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未知数:探しているもののための場所

未知数とは、文字どおり、まだ知られていない数のことです。けれども、なんでもよいわけではありません。それはまだわかっていない、決まった数です。方程式 $x+3=7$ はすべての数について語っているのではなく、一つの数について語っていて、課題はそれがどれかを見つけることです。 知らないものの名前 長いあいだ、未知数の名前は文字ではなく、言葉でした。 250 年ごろ、アレクサンドリアのディオファントスは『算術』で、未知数を arithmós、「数」と呼び、語末のシグマに似た記号 $\varsigma$ で略しました。未知数の平方には $\Delta^{\Upsilon}$(dýnamis、累乗)、立方には $K^{\Upsilon}$(kýbos)という略記もありました。 820 年ごろのバグダードで、フワーリズミーはそれを shay’、ものと呼び、その平方を māl、財産と呼びました。彼はすべてを言葉で書き、記号は一つも使いませんでした。 15 世紀と 16 世紀に、イタリア人は shay’ を cosa と訳し、イタリア人を写したドイツの代数学者たちは コス派(cossists)とあだ名されました。1544 年になっても、ミヒャエル・シュティーフェルは「もの」、その平方、その立方に別々の記号を使っていました。 ミヒャエル・シュティーフェル『整数算術』(1544)の「コス記号」。未知数の累乗ごとに記号があり、それらのあいだに目に見える関係はない。Michael Stifel · Wikimedia Commons · パブリックドメイン これらの記号では、「もの」の平方も立方も、「もの」に似ていません。この本の言い方では、不毛な記法です。立方と平方をかけると 5 乗になることを知るには、表を暗記しなければなりませんでした。デカルトが $x$、$x^2$、$x^3$ と書いたとき、規則 $x^3\cdot x^2=x^5$ が指数の中に見えるようになりました。第 1 章の修辞から記号へで、この移り変わりをもっと詳しく語っています。 ディオファントスの一ページ 1621 年、フランスのクロード=ガスパール・バシェは、ディオファントスの『算術』をギリシア語で出版し、隣にラテン語訳を添えました。これは第 II 巻の問題 8、与えられた平方数を二つの平方数に分ける問題のページです。 バシェ版(1621)の問題 II.8。右がギリシア語、左がラテン語で、未知数を N、その平方を Q と書いている。フェルマーが最終定理の書き込みをしたのは、このページの余白だった。Diophantus, ed. Bachet · Wikimedia Commons · パブリックドメイン バシェのラテン語では、未知数は numerus(数)の N、その平方は quadratus(平方)の Q です。「Ponatur primus 1 Q」、最初の平方数を $1Q$ とせよ。今日のことばで言えば、$16$ を二つの平方数に分けるために、ディオファントスは一つめを $x^2$、二つめを $16-x^2$ とし、二つめの辺の形として $2x-4$ を選びます。条件は

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一つの文字、五つの役割

次の五行を見てください。 $$x+3=7,\qquad A=b\cdot h,\qquad a+b=b+a,\qquad y=kx,\qquad \sin^2x+\cos^2x=1.$$どれも文字を使っていて、どれも代数に見えます。けれども、文字が同じことをしている行は一つもありません。 $x+3=7$ では、$x$ は決まっているが知られていない数です。当てはまるのは $4$ だけ。これは未知数です。 $A=b\cdot h$ では、文字は何も隠していません。三つの量がどう関係しているかを言っています。これは公式であり、文字はいっしょに変わる量です。 $a+b=b+a$ では、文字は任意の数です。この文はどの二つの数についても成り立ちます。文字は一般化しています。 $y=kx$ では、$x$ と $y$ が動き、$k$ は止まっています。$k$ はパラメータです。それぞれの問題では固定されていますが、任意です。 $\sin^2x+\cos^2x=1$ では、$x$ はやはり任意ですが、この文は解くべき方程式ではありません。すべての $x$ について正しい恒等式です。 ユーシスキンの考え方 1988 年、アメリカの教育学者ザルマン・ユーシスキン(Zalman Usiskin)は、のちに古典となった論文で、学校の代数には少なくとも四つの考え方が混ざっていて、それぞれが文字に違う役割を与えている、と述べました。 代数の考え方 文字は何か 例 一般化された算術 パターンを一般化する任意の数 $a+b=b+a$ 問題解決 未知数、見つけ出すもの $3x+5=20$ 関係の研究 変数、ほかの量といっしょに変わるもの $y=2x+1$ 構造の研究 規則にしたがって操作される任意の記号 $x^2-y^2=(x-y)(x+y)$ 最後の行では、だれも数のことを考えていません。$x$ と $y$ は、チェスの駒のように規則にしたがって動かされる印です。この四つに、ここでは本全体に出てくる五つめを加えます。名前としての文字です。関数の名前($f$)、定数の名前($\pi$、$e$、$c$)、対象の名前(点 $A$、直線 $r$)。 この対話型の図を使うには JavaScript を有効にしてください。議論の全体は本文にあります。 書かれたものは注意してくれない 記号論的な問題は、どの役割でも書き方が同じだということです。シニフィアンのどこにも、未知数と変数を区別するものはありません。どちらも斜体の $x$ です。決め手になるのは文脈、モリスが語用論と呼んだものです(第 2 章を参照)。手がかりはたいてい小さな言葉で、生徒はそれを無視することを覚えてしまいますが、無視すべきではありません。 「……となる $x$ を求めよ」は未知数を告げます。 「すべての $x$ について……」や「$a$、$b$ を実数とする」は任意の数を告げます。 「$x$ が増えるとき、$y$ は……」は変数を告げます。 「$a>0$ が与えられたとき……」はパラメータを告げます。 プロの数学者は、気づかないうちにこれらの手がかりを読んでいます。生徒はそうした手がかりがあることさえ知らないことが多く、その結果は第 8 回で見る誤りに現れます。

