登陆注册
3373400000019

第19章 与数学家相约(1)

第一位被载入史册的数学家商高

商高是我国古代的数学家。关于他的生平,历史上的记载很少。他是春秋时周朝人,大约生活于公元前12世纪。商高的数学成就主要是勾股定理和测量术。

中国古代最早的数学和天文学著作《周髀算经》上记载了一段周公与商高的对话。周公问:“窃闻乎大夫善数也,请问古者包牺立周天历度。夫天不可阶而升,地不可得尺寸而度,请问数安从出?”商高答:“数之法出于圆方,圆出于方,方出于矩,矩出九九八十一,故折矩以为勾广三,股修四,径隅五。既方其外,半之一矩,环而共盘。得成三、四、五,两矩共长二十有五,是谓积矩。故禹之所以治天下者,此数之所由生也。”这是有名的“周公问数”。这段对话用我们今天的话解释是这样的:周公问商高:古代时伏羲是怎样测量天文和历法的?天没有可攀的台阶,地又不能用尺去测量,这些数是从哪儿得出来的呢?商高回答:数是根据圆形和方形的数学道理计算出来的。圆来自于方,而方来自于直角三角形。直角三角形是根据乘除法的计算得出来的。将一条线段折三段围成直角三角形,一直角边(勾)为三,另一直角边(股)为四,则斜边(弦)为五。商高的证明是用右边的图来解释的。利用直角三角形三边的三、四、五的关系可知:方盘面积为49,而四个阴影的三角形的面积之和为24,因此正方形BDLH的面积为49-24=25,这种证明方法比欧几里得的几何原本中的证明更简明易懂。

周公曾是周武王的弟弟,他辅佐周武王的儿子执政。商高是贤才中杰出的人物之一,是周公的朋友。周公十分重视发展科学技术,虚心向商高学习科学知识。他曾请教商高用矩之道(矩:是由长与短两条带有刻度的直尺,一端相交成直角相联而成的),商高用六句话简要地概括了这一方法:“平矩以正绳,偃矩以望高,履矩以测深,卧矩以知远,环矩以为圆,合矩以为方。”这就是说:把矩放平了可以测定水平和铅直方向;把矩立起来,能够测量高度;把矩反过来倒竖可测深度;把矩平放可以测定水平距离;将矩环转一周,可得圆形;将两矩合起来可得到方形。

商高利用矩作为测量工作,运用相似三角形的原理“测天量地”,把测量学上升到理论,为后来的数学家推广复杂的“测望术”奠定了坚实的基础。

勾股弦的关系和用矩之道是商高的主要成就,商高的年代离我们虽然遥远,但他的科学创见却永远为后人纪念,他是世界上第一位被记载在史册上的数学家。

古希腊最伟大的数学家欧多克斯

欧多克斯(Eudoxus,约公元前400~前347年),古希腊数学家、天文学家。

大约在公元前400年,欧多克斯出生于小亚细亚的尼多斯的一个医生家庭。早年曾学习医学,后来跟随当时著名的数学家阿尔希塔斯学习几何。当他来到雅典时,又怀着极大的热情进入刚成立不久的柏拉图学园,正是这个鼓励数学学习的地方,造就了一代伟大数学家。

柏拉图是当时雅典最伟大的哲学家。他曾漫游世界多年,向许多伟大思想家学习,后来逐渐形成自己的哲学思想体系。公元前378年,他返回雅典,建立了世界闻名的柏拉图学园。学园创立不久,就成为当时的思想中心,许多学者慕名而至,欧多克斯就是其中之一。柏拉图非常推崇数学的严密逻辑和美感,认为数学是锻炼人的思维的最佳途径,并将懂数学作为进入学园学习的必要条件。柏拉图不是数学家,但他创立的柏拉图学园却以其独特的风格培养了包括欧多克斯在内的许多杰出数学家。

在柏拉图学园求学时,欧多克斯生活贫困,为了节省费用,被迫在离学园十多公里远的地方住宿,每天不得不往返于两地之间,但他还是坚持了下来。后来,欧多克斯还曾到过埃及,在那里学习天文学。

欧多克斯被认为是仅次于阿基米德的数学家,他的数学贡献主要包括比例论和穷竭法两个方面。他还是一位天文学家。

比例论

欧多克斯探讨了公理法,他首先提出了现在被表述为“对于任意两个正数a,b,必存在自然数n,使得na>b成立”这一重要的公理。运用公理法,欧多克斯建立了比例理论,其中包含了相当严密的实数定义。他引入“量”的概念,指出它代表线段、角、时间、面积、体积等能够连续变化的东西,而不是具体的数,由此而发,他定义了两个量的比,这样就把可公度比与不可公度比统一了起来。这样就处理了无理量的问题,解决了因毕达哥拉斯学派发现的不可通约量造成的第一次数学危机。这些理论构成了欧几里得《几何原本》第五卷的主要内容。

