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第3章 数学其实很好玩(2)

数学的魅力在生活

数学,这门古老而又常新的科学,已大步迈进了21世纪。数学科学的巨大发展,比以往任何时代都更牢固地确立了它作为整个学科技术的基础地位。数学正突破传统的应用范围,向几乎所有的人类知识领域渗透,并越来越直接地为人类物质生产与日常生活作出贡献。同时,数学作为一种文化,已成为人类文明进步的标志。因此,对于当今社会每一个文化人而言,不论他从事何种职业,都需要学习数学、了解数学和运用数学。现代社会对数学的这种需要,在未来无疑将更加与日俱增。

快乐的“数学思维”

数学是怎样创造出来的?能够做出数学命题和系统的头脑是怎样的头脑?几何学家或代数学家的智力活动比之音乐家、诗人、画家和棋手又怎么样?在数学的创造中哪些是关键因素?是直觉还是敏锐感?是计算机似的精确性吗?是特强的记忆力吗?还是追随复杂的逻辑次序时可敬畏的技巧?或者是极高度的用心集中吗?

数学的思考模式,就是把具体的事物抽象化,把抽象的事物公式化,把复杂的事物简单化,做任何事情都能首先有一个提纲挈领的全盘思考然后再去做,效果肯定是事半功倍的。这既是成功人士的思维习惯,也是快乐人生的思维习惯。

数学让你的人生充满创造力

陶哲轩是个天才,他6岁时在家看手册自学了计算机BASIC语言并开始为数学问题编程;8岁时,他写的“斐波那契”程序的导言就因为“太好玩”而被数学家克莱门特完全引用;20岁时,他获得普林斯顿大学博士学位;24岁被洛杉矶加州大学聘为正教授;31岁获数学领域的世界最高奖。

童年的陶哲轩始终是活泼的、有创造力的、有时爱做恶作剧的孩子,父母总是给他时间让他玩,让他有时间想自己的东西,因为他们担心不这样做,儿子的创造力就会慢慢枯竭。

他曾谦虚地说:“我到现在也没摸清作文的窍门,我比较喜欢明确一些定理规则然后去做事。”他童年时写《我的家庭》时,就把家里从一个房间写到另一个房间,记下一些细节,并排了一个目录。不理解他的人会认为——他真的不会写作,理解他的人会知道——他已经掌握了用数学模式思考所有问题的能力,这就是数学家与普通人的思维方式的区别。

善于追求“我思故我乐”

数学是人创造出的最简单也是最系统的学科,小到生活里的各种计算,大到对国家的科技贡献。也许你会认为,科学与艺术、数学与哲学,这些学科的分界越往上越模糊,但你要记住:所有的知识到了最后都是相同的,而他们一开始的基础也是一样的,那就是用最准确的方式描述出事物的特征和规律。而数学就是让我们学习找到这种特征和规律的方法,即用数学的模式去思考、去判断、去解决,由繁到简、由难到易,这不仅是思维的飞越,更是能力的飞越。一个能够体验“我思故我乐”的孩子,他的人生也一定是不同寻常的!

是谁发明了乘法口诀表

中国古代的数学,与古希腊数学体系不同,它侧重研究算法。“算术”这个词,在我国古代是全部数学的统称。算术是数学中最古老、最基础和最初等的部分,它研究数的性质及其运算。

我国最早的乘法口诀表

2002年,湖南考古人员在龙山里耶一座古城的废井中出土了36000余枚秦简,引起轰动。专家们在对“秦简”进行初步的清理中,发现了我国最早的记载于简牍上的乘法口诀。

古代的乘法口诀和现代的有所不同。古代的九九乘法口诀又称“小九九”,它的排列顺序与现在的正好相反,是从“九九八十一”开始,到“二二得四”结束,因为乘法口诀开头的两个字是“九九”,所以人们简称它为“九九”。大约到了十三四世纪的时候,数学家们认为“九九八十一”到“二二得四”不符合数学上的从小到大的排列顺序,所以才改过来变为“二二得四”到“九九八十一”,另外又加上了“一一得一”这一行,一直沿用到现在。

现代的“小九九”

中国使用《九九乘法歌诀》的时间较早。在《荀子》、《管子》、《淮南子》、《战国策》等书中就能找到“三九二十七”、“六八四十八”、“四八三十二”、“六六三十六”等句子。由此可见,早在“春秋”、“战国”的时候,“九九歌谣”就已经被人们广泛使用。历史上沿用下来的乘法口诀有“大九九”和“小九九”,但由于乘法有交换律,所以多用“小九九”而很少用“大九九”了。现在的小九九有45句,大九九有81句(除掉9个两个相同数的积)。

