Hindi (Dokazivač induskog računa) objašnjava deljenje razlomaka i računanje kvadratnog i kubnog korena, uz korišćenje indijskih brojki, a sve to na skoro savremen način . NJegov prethodnik u ovakvom pristupu bio je poznati arapski matematičar al-Horezmi. Mada nam to ovde nije od većeg značaja, pomenimo kao važan deo arapskog doprinosa matematici i delo Kitab al-Hay’ah autora ibn-Aflaha (Jabir ibn-Aflah) u kome se nalazi veoma važno poglavlje o trigonometriji ravni i prostora. Vrlo je verovatno da je oko dva i po stoleća pre ibn-Aflaha Sabejac al-Batani (al-Battani, umro 929) prvi pronašao pojmove i oznake analogne današnjim trigonometrijskim odnosima.
Bez obzira što je prevođenje indijskih dela na arapski prethodilo prevođenju grčkih matematičkih dela, njihov uticaj je bio obrnut - u arapskoj matematici i nauci uopšte najjače se osećaju grčki uticaji.

AL-HOREZMI

Glavna ličnost u ranom razvoju arapske matematike bio je već pomenuti al-Horezmi (Muhammad ibn-Musa al-Khnjarizmi, 780-850). Pored toga što je sastavio najstarije astronomske tablice, al-Horezmi je napisao najstarije poznato delo o aritmetici sačuvano samo u prevodu, a isti je slučaj i sa njegovim najpoznatijim algebarskim delom Hisab al-Jabr nj’al-Muljabalah. Ovo delo sadrži više od 800 primera, od kojih se samo neki javljaju ranije kod Neovavilonaca. Hisab al-Jabr preveo je na latinski u XII veku Gerardo iz Kremone i sve do XVI veka upotrebljavano je kao glavni matematički uxbenik na evropskim univerzitetima. Najpoznatiji nastavljači al-Horezmija bili su Omar al-Hajam, Leonardo Fibonači (Fibonacci) iz Pize i Jakov iz Firence .

ALGEBROM KROZ GEOMETRIJU

PRISTUP

U današnjem razvijenom obliku matematički jezik i pismo služe nam ne samo da se lakše izrazimo, već i da nam olakšaju dalja usavršavanja teorija. Poznato je da je to proizvod 25-vekovnog razvoja, ali najplodniji period za nastanak tog jezika bila su poslednja dva stoleća. U vreme o kojem ovde govorimo, a to je po evropskoj hronologiji rani Srednji vek, mnogi termini i oznake nisu još bili uobličeni, a iskazivanje matematičkih teorija bilo je u velikoj meri deskriptivno. Na neizdiferenciranost pojedinih matematičkih oblasti uticala je i nerazvijenost tog jezika, a mnoge od njih, poput matematičke analize, tada još nisu ni postojale.
Vrlo je zanimljivo razmotriti kako se rađalo jedno moćno matematičko sredstvo - algebra - koja u to vreme nije bila ništa drugo do pokušaj sinteze euklidosvke geometrije i pitagorejske aritmetike. Naime, elementarna geometrija razvila se nekih hiljadu godina ranije i bavila se prostornim odnosima i svojstvima figura, pre svega simetričnih. Antička grčka misao nije razdvajala strogo čak ni ovakve oblasti od filozofije i estetike, a isto se odnosilo na broj i aritmetiku. U svemu je tražena harmonija, proporcija i simetrija, a to je uobličavano u aristotelovske sisteme dedukcije i opštije logičke zakonitosti.
Razmotrićemo ovom prilikom neke nepoznatije puteve rešavanja algebarskih problema, pre svega jednačina drugog i trećeg stepena. Mada su se arapski matematičari vrlo uspešno bavili i mnogo složenijim problemima, i ovo će biti dovoljno da shvatimo genijalnost njihovih ideja i postupaka, s obzirom da je na Dekartovu analitičku geometriju trebalo čekati bezmalo milenijum. Ideja je, dakle, sledeća: za konkretne probleme u trgovini, nasleđivanju i raznim proračunima trebalo je pronaći najefikasnije načine rešavanja koristeći se pri tome geometrijom, novouvedenom terminologijom i podesnim indijskim brojkama, kao i bitno drugačijim pristupom dotadašnjoj geometriji - onim što bismo danas mogli nazvati algebrom kroz geometriju (tj. algebrom postavljenom i iskazanom geometrijski, gde su rezultati bili aritmetički) ili, kraće i manje precizno, geometrijskom algebrom.