欧多克斯还研究了“中末比”的问题,即将一已知直线分成两部分,使其中一部分是全线段与另一部分的比例中项。小线段与大线段之比即我们所熟知的黄金分割比,当时被称为中末比。若设大线段长度为1,小线段长度为x,则整个线段的长度是1+x,根据题意可得到方程:x2+x+1=0,其正根为5-12=0.6180339…,即所谓中末比。欧多克斯发现了这种分割的许多特殊性质,均被记载于欧几里得的《几何原本》中。黄金分割被广泛地应用于绘画、建筑,成为人们构造优美造型的最佳选择。黄金分割还具有另外一个赫赫有名的应用,那就是用于优选法,被称为0.618法。从20世纪70年代在我国推广,取得了很大成功。著名天文学家开普勒曾说:“毕达哥拉斯定理和中末比是几何中的双宝。前者好比黄金,后者堪称珠玉。”

穷竭法

欧多克斯的另一个重要贡献是他利用穷竭法来求复杂几何图形的面积和体积。他用一系列已知的基本图形不断逼近不规则图形,使之无限接近原图形,比如用圆内接正多边形逼近圆,用欧多克斯的话说就是这个多边形从圆的内部“穷竭”了圆。他利用这种方法证明了:两圆面积之比等于其半径平方之比;两球体积之比等于其半径的立方之比等命题。穷竭法是现代极限概念的几何先驱,同时也是微积分的核心方法,由此我们说欧多克斯是仅次于阿基米德的数学家并不为过。

数学史上的里程碑

毕达哥拉斯(Pythagoras,约公元前560~前480年),古希腊数学家,在天文学、哲学及音乐理论方面也有很深造诣。

毕达哥拉斯出生于爱琴海上的萨摩斯岛。早年多方游历,曾到达埃及、巴比伦等地,师从许多数学家学习数学、天文学知识。回到家乡后,毕达哥拉斯开始招收弟子,聚众讲学。大约在公元前520年,毕达哥拉斯不满于当政者的暴政,离开家乡,迁往意大利南部的一个小岛,并在那里定居下来。当时同他在一起的只有他的母亲和惟一的一名门徒。在小岛上安顿下之后,毕达哥拉斯重新开始广收门徒,逐渐创立了著名的毕达哥拉斯学院。那是一个融宗教、政治、学术研究于一体的秘密组织,许多群众包括妇女和上层人士也积极参加活动,在当时形成一种空前的学术氛围,为毕达哥拉斯学派在各个领域的学术研究创造了良好的外部环境。

毕达哥拉斯学派的信徒一部分是普通听众,他们只是听讲教义,而没有资格接受高深的知识;另一部分成员则是在经过长期的训练和严格考核后成为属于毕达哥拉斯学派的真正弟子。他们要发誓坚持学派的信仰,严守学派的秘密。毕达哥拉斯学派在这一点上很像普通的宗教组织,但与它们不同的是他们将数学纳入他们的教义之中,认为世界上的一切事物都是由数来构成的,上帝用数来统治世界。“万物皆数”的思想根深蒂固,这也为毕达哥拉斯学派能在数学研究上取得一系列重要成果提供了思想上的条件。

毕达哥拉斯学派对数作了许多深入的研究,比如他们认识到数与音乐的关系、数与几何图形的关系、数与天体运行的关系等等,并把学员的课程分为四个部分:算术——研究数的绝对理论;音乐—研究数的应用;几何—研究静止的量;天文—研究运动的量,合称为“四道”。

尽管毕达哥拉斯学派赋予数以神秘的色彩,他们在数的研究方面还是做出了许多卓越的贡献。例如完全数(如果一个数等于除它本身以外的全部因子的和,那么这样的数就称为完全数)的发现,他们发现6和28是完全数,因为6=1+2+3;28=1+2+4+7+14。由毕达哥拉斯学派开创的完全数的研究,至今仍是数论领域的重要课题。

毕达哥拉斯还发现了另一类特殊的数——亲和数,他发现284这个数除它本身以外的所有因子之和等于220,而220除了它本身以外的所有因子的和恰好等于284,即:

