偉大數學(xué)公式背后的故事
2015-05-14    作者:鄭渝川    來(lái)源:經(jīng)濟參考網(wǎng)
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    數學(xué)是學(xué)校教育各階段中最重要的學(xué)科,支撐數學(xué)教育體系的是一些定理和公式。通常,數學(xué)教師會(huì )在教學(xué)中簡(jiǎn)單講解定理和公式的發(fā)現故事,但這種講述顯得過(guò)于簡(jiǎn)略且零散,相比數學(xué)定理和公式的復雜程度,顯得吸引力不足,很難充分激發(fā)學(xué)生的興趣。盡管多部科學(xué)史、數學(xué)史科學(xué)專(zhuān)著(zhù)以及相關(guān)的科學(xué)家傳記作品,可以為讀者提供更為詳細的發(fā)現故事敘述,卻帶有較強的專(zhuān)業(yè)性。

    美國科普作家、普林斯頓大學(xué)數學(xué)博士、2012年“美國數學(xué)聯(lián)合會(huì )年度傳播獎”得主達納·麥肯齊就談到,公式是數學(xué)與科學(xué)的命脈,但在數學(xué)家與公眾之間,往往橫亙著(zhù)一條宏大的文化鴻溝,人們因為不使用公式這種語(yǔ)言因而難以理解和適應。因此,激發(fā)學(xué)生對數學(xué)、科學(xué)的興趣,培養更多的數學(xué)、科學(xué)愛(ài)好者,需要用詩(shī)意文字來(lái)展示數學(xué)之美,需要相對完整而富有趣味性的講述一個(gè)個(gè)數學(xué)發(fā)現的歷程故事,需要闡明數學(xué)定理和公式為人類(lèi)帶來(lái)了哪些璀璨的文明成果,并改變了人類(lèi)歷史進(jìn)程。

    《無(wú)言的宇宙》是達納·麥肯齊撰寫(xiě)的一本數學(xué)科普作品。這本書(shū)講述了數學(xué)史上24個(gè)有關(guān)數學(xué)公式的發(fā)現故事,并將之串聯(lián)起來(lái),勾勒介紹了數學(xué)之于人類(lèi)認識自然、宇宙的演變過(guò)程。

    全書(shū)開(kāi)篇就指出,數學(xué)一開(kāi)始就是認識宇宙的工具。這門(mén)學(xué)科脫胎于測繪、稅收、建筑和天文學(xué),古希臘哲學(xué)家將之視為純理性的科學(xué),認為它能穿透實(shí)際世界虛幻的表面,洞悉實(shí)質(zhì)。而在古代印度、中國,數學(xué)在更長(cháng)時(shí)間中從屬于天文學(xué)。中世紀的伊斯蘭世界繼承了古希臘和古印度兩大不同的數學(xué)穿透,將之發(fā)揚廣大,再傳播到西歐。

    盡管在古代巴比倫、埃及、印度和中國,都已經(jīng)形成與今天一樣的“等式”概念,但等號卻是在1557年才首次亮相。而在19世紀之后,等式概念又受到了顛覆性挑戰,數學(xué)進(jìn)一步復雜化,超越普通人思維。零最早出現在古印度(公元628年),數學(xué)家婆羅摩笈多還闡述了復述的概念。數學(xué)概念的提出和獲得普遍應用,很多情況下會(huì )相隔較長(cháng)時(shí)間。

    古希臘哲學(xué)家、數學(xué)家畢達哥拉斯認為,世界萬(wàn)物都是由數字統治的,這個(gè)判斷是在計算機時(shí)代才顯示出其正確性。畢達哥拉斯還提出了“完全數”、“質(zhì)數”等數學(xué)概念。同期的東方,《九章算術(shù)》則同樣成為數學(xué)的開(kāi)創(chuàng )性著(zhù)作,這本匿名著(zhù)作的點(diǎn)評人劉徽測出了圓周率小數點(diǎn)的四位準確數字。古代數學(xué)就這樣在不同古文明背景下延續發(fā)展著(zhù)。

    數學(xué)史上的芝諾悖論相當有名。假設你認為從A點(diǎn)去B點(diǎn)是可能的,芝諾會(huì )與你辯論,說(shuō)在到達B點(diǎn)之前,你必須完成這段路程的一半,在完成半程之前又必須完成半程的半程,以此類(lèi)推,你永遠不可能從A去B。中國古代也有哲學(xué)家提出過(guò)類(lèi)似的悖論辯題“一尺之棰,日取其半,萬(wàn)世不竭”。書(shū)中點(diǎn)評指出,這實(shí)際上代表著(zhù)此前一直處于靜止狀態(tài)的數學(xué)定理、公式,遇到了運動(dòng)狀態(tài),沒(méi)有人能讓時(shí)間停止,不可能出現“日取其半”的極限無(wú)窮。

    中世紀后,數學(xué)及以數學(xué)為基礎的其他自然科學(xué),發(fā)展速度進(jìn)一步加快。開(kāi)普勒提出了三個(gè)數學(xué)定律,而后被牛頓所證明。天才數學(xué)家費馬提出了多個(gè)定理和公式,這很大程度上影響了之后的數學(xué)發(fā)展,時(shí)至20世紀,人們仍在設法證明費馬定理。牛頓和萊布尼茨分別創(chuàng )立了微積分,兩人分別側重于物理學(xué)和傳統哲學(xué),這項成果被證明革命性的改變了數學(xué)傳統用途(測繪、天文等)的精確性。18世紀,歐拉開(kāi)創(chuàng )了數學(xué)家大膽向同行和公眾公布研究成果及進(jìn)展的方式,打破了過(guò)去很多個(gè)世紀內數學(xué)家將學(xué)術(shù)發(fā)現隱匿不發(fā)的傳統。這些為19、20世紀新代數、群論、非歐幾何等一大批數學(xué)新成果的涌現,為工業(yè)革命、第二次工業(yè)革命、新科技革命潮流的到來(lái)鋪平了道路,提供了可信賴(lài)的理念和工具。

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