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第19章 走进数学家的世界(1)

走进数学家,了解他们的故事,了解数学的起源和发展,了解历史上中外杰出的数学家的生平和数学成就,才能更好地去感受前辈大师的严谨治学、锲而不舍的探索精神;才能培养兴趣、开阔视野、开拓创新;才能更深刻地体会数学家的艰辛以及他们对人类文明发展所作出的贡献。

中国古典数学奠基者——刘徽

刘徽沿袭我国古代的几何传统,使之趋于完备,形成具有独特风格的几何体系。《九章算术》本身建立了中国古代数学理论的框架,同时也标志着中国古代理论体系的完成。

宝贵的财富

刘徽(约公元225—295年),汉族,山东临淄人,魏晋期间伟大的数学家,中国古典数学理论的奠基者之一。他是中国数学史上一个非常伟大的数学家,他的杰作《九章算术注》和《海岛算经》,是中国最宝贵的数学遗产。刘徽思维敏捷,方法灵活,既提倡推理又主张直观。他是中国最早明确主张用逻辑推理的方式来论证数学命题的人。刘徽的一生是为数学刻苦探求的一生。他虽然地位低下,但人格高尚。他不是沽名钓誉的庸人,而是学而不厌的伟人,他给我们中华民族留下了宝贵的财富。

著名的《九章算术》与《海岛算经》

《九章算术》约成书于东汉之初,共有246个问题的解法。在许多方面,如解联立方程、分数四则运算、正负数运算、几何图形的体积面积计算等,都迈入世界先进之列,但因解法比较原始,缺乏必要的证明,刘徽又对此作了补充证明。在这些证明中,显示了他在多方面的创造性贡献。

刘徽是世界上最早提出十进制小数概念的人。在代数方面,他正确地提出了正负数的概念及其加减运算的法则;改进了线性方程组的解法。在几何方面,提出了“割圆术”,又利用割圆术科学地求出了圆周率π=3.14的结果。

《海岛算经》一书中,刘徽精心选编了九个测量问题,这些题目的创造性、复杂性和富有代表性,都在当时为世界所瞩目。

难以比拟的天才——华罗庚

华罗庚,国际数学大师。他为中国数学的发展作出了无与伦比的贡献。华罗庚先生早年的研究领域是解析数论,他在解析数论方面的成就尤其广为人知,国际间颇具盛名的“中国解析数论学派”就是华罗庚开创的,该学派对于质数分布问题与哥德巴赫猜想作出了许多重大贡献。

善于思考的华罗庚

华罗庚很早就养成了喜爱思考和不迷信权威的习惯。文学作品中的逻辑也会引发他的思考。那时候他手边没有什么书,只有一本代数,一本解析几何,还有一本50页的微积分。他就“啃”这几本书。因为坚持自修的关系,他对中学、大学数学的知识都进行了研究。他对初等数学的方方面面都进行了深入的思考,这为他日后在数学的多个领域有所建树奠定了基础。

华罗庚的数学成就

华罗庚1910年11月12日出生于中国江苏金坛县,1985年6月12日病逝于日本东京。国际上以华氏命名的数学科研成果就有“华氏定理”“怀依-华不等式”“华氏不等式”“普劳威尔-加当华定理”“华氏算子”“华-王方法”等。

上世纪40年代,他解决了高斯完整三角和的估计这一历史难题,得到了最佳误差阶估计。他是当代自学成才的科学巨匠、蜚声中外的数学家;他写的课外读物曾是中学生们打开数学殿堂的神奇钥匙;在中国的广袤大地上,到处都留有他推广优选法与统筹法的艰辛足迹。

著名数学家劳埃尔·熊飞儿德说:“他的研究范围之广,堪称为世界上名列前茅的数学家之一。受到他直接影响的人也许比受历史上任何数学家直接影响的人都多。”

数学王子陈景润与“1+2”