GRČKI UZORI

Bilo bi pretenciozno reći da su Arapi izmislili geometrijski pristup algebri. Njihova prednost bila je veće poklanjanje pažnje broju i aritmetici uopšte, što kod starih Grka nije bilo preterano na ceni ukoliko izuzmemo Pitagoru. Pored svega, Grci su brojeve zapisivali grčkim slovima koristeći njihovu poziciju u alfabetskom poretku - tzv. tri eneade, za jedinice, desetice i stotine, pri čemu znak za nulu nije bio poznat.
U Euklidovim Elementima (Stoiceia) možemo pronaći niz tvrđenja tog tipa . Algebarsko pravilo za kvadrat binoma

ima svoju interpretaciju u II knjizi Elemenata:

II.4: Ako se data duž proizvoljno podeli, kvadrat nad celom duži jednak je zbiru kvadrata nad odsečcima i dvostrukog pravougaonika obuhvaćenog odsečcima.

Prema Plutarhovim rečima, pitagorejci su se bavili sledećim fundamentalnim problemom grčke geometrije:

Konstruisati pravolinijski lik sličan datom pravolinijskom liku i jednak drugom datom pravolinijskom liku.

Ovde je zapravo reč o tome da se na datoj duži konstruiše paralelogram koji je (po površini) jednak datom pravolinijskom liku i sličan datom paralelogramu. Konstrukcija ovakvog paralelograma ne podrazumeva da će cela duž predstavljati stranu paralelograma, već razlikujemo tri slučaja:

data duž AB može biti jednaka strani paralelograma AN, tj. AB = AN,
AB > AN; tada paralelogram nad preostalim delom NB duži nazivamo manjak,
AB < AN; tada paralelogram nad dodatkom BN duži AB nazivamo višak.

S obzirom na važnost i značaj koji su arapski matematičari pridavali Euklidovim tvrđenjima II.5, II.6 i II.14, razmotrićemo jedno od njih :

II.5: Ako se data duž ABpodeli dvema tačkama (C i D respektivno) i na jednake (tačka C) i na nejednake (tačka D) delove, zbir pravougaonika obuhvaćenog nejednakim delovima cele duži i kvadrata nad duži između deonih tačaka biće jednak kvadratu nad polovinom duži.

Ovo tvrđenje možemo iskazati ovako:
.

Ukoliko površinu gnomona NOP označimo sa P, a površinu pravougaonika sa dijagonalom AH sa P, iz prethodne jednakosti slediće:

Ako stavimo AB = a, BM = x, odnosno AD = a - x, i ako bi površina gnomona NOP bila dat broj (npr. b 2), tada, budući da je moguće prema Euklidovim stavovima I.45 i II.14 konstruisati kvadrat jednak datom pravolinijskom liku, prethodna jednačina postaje:

U smislu pomenutog Plutarhovog iskaza, to znači da na datoj duži a treba konstruisati pravougaonik koji će biti jednak datom kvadratu b 2i to sa manjkom u obliku kvadrata (x 2= DHMB).

Poslednji zaključak navodi nas na potrebu da odredimo x, odnosno položaj tačke D na pravoj AB, a to ćemo sprovesti uobičajnim savremenim načinom rešavanja kvadratne jednačine:

Poslednja jednakost veoma podseća na primenu Pitagorine teoreme, tj. na pravougli trougao čija je hipotenuza , a katete i . To znači da se x može dobiti konstruktivno konstrukcijom tačke D iz navedenog trougla.

O već pomenutom ugledanju na Euklida i ostale grčke matematičare najbolje svedoče reči samog Omara al-Hajama:

Ko god misli da algebra podrazumeva veštinu u radu sa nepoznatim veličinama, u zabludi je. Ne treba obraćati pažnju na činjenicu da su algebra i geometrija različite u svojoj pojavi. Algebre (jabr, muljabalah) predstavljaju geometrijske činjenice što je pokazano tvrđenjima pet i šest druge knjige (Euklidovih) ElemenataŠOmar Khayyam, a paper - A: Khayyam (1963)Ć .

Budući da smo uglavnom naznačili pravce razmišljanja kojim je arapske matematičare odvela grčka misao, kao i najvažnije konkretne uzore, preći ćemo sada na detaljniji opis arapskih dostignuća u geometrijskoj algebri, pre svega kod al-Horezmija i al-Hajama.

JEDNAČINE DRUGOG STEPENA

TRAKTAT AL-HOREZMIJA. Pomenuli smo već al-Horezmijev algebarski traktat čiji je pun naziv Al-LJitab al-Muhtasar fi Hisab al-Jabr nj’al-Muljabalah. Tačno značenje reči al-jabr i al-muljabalah ćemo uskoro razjasniti. Ovaj traktakt se sastoji od tri dela: algebarskog dela (sa malom glavom o prostom trojnom pravilu), manjeg geometrijskog dela o merenjima i opširne knjige o zaveštanjima . Najvažniji latinski prevodi ovog dela su seviljski prevod Roberta iz Čestera (1145) i toledski prevod Gerarda iz Kremone (1114-1187).
Da bismo mogli uspešno da pratimo osnove izlaganja o kvadratnim jednačinama, moramo da razjasnimo najpre al-Horezmijevu terminologiju. On kaže da ljudi u aritmetici rade sa prostim brojevima - dirhem (od grč. dracma, novčana jedinica). Međutim, u algebri se razmatraju tri vrste brojeva: dirhem, jizr (xizr = koren) ili shay (šaj = stvar) i mal (novčana suma, imovina) . Prema al-Horezmijevom tumačenju, xizr bi bio nepoznata ili koren, a mal kvadrat.

