Naṣīr al-Dīn al-Ṭūsī · 1201–1274

纳西尔丁·图西

两个圆一起转,转出一条直线——他把托勒密天空里说不通的地方,拆成一个个匀速转动

r(cosθ, sinθ)+r(cosθ, sinθ)=(2rcosθ, 0)r(\cos\theta,\ \sin\theta) + r(\cos\theta,\ -\sin\theta) = (2r\cos\theta,\ 0)
图西双圆 · 首次发表于 1245 年,定型于 1261 年的《天文学纪要》 · 小圆的直径等于大圆的半径,大圆转 θ、小圆相对它反着转 2θ,边上那一点只在一条直径上来回走

1201 年 2 月 18 日生于呼罗珊的图斯,「图西」就是「图斯人」;纳西尔丁是尊号,意为「信仰的护持者」。他前半生替伊斯玛仪派的领主做事,先在库希斯坦的图恩,1245 至 1247 年间移到西北的阿拉穆特堡。1256 年旭烈兀的蒙古军攻下这一带的山堡,他转入旭烈兀麾下当了顾问,1258 年随军到了巴格达。1259 年起在大不里士南边的马拉盖主持建天文台,今人说的「马拉盖学派」就从这座台得名,1272 年编成《伊儿汗历表》。1274 年 6 月 26 日卒于巴格达。

他一生写的书极多,哲学、伦理、逻辑、神学都有,数学与天文是其中一半。一大宗是「修订本」:1247 年的《天文学大成》、1248 年的《原本》、1265 年那一组介于两者之间的「中间诸书」——把希腊与早期伊斯兰的经典逐部重写一遍,加注、补证,当教科书用。另一宗是自己的东西:一部把平面与球面三角学从头到尾讲完、而且不必再借天文学起步的《论完全四边形》;一篇论平行线的《释疑书》,接着前人去啃第五公设(馆里海什木、海亚姆两页讲过那一路);以及天文学里那个以他命名的双圆。本页六件展品讲后两宗里的数学:双圆和它怎样替下托勒密的均衡点,平面正弦定理,球面直角三角形的六种情形,极三角形,以及这些东西走到欧洲去的那两条路。

纳西尔丁·图西肖像
《天文学纪要》阿拉伯文抄本,梵蒂冈宗座图书馆藏(Vat. ar. 319)第 28 叶背面 · 取自馆方 IIIF 图像,原件为公有领域(图上斜印的是馆方的水印)。他没有同时代的画像传世,这里放他自己的书里最有名的一页:上方并排四幅小图,题字依次是「两圆起始的样子」「小圆走完半圈、大圆走完四分之一圈之后」「小圆走满一圈、大圆走完半圈之后」「小圆走完一圈半、大圆走完四分之三圈之后」——那个点依次落在直径的上端、圆心、下端、圆心。本页第一件展品演的就是这一叶。