陈景润,汉族,福建福州人,厦门大学数学系毕业。是中国家喻户晓的数学家。其最大的成就是1966年发表的“1+2”定理,成为哥德巴赫猜想研究上的里程碑。有许多人亲切地称他为“数学王子”。

1999年,中国发表纪念陈景润的邮票。紫金山天文台将一颗行星命名为“陈景润星”,以此纪念他。另有相关影视作品以陈景润为名。

一个故事引出的数学成就

有谁会想到,陈景润的成就源于一个故事。

1937年,勤奋的陈景润考上了福州英华书院。此时正值抗日战争时期,清华大学航空工程系主任、留英博士沈元教授回福建奔丧,不想因战事被滞留家乡。几所大学得知消息,都想邀请沈教授前去讲学,都被他谢绝了。由于他是英华的校友,为了报答母校,他来到了这所中学为同学们讲授数学课。

一天,沈元老师在数学课上给大家讲了一故事:200年前有个法国人发现了一个有趣的现象:6=3+3,8=5+3,10=5+5,12=5+7,28=5+23,100=11+89。每个大于4的偶数都可以表示为两个奇数之和。因为这个结论没有得到证明,所以还是一个猜想。大数学家欧拉说过:“虽然我不能证明它,但是我确信这个结论是正确的。它像一个美丽的光环,在我们不远的前方闪耀着炫目的光辉……”

陈景润对这个奇妙问题产生了浓厚的兴趣。课余时间他最爱到图书馆读书,不仅读了中学辅导书,大学的数理化课程教材他也如饥似渴地阅读,因此获得了“书呆子”的雅号。兴趣是第一老师,正是这样的数学故事,引发了陈景润的兴趣,引发了他的勤奋,从而造就了一位伟大的数学家。

关于哥德巴赫猜想

1742年6月7日由德国数学家哥德巴赫给大数学家欧拉的信中,提出把自然数表示成素数之和的猜想,人们把他们的书信往来归纳为两点:(1)每个不小于6的偶数都是两个奇素数之和。例如,6=3+3,8=5+3,100=3+97……(2)每个不小于9的奇数都是三个奇素数之和,例如,9=3+3+3,15=3+7+5……99=3+7+89……

这就是著名的哥德巴赫猜想。从1742年到现在200多年来,这个问题吸引了无数的数学家为之努力,取得不少成果,虽然至今没有最后证明哥德巴赫猜想,但在证明过程中所产生的数学方法,推动了数学的发展。

为了解决这个问题,就要检验每个自然数都成立。由于自然数有无限多个,所以一一验证是办不到的,因此,一位著名数学家说:哥德巴赫猜想的困难程度,可以和任何没有解决的数学问题相匹敌。也有人把哥德巴赫猜想比作数学王冠上的明珠。

为了摘取这颗明珠,数学家们采用了各种方法,其一是用筛法转化成殆素数问题(所谓殆素数就是素因数的个数不超过某一素数的自然数),即证明每一个充分大的偶数都是素因数个数分别不超过a与b的两个殆素数之和,记为(a+b)。

哥德巴赫猜想本质上就是最终要证明(1+1)成立。数学家们经过艰苦卓绝的工作,先后已证明了(9+9),(7+7),(6+6),(5+5)……(1+5),(1+4),(1+3),到1966年陈景润证明了(1+2),即证明了每一个充分大的偶数都是一个偶数与一个素因数的个数不超过2的殆素数之和。离(1+1)只有一步之遥了,但这又是十分艰难的一步。1966年至今已整整30年了,然而(1+1)仍是一个未解决的问题。

重大进展

1966年,中国数学家陈景润宣布证明了“1+2”并于1973年发表了他的论文《大偶数表示为一个素数及一个不超过两个素数的乘积之和》,在国际上引起了轰动。英国数学家哈伯斯坦姆与德国数学家李希特合著的一本名为《筛法》的数论专著,原有十章,付印后见到了陈景润的论文,便加印了第十一章 ,章目为“陈氏定理”。