NEGATIVNOST I IRACIONALNOST. Pre nego što razmotrimo tipove kvadratnih jednačina kod al-Horezmija, moramo objasniti kako su se on i njegovi nastavljači odnosili prema negativnim i iracionalnim brojevima. Do pre nekoliko vekova korišćenje negativnih brojeva se uglavnom izbegavalo. U XVI veku evropski matematičari ove brojeve nazivali su numeri fictici. Razloge za to sasvim dobro je obrazložio Augustus de Morgan 1831. godine:

Imaginarni izraz i negativan izraz su slični u tome što se oba pojavljuju kao rešenja zadataka koji naznačuju neku nekonzistentnost ili apsurd. Što se njihovog realnog smisla tiče, oba su podjednako imaginarna jer je isto tako nepojmljivo kao i .

Al-Horezmijevo izlaganje nije simboličko, već vrlo deskriptivno i razvučeno, pa on ukazuje na postojanje brojevnih kvadratnih iracionalnosti i naziva ih jizr asam, tj. nemi ili gluvi koren . To je najverovatnije prevod grčke reči alogoV čije je značenje ovde neizgovorljiv, neizraziv, u smislu da ne postoji odnos između reči i pojma, tj. da se ona ne odnosi ni na šta. Gerardo iz Kremone preveo je asam sa surdus (gluv) i ta reč sačuvala se do XVIII veka paralelno sa rečju irrationalis.
Negativni koeficijenti su dosledno izbegavani, što je i dovelo do toga da al-Horezmi klasifikuje šest osnovnih tipova kvadratnih jednačina umesto jednog jedinog - onog koji danas nazivamo kanonskim oblikom . Pored toga, uočavamo doslednost u izjednačavanju koeficijenta uz kvadrat sa jedinicom. Štaviše, i iracionalne veličine al-Horezmi veoma retko koristi; one se javljaju samo u nekoliko jednačina tipa i kod jedne potpune kvadratne jednačine , odnosno , sa korenom .

TIPOVI KVADRATNIH JEDNAČINA. Iz razloga koje smo naveli u prethodnoj tački, al-Horezmijeva klasifikacija jednačina bila je ovakva :

- kvadrati su jednaki korenima (mal = xizr),
- kvadrati su jednaki broju (mal = dirhem),
- koreni su jednaki broju (xizr = dirhem),
- kvadrati i koreni su jednaki broju (mal + xizr = dirhem),
- kvadrati i brojevi su jednaki korenu (mal + dirhem = xizr),
- koreni i brojevi su jednaki kvadratu (xizr + dirhem = mal).

Za rešavanje bilo koje drugačije jednačine potrebno je da ona bude svedena na neki od navedenih tipova. Ukoliko se pojave umanjioci, njih eliminišemo operacijom al-xabr, tj. dopunjavanjem. To podrazumeva da se obema stranama jednakosti dodaju članovi jednaki umanjiocima (bilo da su oni tipa dirhem, xizr ili mal). Sve istovrsne članove zatim svodimo na jedan jedini operacijom al-mukabala, tj. sravnjivanjem. Primetna je tendencija da se vodeći koeficijenat kvadratne jednačine svede na jedinicu zato što su pravila rešavanja jednačina tipa 4-6. formulisana za takav slučaj. Navedene operacije našle su mesto, kao što smo se uverili, u samom nazivu traktata.

Razmotrićemo jedan primer primene navedenog metoda svođenja na tip. Neka imamo uslov koji u savremenoj notaciji možemo zapisati u obliku

, odnosno .

Al-Horezmi postupno transformiše ovu jednačinu:

(al-xabr),

zatim je deli sa 2 i svodi na jednačinu petog tipa:

(al-mukabala).

Zapadni Arapi, pre svega oni u Španiji, izgovarali su glas xim ne kao x, već kao g, pa i reč al-xabr kao al-gabr. U ovom obliku reč algebra ušla je u sve evropske jezike, a videli smo da je njeno prvobitno značenje bilo dopunjavanje. Potrebno je napomenuti dve okolnosti u vezi navedenih tipova. Kod prvog tipa al-Horezmi jednačinu smatra linearnom i ne uzima u obzir rešenje 0 koje nije interesantno u primenama. U drugom tipu jednačina () nepoznata se ne javlja samo kao koren, već i kao kvadrat, pa al-Horezmi naglašava koje je njeno rešenje po korenu, a koje po kvadratu. Tako za jednačinu navodi koren , ali dodaje da je kvadrat te jednačine ( jer ).