中国古代的计算机——算盘

在算筹的基础上,人们发明了“算盘”。算盘到底是谁发明的,历史上一直有争议。有人认为是古希腊人从单词“Mesopotamia”进化而来的。古希腊人在泥版上画上直线,然后在直线的上面和下面放上小石块用来代表数字,跟现代的算盘有些相似。这样的泥版被考古学家在希腊找到,现放在雅典一间博物馆里供世人参观。

算盘——希腊与中国之“争”

东汉末年,许月在《零记忆》中记载,他的老师刘鸿访问隐士天木先生时,天木先生解释了14种计算方法,其中一种就是珠算,采用的计算工具很接近现代的算盘。这种算盘每位有5个可动的算珠,上面一颗相当于5,下面4颗每颗相当于1。这一记载要比欧洲各国都要早。不过珠算发现后,很长时间没有得到普及。大约到了宋、元时,珠算才逐渐流行起来。

不论是古希腊的算盘还是中国的算盘,有一点是肯定的,那就是盘面上没有“0”的位置,而取“空格”来代替0。算盘的概念要比古罗马数字前进了一大步,它不仅可以记数,而且方便运算。

算盘,谜一样的起源

算盘究竟是什么时候什么人发明的,现在无从考查。但它的使用应该很早。东汉数学家《数术纪遗》记载:“珠算控带四时,经纬三才。”可见汉代就有了算盘。

有些历史学家认为,算盘的名称,最早出现于元代学者刘因撰写的《静修先生文集》里。在《元曲选》中由无名氏著的《庞居全误放来生债》里也提到算盘。剧中有这样一句话:“闲着手,去那算盘里拨了我的岁数”。

公元1274年,杨辉在《乘除通变算宝》里,公元1299年朱世杰在《算学启蒙》里,都记载了有关算盘的《九归除法》。公元1450年吴敬在《九章详注比类算法大全》里,对算盘的用法记述较详。张择端在《清明上河图》中画有一算盘,可见,早在北宋时或北宋以前我国就已普遍使用算盘了。

历史的求证

随着新史料的发现,又形成了算盘起源于唐朝、流行于宋朝的第三说。其依据是,宋代名画《清明上河图》中,画有一家药铺,其正面柜台上赫然放有一架算盘,经中日两国珠算专家将画面摄影放大,确认画中之物是与现代使用算盘形制类似的串档算盘。

1921年在河北巨鹿县曾挖掘到一颗出于宋人故宅的木制算盘珠,已被水土淹没八百年,但仍可见其为鼓形,中间有孔,与现代算盘毫无两样。而唐代是中国历史上的盛世,经济文化都较发达,需要有新的计算工具,使用了两千年的筹算在此时演变为珠算,算盘在这一时期被发明,是极有可能的。

算盘一类的计算工具在很多文明古国都出现过。例如古罗马算盘没有位值概念,因此被淘汰。而俄罗斯算盘的每柱有十个算珠,计算麻烦。现在很多国家流行的是中国式的算盘。

你知道中国最早的一部数学书吗

《周髀算经》是中国现存最早的一部数学典籍,成书时间大约在两汉之间(纪元之后)。也有史家认为它的出现更早,是始于周而成于西汉,甚至更有人说它出现在公元前一千年。

而《九章算术》大约出现在公元纪元前后,它系统地总结了我国从先秦到西汉中期的数学成就。该书作者已无从查考,只知道西汉著名数学家张苍、耿寿昌等人曾经对它进行过增订删补。全书分作九章,一共搜集了246个数学问题,按解题的方法和应用的范围分为九大类,每一大类作为一章。

中国古代数学的辉煌

南北朝是中国古代数学蓬勃发展时期,相继有《孙子算经》《夏侯阳算经》《张丘建算经》《海岛算经》等10部数学著作问世。所以当时的数学教育制度对继承古代数学经典是有积极意义的。

公元600年,隋代的刘焯在制定《皇极历》时,在世界上最早提出了等间距二次内插公式;唐代僧一行在其《大衍历》中将其发展为不等间距二次内插公式。

贾宪在《黄帝九章算法细草》中提出开任意高次幂的“增乘开方法”。同样的方法至1819年才由英国人霍纳发现;贾宪的二项式定理系数表与17世纪欧洲出现的“巴斯加三角”是类似的。遗憾的是贾宪的《黄帝九章算法细草》书稿已佚。

《黄帝九章算法细草》的地位

贾宪是北宋杰出的数学家,其老师楚衍是北宋前期著名的天文学家和数学家。贾宪是否从事过数学教学工作,我们不得而知,但就其在宋代学术的活跃性以及数学地位而言,不能排除他传授数学知识的可能性。我们知道,古代学者著书立说的目的之一就是教育世人,“宪运算亦妙,有书传于世”当可佐证。贾宪的《黄帝九章算经细草》奠定了中国古代数学在宋元达到高潮的基础。