220=1+2+4+71+142,

284=1+2+4+5+10+22+44+55+110

毕达哥拉斯将它们称为亲和数,并把它们作为友谊的象征。

毕达哥拉斯定理的发现和证明是毕达哥拉斯学派最重要的数学成就之一,在我国一般称之为勾股定理。我们知道最初的几何学兴起于生产生活实际需要,比如土地丈量等活动。勾股定理作为几何学中的一个重要内容,也是源于测量土地等活动。事实上,人们在1945年通过研究美索不达米亚出土的泥版书,发现早在毕达哥拉斯之前一千多年的古巴比伦人就已经知道了这个定理,我国和印度早于毕达哥拉斯年代的数学著作中对这一定理的内容也有所叙述,但都没有像毕达哥拉斯那样给出定理的严格证明。或许这也是世界数学界将它称为毕达哥拉斯定理,并把它视为一个“数学史上的里程碑”的原因吧!

毕达哥拉斯断言:“在任何直角三角形中,斜边上的正方形等于两个直角边上的正方形之和”,即给出了勾股定理的一般表述。他还发现了用三个整数表示直角三角形边长的一种公式,也就是不定方程x2+y2=z2的一组解:2n+1,2n2+2n分别是两个直角边,2n2+2n+1是斜边,其实它们只是在斜边与一直角边之差为1时的一组整数解,而非方程的全部解。人们将满足以上方程的正整数称为毕达哥拉斯数或勾股数。

毕达哥拉斯以a,b,c为直角三角形的两直角边和斜边,作边长为a+b的正方形,然后将边长为a+b的正方形作两种不同的分割,采用等量相减的方法对定理进行了证明。

事实上,毕达哥拉斯定理是数学领域内证明方法最多的定理,1940年E.S.卢米斯(Loomis)在他的著作《毕达哥拉斯定理》(The Pythagorean Proposition)中收集的毕达哥拉斯定理的证明方法达370种之多!

毕达哥拉斯学派的最重要贡献还在于他们发现了无理数。根据毕达哥拉斯定理,边长为1的正方形的对角线长度应为2,而2是不能用当时他们所知道的数(自然数和分数)来表示的。于是他们感到惶恐不安,因为这违背了他们“万物均可用数来表示”的信条,他们甚至将发现这一数的门徒希帕索斯投进大海,以掩盖发现了不可度量的数这一秘密。无理数的发现终于导致了数学史上的第一次数学危机,然而真理永远是无法被抹杀的,人们最终还是承认了无理数的存在,使得数系完成了从有理数到实数的扩张。

值得说明的是,虽然我们现在将许多数学发现全部归功于毕达哥拉斯,但事实上或许并非如此。因为当时毕达哥拉斯是通过口传心授的方式进行教学的,而他的学生又按照学派的规矩将一切发现都归功于他们崇拜的领袖。具体事实已无据可查,所以现在很难分辨哪些数学成就是毕达哥拉斯本人所创,哪些是他的门徒们的功绩。

古希腊的数学巨人阿波罗尼奥斯

圆锥曲线是除了圆之外最常见的曲线了,在几何学中有着重要的地位,在实际生产生活中有着广泛的应用,如大家熟悉的星星的轨道,炮弹的轨迹,圆柱的截面等。对于圆锥曲线的研究也由来已久,最先发现并进行系统研究的是古希腊人。

希腊数学家柏拉图学派的门奈赫莫斯首先发现了圆锥曲线,这引起了许多希腊数学家的兴趣,他们开始对圆锥曲线作深入的研究,其中包括阿里斯泰奥斯、欧几里得、阿基米德等人。他们的研究为系统的圆锥曲线理论的最终形成积累了大量的资料,将圆锥曲线理论进行整理、深化的任务历史性的落在了阿波罗尼奥斯身上。

阿波罗尼奥斯(Apollonius,约公元前262~前190年),希腊数学家、天文学家。

阿波罗尼奥斯年轻时曾在亚历山大求学,后来长期在那里生活。他将前人研究圆锥曲线取得的成果加以总结,在自己进一步思考的基础上,写成《圆锥曲线论》这一经典名著,被称为古希腊研究几何学的登峰造极之作。阿拉伯和西欧的许多数学家都曾经长期将它奉为必读经典。

阿波罗尼奥斯不拘泥于古已有之的内容和方法,富于想像,大胆创新,正如他自己所说的:“模仿只会仿制他所见到的事物,而想像则能创造他所没有见过的事物。”

