伟大数学公式背后的故事
2015-05-14    作者:郑渝川    来源:经济参考网
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    数学是学校教育各阶段中最重要的学科,支撑数学教育体系的是一些定理和公式。通常,数学教师会在教学中简单讲解定理和公式的发现故事,但这种讲述显得过于简略且零散,相比数学定理和公式的复杂程度,显得吸引力不足,很难充分激发学生的兴趣。尽管多部科学史、数学史科学专著以及相关的科学家传记作品,可以为读者提供更为详细的发现故事叙述,却带有较强的专业性。

    美国科普作家、普林斯顿大学数学博士、2012年“美国数学联合会年度传播奖”得主达纳·麦肯齐就谈到,公式是数学与科学的命脉,但在数学家与公众之间,往往横亘着一条宏大的文化鸿沟,人们因为不使用公式这种语言因而难以理解和适应。因此,激发学生对数学、科学的兴趣,培养更多的数学、科学爱好者,需要用诗意文字来展示数学之美,需要相对完整而富有趣味性的讲述一个个数学发现的历程故事,需要阐明数学定理和公式为人类带来了哪些璀璨的文明成果,并改变了人类历史进程。

    《无言的宇宙》是达纳·麦肯齐撰写的一本数学科普作品。这本书讲述了数学史上24个有关数学公式的发现故事,并将之串联起来,勾勒介绍了数学之于人类认识自然、宇宙的演变过程。

    全书开篇就指出,数学一开始就是认识宇宙的工具。这门学科脱胎于测绘、税收、建筑和天文学,古希腊哲学家将之视为纯理性的科学,认为它能穿透实际世界虚幻的表面,洞悉实质。而在古代印度、中国,数学在更长时间中从属于天文学。中世纪的伊斯兰世界继承了古希腊和古印度两大不同的数学穿透,将之发扬广大,再传播到西欧。

    尽管在古代巴比伦、埃及、印度和中国,都已经形成与今天一样的“等式”概念,但等号却是在1557年才首次亮相。而在19世纪之后,等式概念又受到了颠覆性挑战,数学进一步复杂化,超越普通人思维。零最早出现在古印度(公元628年),数学家婆罗摩笈多还阐述了复述的概念。数学概念的提出和获得普遍应用,很多情况下会相隔较长时间。

    古希腊哲学家、数学家毕达哥拉斯认为,世界万物都是由数字统治的,这个判断是在计算机时代才显示出其正确性。毕达哥拉斯还提出了“完全数”、“质数”等数学概念。同期的东方,《九章算术》则同样成为数学的开创性著作,这本匿名著作的点评人刘徽测出了圆周率小数点的四位准确数字。古代数学就这样在不同古文明背景下延续发展着。

    数学史上的芝诺悖论相当有名。假设你认为从A点去B点是可能的,芝诺会与你辩论,说在到达B点之前,你必须完成这段路程的一半,在完成半程之前又必须完成半程的半程,以此类推,你永远不可能从A去B。中国古代也有哲学家提出过类似的悖论辩题“一尺之棰,日取其半,万世不竭”。书中点评指出,这实际上代表着此前一直处于静止状态的数学定理、公式,遇到了运动状态,没有人能让时间停止,不可能出现“日取其半”的极限无穷。

    中世纪后,数学及以数学为基础的其他自然科学,发展速度进一步加快。开普勒提出了三个数学定律,而后被牛顿所证明。天才数学家费马提出了多个定理和公式,这很大程度上影响了之后的数学发展,时至20世纪,人们仍在设法证明费马定理。牛顿和莱布尼茨分别创立了微积分,两人分别侧重于物理学和传统哲学,这项成果被证明革命性的改变了数学传统用途(测绘、天文等)的精确性。18世纪,欧拉开创了数学家大胆向同行和公众公布研究成果及进展的方式,打破了过去很多个世纪内数学家将学术发现隐匿不发的传统。这些为19、20世纪新代数、群论、非欧几何等一大批数学新成果的涌现,为工业革命、第二次工业革命、新科技革命潮流的到来铺平了道路,提供了可信赖的理念和工具。

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