《算術研究》
他把算術變成一面鐘,奠定了現代數論。
卡爾·弗里德里希·高斯拿起整數這個雜亂的世界,發現它其實像一面鐘一樣運轉。
核心思想
在鐘面上,9 + 5 不是 14——而是 2。過了 12,就繞回起點。高斯把這種「繞回」變得既精確又普適。任取一個數 n,叫它「模數」,此後兩個數若除以 n 留下相同的餘數,就算「一樣」。他寫作 a ≡ b (mod n),並把 n 稱為模數——這個記號,乃至「模數」這個詞,我們今天仍在用。
聽起來不起眼,卻改變了一切。一個關於無窮多個整數的問題,化成了一個只有 n 個刻度的有限鐘面上的問題,而原本看不見的規律忽然就顯形了。高斯整本書,都從這一招搭起:在鐘上做算術。
它是怎麼來的
高斯出身於布倫瑞克一個貧寒之家,很早就被發現天賦,並得到當地公爵的資助。十八歲那年,他證明了兩千年來無人做到的事:僅用直尺和圓規,就能畫出正十七邊形——這件事讓他最終選擇了數學,而非語言學。他私下記著一本發現日記,二十一歲時便寫成了這部書。
在他之前,數論是一箱光彩奪目卻彼此孤立的事實,大多來自費馬與歐拉。高斯把它們熔成一套有序的理論。其皇冠,是二次互反律——一條關於「不同鐘面上的平方數」的深刻而出人意料的規則——他十八歲時發現,並在此書中第一次證明,稱之為自己的「黃金定理」。日後他為它給出了八個不同的證明。
它為何重要
在《算術研究》之前,數論是天才們的業餘愛好;在它之後,數論成了一門科學。高斯給了這門學科一種語言(同餘與 ≡ 號)、一種方法(按關聯次序展開的定義與證明),以及一批可供後人壘砌的深刻定理。一代又一代數學家——狄利克雷、黎曼、戴德金——都從這本書裡學會了這門學問。據說高斯曾稱數學為科學的女王,而數論是數學的女王;正是這本書,為她加了冕。
一個日常畫面
想想普通的十二小時制鐘。11 點過三個鐘頭不是 14 點,而是 2 點——你繞了一圈,又多走了兩格。這恰好就是 a ≡ b (mod 12)。再問一個高斯鍾愛的怪問題:哪些刻度,可以靠「平方」落到?1×1 是 1,2×2 是 4,3×3 是 9,4×4 是 16、繞回到 4……有些刻度你到得了,有些你永遠到不了。那些到得了的刻度,就是「二次剩餘」;而把不同鐘面上的它們悄悄連起來的隱祕規則,正是高斯的黃金定理。
它在知識譜系中的位置
在本館中,數論始於歐幾里得(約公元前 300 年):他證明了質數永不窮盡,並留下了求最大公因數的演算法。此後兩千年,這門學科靠零星的天才之作生長——先是費馬,再是歐拉。高斯是那個樞紐,把這些結果擰成了一個系統。從他的書中流出狄利克雷的解析數論、黎曼對質數的研究、戴德金的理想。而他第三節裡的鐘面算術,正是現代密碼學的舞台:Diffie–Hellman 金鑰交換與 RSA,都跑在高斯的鐘上。
If the number a measures the difference of the numbers b, c, then b and c are said to be congruent according to a; if not, incongruent; this a we call the modulus. Each of the numbers b, c are called a residue of the other in the first case, a nonresidue in the second.
Numerorum congruentiam hoc signo, ≡, in posterum denotabimus, modulum ubi opus erit in clausulis adiungentes, −16 ≡ 9 (mod. 5), −7 ≡ 15 (mod. 11).
If p is a prime number of the form 4n+1, then +p, but if p is of the form 4n+3, then −p, will be a residue or nonresidue of any prime number which, taken positively, is a residue or nonresidue of p.