DVA PRIMERA . Konačno, razmotrimo metod rešavanja nekih tipskih jednačina. Najčešće al-Horezmi nalazi rešenja pomoću dve različite konstrukcije koje obe odgovaraju dopuni do kvadrata. Posmatrajmo jednačinu

Al-Horezmi “podiže” traženi kvadrat i nad njegovim ivicama konstruiše četiri pravougaonika visine , pa se u uglovima “velikog” kvadrata dobijaju četiri kvadrata čija je ivica jednaka visini pravougaonika. Odatle sledi da je površina velikog kvadrata , a ivica . Jasno je da je cilj rešavanja i bio da se dobije ivica (xizr iz mala), pa iz poslednjeg sledi da je rešenje polazne kvadratne jednačine:
.

Uopšte, za jednačine četvrtog tipa

algebarske transformacije koje odgovaraju geometrijskim su sledeće:

,
,
,
.

Drugi način dopune do kvadrata u istom primeru postaje nam jasan ako pažljivo razmotrimo sliku; ovde je reč o sledećim algebarskim transformacijama:

jer , i , odnosno: .

Razmotrimo sada drugi primer i jednačinu petog tipa

Al-Horezmiju je bilo poznato da ovakve jednačine imaju ili dva (pozitivna) korena, ili jedan (dvostruki) ili nijedan (oba imaginarna). Pravilo za ovaj tip ilustrovano je rešavanjem jednačine čiji su koreni i :

Uputstva su, naravno, deskriptivna: “...prepolovi koren, biće 5; i pomnoži to samim sobom, biće 25; i oduzmi od toga 21, koje je dodatak kvadratu, ostaje 4; izvuci iz toga koren, biće 2; i oduzmi to od polovine korena, tj. 5, ostaje 3 ; to će i biti koren kvadrata koji ti tražiš, a kvadrat je 9. A ako hoćeš, dopuni to polovinom korena, biće 7 ; i to je - koren kvadrata koji tražiš, a kvadrat je 49. Ako se sretneš sa zadatkom navedenim u ovoj glavi, proveri njegovu ispravnost pomoću sabiranja; ako nije tako, ŠrešenjeĆ se sigurno dobija pomoću oduzimanja. Znaj takođe, da kad god prepolovljavaš korene i množiš samima sobom, ako je proizvod manji od dirhema dodatog kvadratu, zadatak je nemoguć, a ako je jednak dirhemu, koren kvadrata jednak je polovini korena bez dodavanja i oduzimanja...”

Geometrijski dokaz razdvaja pravilo za peti tip na dva slučaja, tj. na korene:

i .

Detaljno ćemo razmotriti slučaj x1, dok je za drugi slučaj u oksfordskom arapskom rukopisu rečeno samo to da se koren dobija ako duži DH dodamo JH. Moguće je da je al-Horezmi znao da konstruiše rešenje tog slučaja, ali je problem nastao kod prepisivača i prevodilaca. Vratimo se prvom korenu:
Pravougaonik GCDE ima ivice GC = p i CD = x , a čine ga kvadrat ABCD = x 2 i njemu dodati pravougaonik GBAE = . Uz prtpostavku , u tački F koja je središte duži GC konstruišemo vertikalu FH, a nju još produžimo za AH = HK = . Treba da dopunimo kvadrate GFKM = i JHKL = . Po konstrukciji jednaki su među sobom pravougaonici EJLM i FBAH, pa je zbog toga kvadrat JHKL jednak razlici kvadrata GFKM i sume pravougaonika GFHE i EJLM:
JHKL = GFKM - (GFHE + EJLM ) Û
Û .
Odatle je ivica
JH = AH = ,
a tražena ivica
x = AD = HD - HA = .

BROJ p. Kroz ove primere naznačili smo ukratko veliku umešnost al-Horezmija u rešavanju kvadratnih jednačina. NJegovo delo, međutim, obuhvata i mnoge druge probleme s kojima se ovom prilikom ne možemo detaljnije upoznati. U vezi sa iracionalnostima navodimo njegovo shvatanje broja p.
On je za odnos dužine obima prema prečniku kruga predložio tri značenja : , i . Tvrdi da je površina kruga jednaka polovini prečnika pomnoženim polovinom obima: , zato što je za površinu pravilnog mnogougla: ( r je radijus upisanog kruga).