生平

  1. 1201
    生于图斯

    2 月 18 日,呼罗珊。

  2. 1235
    《穆因论集》

    波斯文的天文学概要。书里说他找到了「一个精巧的办法」来解月亮与行星模型的毛病,却没写出来。

  3. 1245
    双圆第一次发表

    《〈穆因论集〉疑难解》,10 月下旬成于图恩。Ragep 2020 年据塔什干比鲁尼研究所藏抄本的题记定出这个日子;此前通说是 1247 年。

  4. 1247
    《天文学大成》修订本

    2 月 13 日完成,也写到了双圆——是他那一系列修订本里的第一部。

  5. 1248
    《原本》修订本

    《原本》逐卷重写,附自己的注。

  6. 1256
    转入旭烈兀麾下

    蒙古军攻下伊斯玛仪派的山堡,他成了旭烈兀的顾问。

  7. 1259
    马拉盖天文台动工

    在大不里士以南的马拉盖。他主持其事,四方学者聚到这里。

  8. 1261
    《天文学纪要》

    双圆在这里定型,另添了一种让点沿球面上一段大圆弧来回摆的曲线版本。水星那一个模型他坦白说还没解决。

  9. 1272
    《伊儿汗历表》

    马拉盖十几年的观测编成历表;一百多年后撒马尔罕的两部历表都接着它写。

  10. 1274
    卒于巴格达

    6 月 26 日。

  11. 1543
    《天体运行论》

    哥白尼第三卷第四章画的正是这个双圆,没有提他。

  12. 1594
    罗马刊印署他名字的《原本》

    美第奇印刷所的阿拉伯文本;书里论平行线的那一段后来被沃利斯与萨凯里引用。

  13. 1891
    《论完全四边形》法译

    亚历山大·卡拉泰奥多里据前大维齐尔埃德海姆帕夏藏书里的一部抄本译出,在君士坦丁堡印行。

  14. 1973
    哈特纳比对两张图

    指出哥白尼那张双圆图上的字母顺序,照的是阿拉伯文的字母顺序。

展品厅

绝大多数展品都可以亲手把玩——这是本馆的立馆之本;少数以叙述为主的,做成故事展签。

镇馆之宝 · 亲手玩

两个圆一起转,转出一条直线

小圆直径等于大圆半径,大圆转一角、小圆反着转两倍——边上那一点只在一条直径上来回走,离圆心 2r·cos θ。

r(cosθ, sinθ)+r(cosθ, sinθ)=(2rcosθ, 0)r(\cos\theta,\ \sin\theta) + r(\cos\theta,\ -\sin\theta) = (2r\cos\theta,\ 0)

托勒密的模型能算准,可有几处在当时的物理里说不通:天上只该有匀速转动的圆,而他让一些点在直线上往返、让一些圆绕着不是自己圆心的点匀速转。图西要解的是一道纯几何的题:只用匀速转动的圆,能不能造出一条直线上的往返?他的答案是两个圆:小圆的直径等于大圆的半径,内切着放进去;大圆朝一边转,小圆就朝另一边、以两倍的角速度转。小圆边上原先与大圆相切的那一点,从此只在大圆的一条直径上来回走,离圆心的距离正是 2r·cos θ——今天叫简谐振动。证明只要一行:那一点等于两个转向相反的等长转动之和,竖直方向的分量逐项相消。本页的肖像就是这件东西在他自己书里的样子:梵蒂冈藏《天文学纪要》抄本上并排四幅小图,大圆每转四分之一圈,那个点依次落在直径的上端、圆心、下端、圆心。它第一次写出来是在 1245 年一篇波斯文的解疑之作里(这个日子是 Ragep 2020 年据一部塔什干抄本的题记才定下的,此前通说 1247 年),十年前他就说自己找到了「一个精巧的办法」,却一直没公开。

看那一点怎样只在一条直径上来回;按「小圆边上三个点」,边上每一点各走一条直径

托勒密的模型里有些运动不是匀速圆周,这在当时的物理里说不通;图西要的是只用匀速转动的圆,造出一条直线上的往返。办法是两个圆:小圆的直径等于大圆的半径,内切着放进去,大圆转一个角,小圆就相对大圆反着转两倍的角。小圆边上原先与大圆相切的那一点,从此只在大圆的一条直径上来回走,离圆心的距离正是 2r·cos θ——今天叫简谐振动。右上四幅照的是本页肖像那一叶抄本:大圆每转四分之一圈,那个点依次落在直径的上端、圆心、下端、圆心。按「小圆边上三个点」看,边上任何一点都各走一条直径。