阿波罗尼奥斯以前的数学家研究圆锥曲线都是从三个顶角不同的圆锥出发来考虑的。门奈赫莫斯在尝试解决倍立方体问题时,发现了圆锥曲线。他将圆锥分为三类:若两条母线的最大交角是锐角,圆锥称为锐角圆锥;若两条母线的最大交角为直角,圆锥称为直角圆锥;若为钝角,圆锥称为钝角圆锥。用一个垂直于一条母线的平面截圆锥,所得截线,分别称为“锐角圆锥曲线”、“直角圆锥曲线”和“钝角圆锥曲线”。

同类推荐
  • 中国古代化学小史(谷臻小简·AI导读版)

    中国古代化学小史(谷臻小简·AI导读版)

    中国是世界上文明发达最早的国家之一,各民族的祖先共同创造了灿烂的古代科学文化,在化学领域中也曾有过广泛的开拓,虽然当时没有形成独立的学科,但也产生了不少意义重大的创造发明。
  • 生产生活篇(农民十万个怎么做)

    生产生活篇(农民十万个怎么做)

    本书主要内容涵盖四个方面:一是介绍生产管理过程中的方法,增强农民生产管理的本领;二是介绍在人际交往中如何处理好各种关系,提升农民的文明素养;三是介绍与消费有关的知识与方法,帮助农民更好地做出消费决策,形成文明健康的生活方式;四是介绍饮食保键的方法和有关注意事项,提高农民的身体素质。
  • 人类的家园:环境科学知识3(青少年科普知识必读丛书)

    人类的家园:环境科学知识3(青少年科普知识必读丛书)

    本套丛书分海洋、航空航天、环境、交通运输、军事、能源、生命、生物、信息、宇宙等十册。收录词条约五千个。涉及知识面广阔且精微。所包含的内容:从超级火山、巨型海啸、深海乌贼、聪明剑鱼……到地核风暴、冰期奥秘、动物情感、植物智慧……;从登陆火星、探访水星,到穿越极地,潜入深海……既有独特的自然奇观,又有奇异的人文现象;既有对人类创造物的神奇记述,又有人类在探索和改造自然过程中面对的无奈、局限,以及人类对自然所造成的伤害,自然对人类的警告……
  • 探索机器人的世界(海洋与科技探索之旅)

    探索机器人的世界(海洋与科技探索之旅)

    正是在促进民族富强和人类和谐繁荣的责任驱使之下,我们完成了动物与海洋、植物与海洋、宝藏与海洋、科学与海洋、海洋中的食物链、揭开神秘大洋的面纱等编撰,以进一步帮助广大青年朋友丰富海洋知识,增强海洋意识,树立正确的海洋观念,以期更多的优秀青年立志于投身海洋事业,为国家发展和人类进步做出贡献。
  • 海洋馆漫游:海洋谜底解析

    海洋馆漫游:海洋谜底解析

    放眼全球,世界上最发达的国家都是海洋大国,经济最活跃的地区都在沿海地区。在当今国际社会,开发海洋、拓展生存和发展空间,已成为世界沿海各国的发展方向和潮流。海洋是一个富饶而未充分开发的自然资源宝库。海洋自然资源包括海域(海洋空间)资源、海洋生物资源、海洋能源、海洋矿产资源、海洋旅游资源、海水资源等。这一切都等待着我们去发现、去开采。青少年认真学习海洋知识,不仅能为未来开发海洋及早储备知识,还能海洋研究事业做出应有的贡献。
热门推荐
  • 天怒战神

    天怒战神

    一个饱受白眼的少爷!一个重伤未愈的父亲!一个从天而降的诡异妖壶!那一日,风起云动!命中注定,三界万物,八方轮回,所有的人都将在他脚下颤抖战栗……
  • 实用公文写作一本通

    实用公文写作一本通

    本书在编写过程中,以现行党和国家的公文法规的规定作为依据,积极体现当前公文学研究的最新成果,具有较高的指导价值和现实效用。本书没有一开篇就介绍各类具体公文的写作与格式要求,而是用比较多的文字讲述了公文的含义、作用以及特点、类型、表达方式等方面的问题。阅读了这些文字,学习了这些内容以后,可以理清思路,更新观念,夯实公文写作的基础。具备了较高的专业素质之后,再进一步掌握公文写作的基本技巧与起草格式,写出高质量的公文便是水到渠成的事情了。
  • 嚣张魔妃:杠上邪魅王爷