ABU-KAMIL. Abu-LJamil (850-930) je egipatski arapski naučnik i jedan od najuspešnijih nastavljača dela al-Horezmija. NJegova je algebra ograničena na kvadratne jednačine kao i kod al-Horezmija, a svoj traktat započinje rešenjima kanonskih tipova. Analogno, njegova rešenja su geometrijske prirode.
Mnogi postupci abu-Kamila slični su al-Horezmijevim, ali je kod njega od svih staroarapskih matematičara najizraženija ravnopravnost korena jednačine i kvadrat tog korena. Novost je u tome što abu-Kamil ne predstavlja obavezno mal kvadratom ili xizr preko duži, već kod njega kvadrat može biti predstavljen preko duži i sl, što omogućava upotrebu većih stepena (npr. mal-mal , tj. kvadrat kvadrata ili četvrti stepen itd).
Glavne zasluge abu-Kamila su te što se u izlaganju njegove algebre mogu zapaziti unapređenje teorijskog nivoa (odvajanje od konkretnih primena) i jaka tendencija ka aritmetizaciji, bez obzira na korišćenje geometrije u dokazima. On sasvim otvoreno iskazuje opšte algebarske identičnosti i redovno skreće pažnju čitaocu na njihov značaj. U primerima koje izlaže, kvadratne iracionalnosti tretirane su uvek kao brojevi, odnosno kao objekti čisto aritmetičke prirode - bilo kao koreni jednačina, bilo kao koeficijenti.

JEDNAČINE TREĆEG STEPENA

OMAR AL-HAJAM. ‘Omar al-Khayyam (oko 1040-1123) je Persijanac čiji se veliki rezultati u matematici pre svega odnose na izučavanje kvadratnih jednačina, konusnih preseka i korena kubnih jednačina. NJegov postupak rešavanja kubnih jednačina može se koristiti za nalaženje svih realnih korena jednačina trećeg stepena, a opisan je u delu Al-Jabr nj’al-Muljabalah. Pored njegove svestranosti u matematici, al-Hajam je šire poznat na Zapadu po zbirci svoje filozofske poezije Rubaiyat.
Uspešno je rešavao kvadratne jednačine geometrijskim metodom - dopunom kvadrata, u čemu mnogo podseća na al-Horezmija. Klasifikacija sadrži tkđ. šest kanonskih tipova jednačina drugog stepena, a u nekim konstrukcijama al-Hajam se poziva direktno na Euklida i tvrđenja kao što je II.14 druge knjige Elemenata. Naravno da i al-Hajam izbegava direktno da pominje upotrebu negativnih korena kvadratnih jednačina, ali tu moramo imati na umu sledeće činjenice : neka je -r (r > 0) negativan koren jednačine . Tada je , odnosno , što znači da je r pozitivan koren jednačine . Dakle, apsolutna vrednost negativnog korena prve jednačine je pozitivan koren druge jednačine i obratno.
Budući da smo o osnovnim idejama rešavanja jednačina drugog stepena dosta detaljno govorili i u vezi sa traktatom al-Horezmija, obratićemo sada više pažnje na ono čime se al-Horezmi nije bavio - jednačine trećeg stepena.

PARABOLA I KUBNI KOREN. Kada se suočimo sa jednačinama trećeg stepena, nastaju mnogo veći problemi nego što je to slučaj sa kvadratnim jednačinama. Jasno je da nikakvim dopunama do kvadrata ne možemo naći korene kubnih jednačina, pa je zato neophodno da pribegnemo drugačijim rešenjima. Izlaz za ovaj problem nude nam konusni preseci kao što su parabola i (pravougaona) hiperbola . Kao dovoljno ilustrativan primer konstrukcije konusnog preseka, konstruisaćemo parabolu, a zatim kubni koren.

Konstrukcija kubnog korena zasniva se na osobini koju su uočili još grčki matematičari:

gde u specijalnom slučaju dobijamo ukoliko pronađemo c i d takve da je i . Ako su c i d promenljive, a b konstanta, tada ove dve jednačine

možemo smatrati jednačinama dveju parabola čije su ose normalne, a teme im je u istoj tački. Na ove činjenice treba dobro obratiti pažnju da bi bila jasna konstrukcija kubnog korena.

Al-Hajam je prihvatio grčki postupak konstruisanja parabole. Naime, ako je AB duž, tada je parabola sa temenom B i parametrom AB takva kriva p za koju, ukoliko tačka C pripada krivoj p, za pravougaonik CDBE važi

S obzirom da su Dekartove koordinate tačke C zaista (BE, BD), ova je jednakost vrlo bliska danas uobičajnoj kanonskoj jednačini parabole: . Konstrukciju parabole, dakle, koristimo za konstrukciju kubnog korena, a za konstrukciju tačaka parabole konstrukciju kvadratnog korena.

Sada možemo da razmortimo samu konstrukciju kubnog korena () . Neka je b proizvoljan pozitivan broj ili dužina duži i označimo ga b = AB. Konstruišimo tačku C takvu da je CB normala na AB u tački B i CB = 1. Prema navedenoj konstrukciji, konstruišimo parabolu sa temenom B i parametrom AB, kao i parabolu sa istim temenom i parametrom CB. Označimo sa E presek tih dveju krivih i konstruišimo pravougaonik BFEG. Tada je:

Označimo li c = GE = BF i d = BG = FE, imamo tada

Inače, grčki matematičari su vrlo temeljito izučili osobine konusnih preseka, što je kulminiralo Apolonijevim delom Konike iz 200. g. pre Hrista.