不要均衡点,也能算得一样准

方向交给一个绕均衡点匀速转的球,远近交给一对双圆——与托勒密只差 e 的平方那么一点:火星上不过三角分多。

托勒密最好用、也最招人骂的一招是均衡点:行星的本轮中心在一个心在 D 的圆上跑,却要求从另一个空点 E 看过去它匀速转(馆里托勒密那一页演过它有多准)。十一世纪起海什木等人就指出,一个天球不可能绕不是自己中心的点匀速转。图西的拆法照 Ragep 的概括是:把均轮上的运动分成两部分,一部分是相对观者的快慢,另一部分是离观者的远近,而后者由双圆带出来。落到几何上最省事的一种排法是:让一个以 E 为心的球匀速转,管方向;再让一对双圆沿半径来回推,管远近。本馆照这个思路自己算了一遍:从 E 看过去的方向与托勒密分毫不差;远近取 ρ = R − e·cos θ,往返全程 2e,远地点与近地点两头也分毫不差,差只出在中间,最多 R − √(R² − e²)。托勒密给火星的是 R = 60、e = 6,这个差是 0.3008,合半径的 0.50%;落到地球上看,经度至多差 3.35 角分,而均衡点本身把经度拨动了 5.68 度。也就是说,均衡点的效果有九成九被这两个匀速转动复现了出来。他在《天文学纪要》里用的具体球层配置另有细节,本馆没有逐条核过,演示只示范这条思路在数学上做得到哪一步。

托勒密让行星的本轮中心绕一个空点——均衡点 E——匀速转,而它离地球的远近由一个心在 D 的圆管着。这在当时的物理里说不通:天球只能绕自己的中心匀速转。图西把这件事拆成两半:方向交给一个绕 E 匀速转的球,远近交给一对双圆沿半径来回推。这样一来从 E 看过去的方向与托勒密分毫不差,差的只是远近,而且只差 e² 的量级:e = 6 时距离至多差 0.3008(R 的 0.50%),落到地球上的经度至多差 3.35 角分;而均衡点本身要拨动经度 341 角分。双圆的往返全程取 2e——地球到均衡点那么长——远地点与近地点两头就与托勒密完全重合。(这是本馆照图西的思路排的最简版本,他在《天文学纪要》里用的具体球层配置另有细节。)

三条边与对角的正弦成比例

三个比都等于外接圆的直径。有了它,「两角一边」一步解完;「两边一对角」却可能有两个三角形。

asinA=bsinB=csinC=2ρ\frac{a}{\sin A} = \frac{b}{\sin B} = \frac{c}{\sin C} = 2\rho

《论完全四边形》这个书名说的是一个图形:四条直线两两相交,截出一个四边形再挂两个三角形。托勒密以来,球面上的一切计算都绕着它转——梅涅劳斯定理说的就是这个图形上六段线的比,用起来要连乘几个比,极其笨重。十世纪起,阿布·纳斯尔、阿布·瓦法、胡将迪、比鲁尼等人陆续找到了更顺手的正弦定理与正切定理,称之为「免于四边形的图形」。图西这部书的分量在于把这一切从头到尾系统地讲完,平面与球面都在,而且不借天文学起步——常被当作三角学自成一门的标志。平面上的正弦定理一般也归在这部书名下:三条边与各自对角的正弦成比例。那时的正弦是半径 60 的圆里的半弦,所以写成比例;今天写成 a/sin A = b/sin B = c/sin C,而这个比恰好是外接圆的直径。有了它,两角一边一步就解完。馆里卡西那一页的余弦定理管「两边夹一角」;剩下最麻烦的是两边一对角:正弦分不清 B 与 180° − B。已知 b = 5、A = 35°,高 h = 2.8679;a 取 3.5 时交出两个三角形,B = 55.02° 或 124.98°,第三边 6.1021 或 2.0895;a 小于 h 一个也没有,a 不小于 b 只剩一个。把每一种情形都分开写尽,是这部书的脾气。

平面三角形里,三条边与各自对角的正弦成比例,而且那个比恰好是外接圆的直径——《论完全四边形》平面那一部分写的就是这件事。有了它,「两角一边」一步就解完;馆里卡西那一页的余弦定理管的是「两边夹一角」。剩下最麻烦的是两边一对角:正弦分不清 B 与 180° − B,拨一拨 a 就看见,以 C 为心的那个圆与底线可能交零次、一次或两次。这部书的脾气就是把每一种情形都分开写尽。