这是一个举世瞩目的奇迹:一位屈居于3平方米小屋的数学家,借一盏昏暗的煤油灯,伏在床板上,用一支笔,耗去了6麻袋的草稿纸,最终攻克了世界著名数学难题“哥德巴赫猜想”中的“1+2”,创造了距摘取这颗数论皇冠上的明珠“1+1”只一步之遥的辉煌。

陈景润从小瘦弱、内向,独爱数学。演算数学题占去了他大部分的时间,枯燥无味的代数方程式使他充满了幸福感。由于他对数论中一系列问题的出色研究,受到华罗庚的重视,被调到中国科学院数学研究所工作。

“哥德巴赫猜想”这一200多年悬而未决的世界级数学难题,曾吸引了成千上万位数学家的注意,而真正能对这一难题提出挑战的人却很少。但陈景润将其作为这一生呕心沥血、始终不渝的奋斗目标。

学习没有捷径可走——阿基米德

丹麦数学史家海伯格在研究阿基米德的一些著作传抄本时,发现其中蕴含着微积分的思想。他所缺的是没有极限概念,但思想实质却伸展到17世纪趋于成熟的研究领域,预告了微积分的诞生。

钻研著名的《几何原本》

阿基米德公元前287年出生在意大利半岛南端西西里岛的叙拉古,父亲是位数学家兼天文学家。阿基米德从小受到良好的家庭教育,11岁就被送到当时希腊文化中心亚历山大城去学习。在这座号称“智慧之都”的名城里,阿基米德每天博览群书,汲取了丰富的知识,并且做了欧几里得学生埃拉托塞和卡农的门生,钻研《几何原本》。

数学史上的灿烂之星

阿基米德是兼数学家与力学家于一身的伟大学者,并且享有“力学之父”的美称。其原因在于他通过大量实验发现了杠杆原理,又用几何的方法推出许多杠杆命题,给出严格的证明。其中就有著名的“阿基米德原理”。他在数学上也有着极为光辉灿烂的成就。尽管阿基米德流传至今的著作共只有十来部,且大多是几何著作,但却对推动数学的发展,起着决定性的作用。

国王拜他为师

阿基米德不仅是一个卓越的科学家,而且是一个很好的老师,他生前培养过许多学生,在这些学生中有一个特别的人物,他是希腊国王多禄米。

有一天,闲来无聊的多禄米忽然心血来潮想学点儿东西。当时,阿基米德已是很有名的科学家了,于是,多禄米决定请来阿基米德,拜他为师,向他学习一些几何知识。

接到国王召见,阿基米德丝毫不敢怠慢,急忙来到了皇宫。只见这里有白色大理石铺成的透明地板,水晶珍珠般的吊灯,雕龙刻虎的巨大梁柱,让整座宫殿格外富丽堂皇。阿基米德一边欣赏宫殿中的装饰,一边想这些宏伟的建筑中不知凝结了多少科学家和劳动人民的智慧和心血,尤其是那些精巧、别致的设计,无不反映出建造者们在数学特别是几何学方面深厚的造诣啊。

走向学问的路没有皇家大道

从此以后,阿基米德就当上了国王的私家数学教师。刚开始上几何课时,国王似乎下定了决心要学好这门课,听得非常认真。可时间一长,他的兴趣就逐渐淡了。哪怕阿基米德讲授的几何学内容都很浅显,但对几何已经没有兴趣的国王而言,一堂课的时间简直比一年还长,他渐渐显出不耐烦的情绪。

对国王情绪的变化,阿基米德看在眼中,记在心里。

这一天,他仍然一如既往地细心而又耐心地向国王讲解着各种几何的图形、原理以及计算方法。可多禄米对眼前出现的一个个三角形、正方形、菱形的图案毫无兴趣,有点昏昏欲睡了。阿基米德来到多禄米的身边,用手推推他。国王勉强睁开惺忪的睡眼,没等阿基米德说话,他反而先问:“请问,学习几何,到底有没有更简捷的方法和途径?用你的方法实在太难学了。”

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