TIPOVI KUBNIH JEDNAČINA. Izbegavanje negativnih koeficijenata ponovo je razlog zašto se kod al-Hajama javljaju tipovi kubnih jednačina. Na sasvim sličan način na koji je on (a pre njega al-Horezmi) postupio sa kvadratnim jednačinama, izvedeno je devetnaest tipova kubnih jednačina koje su iskazane korišćenjem isključivo pozitivnih koeficijenata.
Među navedenih devetnaest, pet tipova mogu da se svedu na kvadratne jednačine, dok preostalih četrnaest al-Hajam rešava pomoću konusnih preseka. Na taj način moguće je pronaći sve pozitivne korene svakog tipa. Umesto razmatranja svakog tipa ponaosob, D.NJ. Henderson predlaže vrlo prosta svođenja ovih četrnaest tipova na samo tri, pored onih tipova koji su već rešeni ranijim konstrukcijama (npr. ), a zatim daje al-Hajamova rešenja za te tipove . Uvedimo smenu u kubnu jednačinu čiji je vodeći koeficijenat 1:

Sveli smo, dakle, kubnu jednačinu na oblik u kome se ne pojavljuje kvadratni, već samo kubni, linearni i slobodni član. Ovim se bitno smanjuje broj kombinacija za tipove sa svim pozitivnim koeficijentima, pa umesto četrnaest, sada imamo samo četiri tipa koja nisu prethodno rešena:

(1) , (2) , (3) i (4) .

Jasno je da ovakvo svođenje al-Hajam nije mogao da izvede zbog nepostojanja prikladne matematičke simbolike, ali nama je ovom prilikom korisno da skratimo postupak u cilju izbegavanja mogućnosti da nam zbog velikog broja tipova kubnih jednačina izmaknu najvažnije al-Hajamove ideje i metodi.
Pokazuje se da je za nalaženje svih korena svih kubnih jednačina potrebno pronaći postupak za rešavanje tipova 1 - 3, što je dovoljno da bi se rešio i navedeni tip 4. Pre nego što razmotrimo rešenje prvog od ovih tipova, pomenimo samo da je al-Hajam gajio nadu da će buduće genaracije matematičara možda biti u stanju da rešavaju jednačine stepena većih od tri.

PRVI TIP KUBNIH JEDNAČINA. Primetili smo već da su al-Hajamova rešenja kubnih jednačina podrazumevala konstrukciju parabole i pravougaone hiperbole. Budući da se za rešavanje drugog i trećeg tipa koristi pravougaona hiperbola, a da smo se ovom prilikom zadovoljili konstrukcijom parabole, razmotrićemo samo tip za čije je rešenje neophodna upravo parabola.
Rešimo kubnu jednačinu prvog tipa (kub i koren su jednaki broju):

Neka je duž AB ivica kvadrata takva da je . Konstruišimo telo čija je površina baze jednaka površini kvadrata nad AB, a zapremina datom broju b (konstrukcija je opisana u knjizi D.NJ. Henderson-a). Neka BC bude visina tog tela (koja je normalna na AB ), tj. . Konstruišimo parabolu sa parametrom AB i temenom u tački B, pa će tada BC biti tangenta na geometrijsko mesto tačaka te konike (kroz tačke B i D ) u tački B. Opišimo polukrug nad BC koji mora da seče koniku u tački D. Iz ove tačke konstruišimo dve normale DZ i DE na BZ i BE respektivno. Traženi koren je tada EB.
Koristeći savremenu simboliku, al-Hajamov dokaz sastoji se u tome što iz osobina parabole i kruga (a parabolu smo detaljnije razmotrili), sledi

Ovim smo, uz vrlo pažljivo razmatranje, dokazali da je EB zaista koren jednačine prvog tipa . Pošto se sa porastom vrednosti promenljive x povećava i vrednost izraza , postoji samo ovaj jedinstveni koren.

KARDANOVI OBRASCI . Posle pregleda najvažnijih dostignuća u arapskoj algebarskoj školi, može izgledati da se sada udaljujemo od teme. Međutim, rezultati italijanskog matematičara Đirolama Kardana (Girolamo Cardano, XVI vek) jasno se nastavljaju na al-Hajamove metode rešavanja kubnih jednačina i pokazuju kako je u arapskoj matematici indirektno utemeljena teorija kompleksnih brojeva.
Mada se većina istorijskih izvora slaže da al-Hajam nije otkrio negativne korene kubnih jednačina (što se pripisuje Kardanu), ti izvori zanemaruju činjenicu da su njegovi postupci sasvim dovoljni za nalaženje tih korena. Kardanovi algebarski obrasci objavljeni su u delu Artis Magnae 1545. godine i smatraju se prvim opštim rešenjem kubnih jednačina.