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等号は天秤であって矢印ではない

□ に入る数は何でしょうか。 $$8+4=\square+5$$1990 年代の終わり、アメリカの研究者カレン・フォークナー、リンダ・リーヴァイ、トマス・カーペンターは、1 年生から 6 年生の子どもたちにこの問題を出しました。どの学年でも、$7$ と答えたのは十人に一人もいませんでした。いちばん多かった答えは $12$ と $17$ でした。 $12$ と答えた子は、$8+4$ を計算して、いつものように $=$ のあとに答えを書きました。$17$ と答えた子は、見えた数を全部たしました。どちらのグループも計算はまちがえていません。等号の読み方をまちがえたのです。 矢印か、天秤か 多くの生徒にとって、$=$ は「答えは」という意味です。電卓が教える読み方です。$8$、$+$、$4$ と押して $=$ のキーを押すと、電卓は計算をして答えを表示します。この読み方では、等号は矢印です。左に問い、右に答えがあり、計算は一方向にしか進みません。 けれども、レコードが 1557 年にかいたのはそういうものではありませんでした。同じ長さの二本の平行線は、二つのものが同じ値をもつと言っているのです。等号は天秤です。皿はつりあっていて、どちらが左にあってもかまいません。 両辺はどちらも 12。□ には 7 が入る。7 + 5 = 12 だからである。等式はどちらの向きからも読める。この本のために作成した説明図。 天秤として読めば、答えはすぐに出ます。左の皿の重さは $12$ なので、右の皿も $12$ でなければならず、そのためには $7$ 足りません。□ に $12$ を書くと $8+4=12+5$、つまり $12=17$ になり、天秤はかたむいてしまいます。 天秤の読み方は、$7=3+4$ が $3+4=7$ と同じように正しい理由も、$3+4=5+2$ が「答え」をまったくふくまないのに完全に正しい文である理由も説明してくれます。数学のことばで言えば、等号は対称な関係です。$A=B$ なら $B=A$ なのです。