    嚣张魔妃:杠上邪魅王爷

    一对一宠文无虐,热血爽文,男主遇到女主后身心干净。莫名其妙就成了六皇子冲喜的新娘,苏婉凝盘算着怎样逃出皇宫。六皇子对这新娘子本是不屑一顾,却不料只是一眼,就被她的美貌惊到。“这女人不错。”六皇子暗暗的想。“要尽快拿到休书。”苏婉凝暗暗的筹划。当他恋上她时,她却死命的要逃。终于六皇子怒了,“女人你给我滚回来!”苏婉凝微微挑眉,气势十足:“你给我滚出去!”旧文完结,书名《弃后很嚣张》,书荒的朋友可以看看。
  • 无形的笼

    无形的笼

    刘三水毕业于一个一流的大学,在学校也算是学霸级的人物。毕业后分到了林沟县木水镇,在办公室当话务员,接电话。这个工作不错啊,轻轻松松,别人都说刘三水这个工作不错,可刘三水却不这么想,他的心野着呢,小小的办公室怎么能容得下他呢?……
  • 这是什么神仙世界

    这是什么神仙世界

    顾阅找猫找着找着不仅穿越了还找出一只豹子?!险些丧命,顾阅选着抱紧救命恩人的大腿。从此以后,建国之后不能成精都是浮云。虫落族?菌人?颛顼三子?阴差鬼使?不好意思,都见过了!而且日渐熟悉。顾阅不禁仰天长啸:“这是什么神仙世界啊"沙雕闯异世,后觉醒祖安特性。顾阅作为第一主角身份开很大!慢慢觉醒!ps.所遇奇人怪事有传记里的,有作者脑洞开的的!
  • 谁绑架了中国父母

    谁绑架了中国父母

    一个曾经的高中语文老师对当今社会问题尤其是教育热点问题的一以贯之的冷静思考,一个全职爸爸十年陪读的心路历程,一个“特派记者”卧底教育的特别社会调查,一个五音不全的男人培养陪伴音乐才女的感悟和感动。作者以散文的笔调和生活的语言,借一个个平实的故事,娓娓道来中国教育的沉重社会现实,并为诸位父母开出了解决诸问题的良方。有理念,有做法,有见证。可读性和可操作性都很强。全书核心理念是:爱容易,爱到很难;随意的选择,就是故意的加害;大人在爱的名义下,爱孩子,爱死了孩子;小孩无错,大人要打。以“谁绑架了中国父母”为题,把父母置身于被同情被解救的境地,易于引起共鸣。
  • 追妻无门:女boss不好惹

    追妻无门:女boss不好惹

    青涩蜕变,如今她是能独当一面的女boss,爱了冷泽聿七年,也同样花了七年时间去忘记他。以为是陌路,他突然向他表白,扬言要娶她,她只当他是脑子抽风,他的殷勤她也全都无视。他帮她查她父母的死因,赶走身边情敌,解释当初拒绝她的告别,和故意对她冷漠都是无奈之举。突然爆出她父母的死居然和冷家有丝毫联系,还莫名跳出个公爵未婚夫,扬言要与她履行婚约。峰回路转,破镜还能重圆吗? PS:我又开新文了,每逢假期必书荒,新文《有你的世界遇到爱》,喜欢我的文的朋友可以来看看,这是重生类现言,对这个题材感兴趣的一定要收藏起来。
  • 若怨海

    若怨海

    此中篇小说主要讲述了女主阿让的故事,在她小的时候父母带她去夏威夷玩,然而在出海潜水过程中其父母两人不慎溺亡,阿让一下子成了孤儿,后来被岛上的一户人家领养,几年后才得以重归故里,后来她慢慢发现父母当时的死没有那么简单。她一边寻找着自己的梦想,成了精英,一边独自调查着父母的事,在这期间她遇到了很多人,帮助过人也犯过错,遭遇了挫折也同时收获了很多,美好的事业和相爱的人,她总在思考自己究竟被迫承受了些什么最终促使自己有了这般成就。小说展现了现代都市人的生活方式又同时融合了考古寻宝的历史在其中,产生了一种融合感和抽离感。同时描绘了女主的几段感情,非常适合女性读者。
  • 下一秒笑靥如花

    下一秒笑靥如花

    迷迷糊糊,穿越到异世,本着不惹事不怕事的性格,离开这个是非之地。但是突如其来的一场变故。让夏晨歌所有的打算都化为了泡影。只得带着男人,领着糟心的一家子种田为生。田间地头,家长里短。家人渐渐齐心。
  • 末世无敌车队

    末世无敌车队

    末世重生以后姜峰有了更多准备的时间,召集弟兄,保护家人,在末世中组建车队,建造安全区,看这个原本默默无闻的末世难民,是如何带领着拥有各种异能的幸存者们,在这个残酷的末世里斗丧尸、战怪兽、铲除恶人,成为真正的末世希望吧。