Ne iznenađuje to što je Kardano koristio samo pozitivne koeficijente i što njegova klasifikacija kubnih jednačina obuhvata trinaest tipova kao kod al-Hajama, izuzimajući jednačine svodljive na kvadratne, kao i onu . Uz to, za svaki tip posebno Kardano je izveo geometrijske dokaze. Razjasnili smo kako se dolazi do jednačine , pri čemu ćemo sada dopustiti da a i b budu negativni ili pozitivni. Kardanova je smena, međutim, oblika , odakle zamenom u svedenu kubnu jednačinu dobijamo

Ovo stepenovanje i uprošćavanje je izveo geometrijskim putem zamišljajući kubove kao ivice dužine . Dakle, jeste koren ako je i . Daljim rešavanjem nalazimo da su t i u koreni kvadratne jednačine koju je Kardano rešio takođe geometrijskim putem. Odavde dobijamo

i .

Konačno, traženi koren polazne kubne jednačine nalazimo u obliku

Upravo je ovo Kardanov obrazac za kubnu jednačinu. Međutim, kako kaže D.NJ. Henderson, dogodila se vrlo neobična stvar. Kardano je primetio da jednačina ima pozitivan realan koren , pri čemu je u tom slučaju , što zamenom u obrazac povlači da je koren ove jednačine jednak
.

Budući da u to vreme nije bila izgrađena teorija kompleksnih brojeva, Kardanov zaključak je bio da navedeni postupak nije prikladan za ovu jednačinu, kao i sve one “čiji je kub jedne trećine koeficijenta uz x veći od kvadrata jedne polovine konstante u jednačini”. Danas znamo da svaki kompleksan broj ima tri kubna korena, pa je poslednja jednakost višeznačna. Važna je činjenica da su Kardano i drugi matematičari tog vremena počeli da ispituju mogući smisao kompleksnih brojeva, pa je time započeta izgradnja teorije kompleksnih brojeva.

POGLED UNAZAD

DAVID NJ. HENDERSON: OSVRT

O istoriji razvoja matematičke misli malo se govori u savremenom obrazovnom procesu. Matematika u svom sadašnjem vrlo razvijenom, ali i razuđenom obliku, poseduje sredstva koja joj omogućavaju još veći zamah. To nije uvek pristupačno mnogim mladim talentovanim ljudima jer ih sputava u smislu intuitivnog i kreativnog razmišljanja, a usmerava ih na učenje za njih do tada nepoznatog i novog - matematičkog - jezika. Upravo je matematika primer nauke koja bi trebalo da se kloni bilo kakvog šablona i ustaljenih načina mišljenja. Takve sheme mogu da se otklanjaju, između ostalog, i stalnim pogledima unazad - u dela naših daljih i bližih prethodnika jer upravo su oni temelji koji drže današnje matematičko zdanje.
Možemo se složiti sa Henderson-om da je od velike važnosti poklanjanje pažnje značenju pojmova u matematici. Ta značenja ne treba uzimati onakvima kakva su po sebi, već treba vrlo pažljivo “osluškivati” i na kreativan način razjašnjavati krije li se u tom pojmu još nešto čega nismo svesni. Primer za takve napore imamo u trenucima kada al-Horezmi naslućuje negativne brojeve kroz termin nemi koren (jizr asam) ili kada Kardano zalazi u teoriju kompleksnih brojeva nedoumicama o nepodesnosti svog obrasca za rešavanje kubnih jednačina. Drugi način za ispitivanje značenja pojmova bilo bi proučavanje matematičara iz starine i stalno postavljanje pitanja: Zašto su to oni tako uradili? ili Zašto to nisu tako uradili? Na primer, zašto su rani algebristi toliko insistrirali na geometrijskim dokazima? Izgleda ponekad da su matematičari minulih vekova bili mnogo svesniji kompaktnosti i celovitosti sveukupne matematike neko što smo mi to danas.
Tako je u modernoj matematici data prednost analitičkim nad starim geometrijskim dokazima, bez obzira što su analitički dokazi zasnovani na 150 godina starim Košijevim predstavama i na aksiomi potpunosti. Jasno je, naravno, da je za većinu matematičara intuitivno shvatanje realnih brojeva zasnovano na geometrijskoj realnoj pravoj. Henderson ovde postavlja vrlo prosto i zanimljivo pitanje - kako da shvatimo npr. množenje, ? Odmah je jasna geometrijska interpretacija preko površine pravougaonika, dok u uhodanom analitičkom razumevanju možemo imati dosta problema ako množimo dva beskonačna neperiodična decimalna razlomka, kao npr. u slučaju .
Ponekad u primenama treba, kako svedoči Henderson, dati prednost geometrijskim dokazima. Razlog tome može biti npr. što rezultat tog metoda nije broj, već slikovit fizički objekat, za čije nalaženje koristimo svoje ideje, a ne puku tehniku računanja. Zbog toga geometrijski metod može da bude srazmerno brži od numeričkog. Pošto je rešenje fizičke prirode, ne moramo da brinemo o stepenu tačnosti rešenja, a i neupućenima u problem metodološki je mnogo lakše objasniti kako se do rešenja došlo.