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式の文法:括弧、順序、空白

2019 年、四つの数だけでできた計算が SNS で広まり、何百万もの議論を引きおこしました。 $$8\div2(2+2)=\;?$$半分の人は $16$ と答え、残りの半分は $1$ と答えました。電卓もメーカーによって答えがちがいました。数学の先生たちの意見も分かれました。そしていちばんおもしろいのは、どちらも正しかったことです。それぞれが一つの約束ごとに従っていたのです。 $16$ と答える人は左から右へ読みます。$8\div2=4$、$4\cdot(2+2)=16$。$1$ と答える人は、記号なしで「くっついた」かけ算 $2(2+2)$ をひとかたまりと考え、わり算より先に計算します。$8\div(2\cdot4)=1$。どちらの約束ごとも実際にあり、まじめな本でも使われています。問題は計算ではなく統語論にあります。記号がどう組み合わさるのかがはっきりしない書き方をしてしまったのです。数学者ならこうは書きません。$\frac{8}{2}(2+2)$ か $\frac{8}{2(2+2)}$ と書くでしょう。そうすれば争いは起きなかったはずです。 同じ部品、ちがう組み立て 式は記号の行列ではありません。組み立てであり、組み立て方も意味の一部なのです。比べてみましょう。 $$a+b\cdot c\qquad\text{と}\qquad(a+b)\cdot c.$$部品は同じです。文字が三つ、$+$ が一つ、$\cdot$ が一つ。けれどもふつうの約束では、一つ目はかけ算を先にし、二つ目はかっこがあるのでたし算を先にしなければなりません。$a=2$、$b=3$、$c=4$ とすると、 a = 2、b = 3、c = 4 のとき、二つの組み方は 14 と 20 になる。この本のために作成した説明図。 かっこは不思議な記号です。どんな量も、演算も、対象も表しません。ほかの記号がどう結びつくかを言うだけです。モリスの分類でいえば、純粋に統語論的な記号です。それなのに、結果を変えてしまうのです。 かけ算をたし算より先にするという規則は、自然の法則ではありません。17 世紀から 19 世紀にかけて定着した約束ごとで、デカルトの代数が多項式でかっこを省くようになったころのものです。$3x^2+2x+1$ を $(3\cdot(x^2))+(2\cdot x)+1$ と書きたい人はいません。この約束ごとは、いちばんよく使う式が短くなるようにあるのです。 隠れた木 どんな式にも木の構造があり、式を読むとは、つまるところその木を組み立て直すことです。$2(x+3)^2$ を見てみましょう。 2(x + 3)² の組み立て方(クリックで進む) いちばん「内側」から始める:$x+3$。 結果を 2 乗する:$(x+3)^2$。高いところの小さな指数は、かっこ全体にかかる。 $2$ をかける:$2\,(x+3)^2$。左にくっついた $2$ が最後に働く。 次に、部品がほとんど同じ $2x+3^2$ と比べてみましょう。こちらでは $3^2$ が単独で計算され、$2x$ は別の枝で、最後にたし算が二つを結びます。$x=1$ のとき、一つ目の式は $2\cdot16=32$、二つ目は $2+9=11$ になります。

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言葉から文字へ:代数が書き方を覚える

820 年ごろのバグダードで、ムハンマド・イブン・ムーサー・アル=フワーリズミーは、カリフ・マームーンの大図書館「知恵の館」で働いていました。そこで彼は、『復元と対消による計算の簡潔な書』という長い題の本を書きます。「復元」はアラビア語で al-jabr。この言葉から代数(algebra)が生まれました。 al-jabr と al-muqābala についてのアル=フワーリズミーの本の、写本の冒頭ページ。アル=フワーリズミー · Wikimedia Commons · パブリックドメイン この本には、記号が一つもありません。$x$ も $+$ も $=$ もありません。数さえ言葉で書かれています。いちばん有名な問題の一つは次のとおりです。 平方とその根の十倍が、三十九ディルハムに等しい。根の数の半分をとると五。それを自分自身にかけると二十五。それを三十九に加えると六十四。その根をとると八。そこから根の数の半分、つまり五を引く。三が残る。これが求める平方の根である。 — アル=フワーリズミー、820 年ごろ(意訳) 今なら、この問題を $x^2+10x=39$、答えを $x=3$ と書くでしょう。アル=フワーリズミーの手順は、まさに私たちが平方完成と呼ぶもので、彼はそれを図で正当化しました。一辺 $x$ の正方形に $5\times x$ の長方形を二つくっつけ、そこに $5\times5$ の小さな正方形を足すと、一辺 $x+5$、面積 $39+25=64$ の大きな正方形ができる、というものです。 アル=フワーリズミーの図:一辺 $x$ の正方形と $5\times x$ の長方形二つの和が $39$。面積 $25$ の小さな正方形を加えると、面積 $64$、一辺 $8$ の正方形が完成する。このサイトの以前の記事をもとに、この本のために作成した説明図。 このような書き方を修辞的代数と呼びます。すべてを文で書くのです。これでもうまくいきますが、代償があります。どの問題も、特定の数をもつ小さな物語として語られ、同じ手順がほかの数でも使えることに読者が自分で気づかなければなりません。一般的な規則は、例の中に隠れているのです。 略すこと:省略代数 それよりずっと前、3 世紀のアレクサンドリアで、ディオファントスは別の方向に一歩をふみ出していました。彼は『算術』の中で、未知数に $\varsigma$ に似た文字を、その平方に $\Delta^{\Upsilon}$(dýnamis、累乗から)を、立方に $K^{\Upsilon}$(kýbos、立方体から)を使いました。引き算には、さかさまの矢じりのような記号を使いました。$x^3-2x^2+10x-1$ のような式は、おおよそ次のようになります。