五样里知道两样:十种挑法只有六种

球面直角三角形除直角外还有五样;知道两样就解得出其余,挑法十种,对调之后只剩六种——他把六种一种一种列全了。

直角三角形除了那个直角,还有五样:两条直角边 a、b,斜边 c,两个锐角 A、B。知道其中两样,就能把其余三样解出来;五样里挑两样,一共十种挑法;把两条直角边、两个锐角互相对调看成同一种,恰好剩六种:两条直角边、一条直角边与斜边、一条直角边与它的对角、一条直角边与它的邻角、斜边与一个角、两个锐角。多数二手文献说他是第一个把这六种列全的人。要紧的是分寸:各种情形用的公式本身,他在书里逐条写明了是前人谁先给的——第五卷第五章把正弦定理的几种证法分署阿布·纳斯尔、阿布·瓦法、胡将迪、比鲁尼,第六章把「影子」(正切)那一条的首创归给阿布·瓦法。他做的是把散在各家的结果收拢、排成一套不漏一种的办法。本馆取 a = 40°、b = 55° 的三角形,六种情形各从两样反解其余三样,与真值之差不超过 6.4e−15 度。最值得看的是第三种:知道一条直角边和它的对角,反正弦给出两个角,而两组都是真三角形——c = 63.9353° 或 116.0647°,两个三角形共用一条直角边,拼起来是一整块两角都等于 A 的半月形。所以这一种本来就定不死,列全情形的时候必须把它单独说出来。

直角三角形除了那个直角,还有五样:两条直角边、斜边、两个锐角。知道其中两样就能解出其余三样,挑法一共十种;把两条直角边、两个锐角互相对调看成一样,只剩六种。《论完全四边形》把这六种一种一种列出来,各配一套解法——这是今人说「三角学在这部书里自成一门」最具体的一处。按钮 ③ 最值得看:知道一条直角边和它的对角,反正弦给出的角有两个,而两组都是真的三角形,拼起来是一块半月形。公式本身,他在书里逐条写明了是前人谁先给的。

只给三个角:极三角形

平面上三个角只定形状;球面上三个角一给,三条边就定死了——换到极三角形上,三个角变成了三条边。

a=180A,A=180aa' = 180^\circ - A, \quad A' = 180^\circ - a

平面三角形的内角和恒为 180°,三个角只定形状,大小随便放。球面上不然:内角和总大于 180°,多出来的那一截(角盈)恰好就是面积,于是三个角一给,大小也定了。可三个角怎样折成三条边?已知的全是角,一条边也没有,前面那些公式都无从起步。第五卷第七章用的办法是极三角形:原三角形的每条边都在一个大圆上,大圆有两个极,取与对面顶点同侧的那一个,三个极连成一个新三角形。它的三条边恰好是原三角形三个角的补角,它的三个角恰好是原三角形三条边的补角。于是「知三角求三边」就换成了极三角形上的「知三边求三角」,而后者前面已经解过了。这个想法不是他首创,今人把它追到十世纪末的伊本·伊拉克——也就是正弦定理那一件里那位阿布·纳斯尔;他做的是在书里拿它把最后这一种情形补齐。本馆用两条路各算一遍:一条用球面角的余弦定理由三角直接求三边;另一条把三个顶点真放到球上、用叉积造出极三角形、再量它的边。A = 70°、B = 80°、C = 100° 时三边是 71.2425°、82.9079°、97.0921°,量出的极三角形三边正是 110°、100°、80°;角盈 70°,在单位球上合面积 1.221730。

平面上知道三个角,只知道形状,大小随便放;球面上三个角一给,三条边就定死了——角和超出 180° 的那一截(角盈)正是面积,大小于是跟着定下来。一般三角形的各种情形里,这一种最不好下手:已知的全是角,没有一条边可以起步。《论完全四边形》第五卷用的办法是极三角形:以原三角形各边所在大圆的极为顶点另作一个三角形,它的三边恰好是原三角形三个角的补角。于是「知三角求三边」换成了极三角形上的「知三边求三角」,用已有的公式就解得出。右栏两条路各算一遍:一条用公式,一条把点真放到球上再量。