VREDNOST ARAPSKIH DOSTIGNUĆA

Vratimo se još jednom al-Horezmiju i delima svih arapskih naučnika koji su zadužili svetsku matematiku. Bez sumnje, iznedrili su veličanstveno delo, bilo da je reč o njihovim traktatima, spisima, metodama ili hrabrosti da se upuste u oblasti za koje tada nije bila izgrađena ni elementarna simbolika niti terminologija.
Prema obaveštenjima koja nam pruža A.P. Áškevič , ostaje nepoznato da li samo al-Horezmiju pripadaju algebarski rezultati navedeni u traktatu Hisab al-Jabr nj’al-Muljabalah. Al-Horezmi tu navodi da jedna vrsta učenih ljudi ima prvenstvo u otkrićima, drugi pak razjašnjavaju teška mesta u delima svojih prethodnika i olakšavaju njihovo tumačenje, dok treći sistematizuju i dovode u red već postojeća znanja, ispravljajući netačnosti i upotpunjujući ideje svojih prethodnika, ali “bez doprinosa njima i bez ponosa u duši”. Nije sasvim jasno u koju je grupu al-Horezmi sam sebe ubrajao jer je u njegovoj aritmetici nedvosmisleno primenjen indijski obrazac. Međutim, algebra mu se odlikuje nizom osobenosti: u indijskoj algebri ne nailazimo na geometrijske dokaze pravila za rešavanje kvadratnih jednačina, kao ni na operacije nad algebarskim izrazima. Nasuprot tome, bagdadski učenjaci ne upotrebljavaju negativne brojeve i posebnu simboliku, već je njihov stil deskriptivan. U Indiji su definisana pravila rešavanja kvadratnih jednačina s proizvoljnim koeficijentom uz kvadrat, tako da već Indijac Brahmagupta nije razlikovao tipove 4 - 6. koje navodi al-Horezmi, a kasnije i al-Hajam.
Grčkoj algebri al-Horezmija približava geometrijska konstrukcija korena kvadratne jednačine. Sličnost sa Euklidovim Elementima možemo da primetimo samo pri drugoj konstrukciji rešenja za jednačinu četvrtog tipa, kao i u rečenici sličnoj onoj iz druge knjige Elemenata u vezi sa kvadratom binoma. Međutim, već pri prvoj konstrukciji vezanoj za taj identitet nemoguće je pronaći prototip u grčkoj matematici. Uz još neke razlike, navedimo da al-Horezmijeva konstrukcija rešenja za šesti tip kvadratne jednačine uopšte nema analogon kod Euklida, a i primetna je razlika u stilu i cilju izlaganja između njih dvojice.
Sve ovo što je rečeno za al-Horezmija moglo bi se razmatrati i kod ostalih arapskih matematičara. No bez obzira na ovakve rezerve, neosporna je njihova genijalnost u pristupu materiji, kao i neprolazan karakter njihovih ideja i napora u očuvanju antičkih znanja i izgrađivanju srednjovekovne matematike. Oni imaju veliki udeo u pripremi evropskih mislilaca od XVI do XIX veka za naučni i misaoni proboj koji je u tom periodu postignut.

LITERATURA

ISTORIÂ MATEMATIKI V SREDNIE VEKA,Poglavlje III - Matematika v stranah islama ;
Gosudarstvennoe izdatelstvo fiziko-matamatičeskoy literature, Moskva, 1961. godine
David NJ. HENDERSON: EXPERIENCING GEOMETRY OF PLANE & SPHERE,Poglavlje 14 - Geometric Solutions of LJuadratic and Cubic Eljuations ; Cornell University, Prentice Hall Inc., Upper Saddle River, Nenj Jersey (USA)
Philip K. HITTI: ISTORIJA ARAPA od najstarijih vremena do danas, II fototipsko izdanje “Veselin Masleša”, biblioteka Posebna izdanja,
Sarajevo, 1988. godine
Vera PLAZINIĆ: PITAGOREJSKA ŠKOLA, seminarski rad (174/94) ; Beograd, 1999. godine

PROČITAJ / PREUZMI I DRUGE SEMINARSKE RADOVE IZ OBLASTI:

preuzmi seminarski rad u wordu » » »

Besplatni Seminarski Radovi