在历史前进中衰退

14世纪中后叶明王朝建立以后,统治者开始奉行以八股文为特征的科举制度,在国家科举考试中大幅度消减数学内容,自此中国古代数学便开始呈现全面衰退之势。

《皇极历》和《大衍历》

隋朝天文学家刘焯编制的《皇极历》,创立了计算日月运行的新方法,是当时最先进的历法。《皇极历》也是我国古代现存最早的给出完整的太阳运动不均匀改正数值表的历法。

唐朝天文学家僧一行,在《皇极历》的基础上制定了《大衍历》,比较准确地反映了太阳运行的规律,系统周密,表明中国古代历法体系的成熟。僧一行还是世界上用科学方法实测地球子午线长度的创始人。

为什么没有诺贝尔数学奖

诺贝尔不愧是19世纪典型的、极富天才的发明家,他的发明更多来自于其敏锐的直觉和非凡的创造力,而不需要借助任何高等数学的知识,其数学知识可能刚好到中学水平。不过19世纪后期,在化学领域研究一般也不需要高等数学,数学在化学中的应用发生在诺贝尔去世以后。

诺贝尔留给历史的谜题

诺贝尔在他的遗嘱中说明了诺贝尔奖的奖赏范围,却唯独少了与数学家有关的奖项,使得数学这个重要学科失去了在世界上评价其重大成就和表彰其卓越人物的机会。是什么让诺贝尔作出不奖励数学家的决定?是不经意忘记了还是另有原因?这道像谜一样的数学“难题”摆在了人们面前。

有趣的猜测

如果说诺贝尔本人根本无法预见或想象到他所涉及的数学在推动科学发展上所起到的巨大作用,因此忽视了设立诺贝尔数学奖也不难理解。但现在的史学家们越来越多地相信诺贝尔忽视数学是受他所处时代和他的科学观的影响。诺贝尔16岁时就不再接受公立学校的教育,也没有继续上大学,之后只是从一位优秀的俄罗斯有机化学家那里接受了一些私人教育。而正是这位化学家在1855年把诺贝尔的注意力引向了硝酸甘油。

不过也有国外学者认为这件事可能与诺贝尔的爱情受挫有关。诺贝尔有一个比他小13岁的维也纳女友,后来被诺贝尔发现她和一位数学家私奔。对于此事,诺贝尔一直耿耿于怀,终身未娶。也可能正是这件事让诺贝尔将数学排除在外。当然这些都是猜测,诺贝尔为什么没有设立数学奖,只有他知道。但不可否认的是,尽管没有奖项,人们对数学的研究和其发展却从未停止过。

“菲尔兹”——数学界的诺贝尔奖

为了让数学家们享受他们应该有的荣誉,世界上先后建立起了两个国际性的数学大奖:一个是四年一次,由国际数学家联合会主持评定并在国际数学家大会上颁发的菲尔兹奖;另一个是由“沃尔夫基金会”设立的一年一度的沃尔夫数学奖。菲尔兹奖的权威性和国际性,以及所享有的荣誉都不亚于诺贝尔奖,因此被人们誉为“数学中的诺贝尔奖”。

菲尔兹是已故的加拿大数学家、教育家,全名约翰·查尔斯·菲尔兹。菲尔兹奖于1936年开始颁发,其最大特点是奖励年轻人,只授予40岁以下的数学家(这一点在刚开始时没有具体要求,后来才被明文规定),即那些能对未来数学发展起到重大作用的人。

菲尔兹奖是一枚金质奖章和1500美元的奖金。奖章是由加拿大雕塑家罗伯特·泰特·麦肯齐设计的,正面是古希腊科学家阿基米德的右侧头像,在头像旁刻上“阿基米德”(希腊文),以及作者名字的缩写和设计年份的罗马数字,还有一句“超越他的心灵,掌握世界”(拉丁文),此话出自罗马诗人马尔库斯·马尼利乌斯的著作《天文学》卷四第392行。奖章的背面刻有“聚集自全球的数学家,为了杰出著作而颁发”(拉丁文),背景为阿基米德的球体嵌进圆柱体内。

神圣的“菲尔兹”奖

也许就奖金数目而言,“菲尔兹”奖完全比不上诺贝尔的奖金,在当时也并没有引起世界太多关注,就连很多数学专业的大学生也未必知道这个奖,科学杂志更不会去大肆报道。然而30年以后的情况却突然变得不一样,每次国际数学家大会的召开,从国际上权威性的数学杂志到一般性的数学刊物,都争相报导获奖人物。

为什么在人们的心目中,它的地位突然变得如此重要呢?

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