带着一个错数,先到了西边

双圆走到欧洲至少有两条路:一条经拜占庭,带着一个他自己后来改掉的错数;一条落在哥白尼的书里,图上的字母照着阿拉伯字母排。

1245 年那篇解疑之作里第一次写出的双圆月亮模型,有一处数写错了:第二层天球每日的行度他写成 13°11′,应作 13°14′。十几年后写《天文学纪要》时他发现了,改了过来,还把那一层拆成两层。巧的是,往西走的恰恰是改之前的那一版:Ragep 2020 年指出,拜占庭学者格雷戈里·希奥尼亚迪斯(约卒于 1320 年)的希腊文《星图》收的正是解疑之作里那个带错数的月亮模型,而这部书至迟在十五世纪已经到了意大利。另一条路落在 1543 年:哥白尼《天体运行论》第三卷第四章讲「往复的运动怎样由圆周运动合成」,画的正是这个双圆,没提他的名字。1973 年哈特纳把两张图并排一比:图西图上标着阿拉伯字母的地方,哥白尼那张图上用的恰好是对应的拉丁字母——阿里夫处是 A、巴处是 B,依此类推。他认为这是哥白尼见过这张图的明证;到今天,具体经谁之手传过去仍没有定论。平行线那一头也有一条路,只是署名出了岔子:1594 年罗马美第奇印刷所刊出一部阿拉伯文《原本》,署的是他的名字,书里论平行线的那一段后来被沃利斯与萨凯里读到并引用——而今人多认为这部书是他身后别人托名写的,真正出自他手的论平行线之作是那篇《释疑书》。

故事展签故事展签:一个错数、一套字母、一部署错了名的书。

传承

他的工作没有留在十八世纪——每条链的终点,都是你今天正在使用的东西。

两个匀速转动合成一条直线往返哥白尼《天体运行论》第三卷第四章用的是同一个装置机械工程里的行星齿轮直线机构:圆周运动变直线运动
方向交给绕均衡点匀速的球,远近交给双圆伊本·沙提尔与哥白尼的行星模型都走这条路从本轮一直走到开普勒的椭圆
平面正弦定理:两角一边、两边一对角三角测量布网测量平差与 GPS 定位里的解三角形
球面直角三角形的六种情形列全航海与天文里的球面三角飞行航线与卫星导航里的大圆计算
极三角形:知三角求三边角盈就是面积计算几何里的球面多边形面积、地图上的经纬度格网
马拉盖天文台与《伊儿汗历表》撒马尔罕的两部历表接着它写星表与历法里的岁差常数

他在哪几条专题里

专题是按技术组织的演进线,一条从概念提出拉到今天的器物。这里一个字都没手写, 全是 tracks.ts 推出来的。

语录

我们通常先对直角三角形确立这条原理;为此所走的几条路,全都载在学者比鲁尼那部讲球面诸形的《知识之钥》里。

—— 《论完全四边形》第五卷第五章 · 大意,据卡拉泰奥多里 1891 年法译、经 Papadopoulos 2026 年英文转引转译。接着他把每一种证法署上了原作者的名字

这些话恰好证明,「补形」这个名字本身出自埃米尔阿布·纳斯尔,而他是从塔比·伊本·库拉那里接过来的。

—— 同一章末 · 大意,同上所据。他在替一个术语追首创权——塔比就是馆里那一位

正切一过半径就涨得很快,因为八分之一圆周的正切已经等于半径;所以若按等差的度数把正切列成表,四十五度以后相邻两格差得很大。

—— 《论完全四边形》第五卷第六章 · 大意,同上所据。他接着说明怎样只用四十五度以内的正切就够用