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数学如诗,而数系的发展历程,正是这首

来源:笛 时间:2022/12/26

数学是唯美而具有诗情画意的,魏尔斯特拉斯说:“有一点是千真万确的,算不得诗人的数学家不可能是完美的数学家。”对于整个一部人类文明史而言,本身就是一部辉煌的史诗。而“自然数”的发现,便是这部辉煌史诗的第一行华美诗句。

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“自然数”是历史上最早出现的“数”,是广大劳动人民在生活、生产中发现的。“自然数系”也是人类第一个认识的“数系”。“自然数系”被人们发现之后,告别了“结绳记事”的岁月,给人们的生产、生活带来了极大的便利。从那一刻起,人类文明前进的脚步明显加快了。

人们在实践中发现,“自然数系”对于“加法”和“乘法”有着“封闭性”,也就是说,当我们对任意的“自然数”进行“加法”和“乘法”运算后,其结果依然是“自然数”。

但是人们也很快发现,在对“自然数”实施“除法”时,有时不能被整除,于是得到了一种“新数”,人们称之为“分数”。

人类几乎在发现“自然数”的同时,就发现了“分数”。在我国,早在两千多年前就有了分数。

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“分数”的发现,是人类因“除法”的运用突破了“自然数”实施“加法”和“乘法”所存在的“封闭性”。“分数”的发现令学界欣喜若狂,当时的人们认为“自然数”与“分数”所组成的“数系”已经足够完美,不可能再存在其它数。

在公元前年左右,古希腊数学家毕达哥拉斯提出了“万物皆数(有理数)”的理论,将“分数”和“自然数”提升到了至高无上的地位进行顶礼膜拜,“万物皆数(有理数)”的理论被奉为学派的最高信仰,如有违背者,会受到严厉的惩罚。

然而,当毕达哥拉斯的学生西帕索斯在计算“边长为1”的正方形的“对角线”时,发现该“对角线”既无法用“整数”表示,也无法用“分数”表示,不得不用一个新的无理数来表示——这个数就是“根号2”。

当西帕索斯惊喜地把这个消息告诉他的老师毕达哥拉斯时,毕达哥拉斯非但没有赞赏他,反而警告他不要把发现“根号2”的消息泄露出去。

然而,追求真理的西帕索斯最终还是把他发现“根号2”的事情传播了出去。就如一颗巨石落入平静的湖面,整个学界沸腾了。

“根号2”的发现,彻底动摇了“毕达哥拉斯学派”的“万物皆数(有理数)”的根基,第一次数学危机爆发了,羞恼成怒的毕达哥拉斯将希帕索斯抛入大海处死。

从客观的角度来说,毕达哥拉斯学派在人类文明进程中的作用是无可替代的,它是现代“纯萃数学演绎系统”的起源。这次危机一直延续到公元前年左右才结束,同时也结束了毕达哥拉斯学派在西方数学界长久的主导地位。在这以后,西方世界关于“无理数”的研究也真正地开始了。

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与西方世界不同的是,在我国古代,早就对这种“开之不尽”的“无理数”有了较为成熟的认识。我国古典数学名著《九章算术》当中,刘徽用“10进小数”来无限逼近“无理数”。如果他再按照这条道路一直深究下去,极有可能完成完整的“实数系统”的发现,不过遗憾的是,由于时代的局限性,刘徽的思想并未能引起后人的重视。

然而无论是在西方还是在东方,人们虽然发现“无理数”的时间比较早,但是真正的掌握并且应用它,则经历了漫长的岁月,直到16、17世纪,人们对“无理数”的理解,还存在着各种质疑。

在“无理数”的问题尚未解决之时,新的数又诞生了,这就是“负数”。

当人类在进行“加减法”运算时,用“较小的数”去减“较的大数”时,所产生的数不再是“自然数”,人们将这种新发现的“数”称为“负数”。

在西欧国家,当“负数”刚出现之时,大多数数学家都不承认它的存在。就连大数学家帕斯卡都认为从0减去4是纯粹的胡说。直到年,大数学家莱布尼兹还没有承认“负数”的合理性。年,英国的大数学家德摩根仍然认为“负数”是虚构与荒唐的。

与西欧相比,我们国家的先辈们很早就认识并广泛地使用“负数”。我国古代的伟大著作《九章算术》在“方程”一章中,首次引入“负数”及其加“减运”算法则。

与我国先辈们对负数的认识水到渠成相比,西欧国家对“负数”的认识犹如一场马来松似的长跑。

年,当时的欧洲人还没有完全理解和接受“负数”、“无理数”等概念,另一个令数学家们头疼的“怪物”又出现了,它就是“虚数”。

虚数闯进数的领域时,人们对它的实际用处一无所知,在实际生活中似乎也找不到可以用“复数”来表达的量。包括笛卡尔、莱布尼兹在内的大数学家,在很长一段时间里,对“虚数”充满了怀疑。

不过,数学家们对“虚数”的探索并没有因怀疑而停止,很快,数学家们在“虚数”的基础上提出了“复数”的概念。

年,挪威的测量学家韦塞尔试图给“虚数”以直观的“几何解释”。年,高斯发现“代数基本定理”的证明必须承认复数的存在。

越来越多的人认识到,“虚数”其实并不虚,年,德国数学家阿甘地公布了复数的“图像表示法”,他发现就如“实数”可以用一条“数轴”表示一样,“复数”也可以用“平面上的点”来表示,由各点都对应“复数”的平面叫做“复平面”。

年,高斯为“复数”的进一步普及做了很多的工作,年,高斯第一次提出了“复数”这个名词,并且将复数也象“实数”一样“代数化”,高斯不仅把“复数”看作平面上的点,而且还看作是一种“向量”,并利用“复数”与“向量”之间“一一对应”的关系,阐述了“复数”的“几何加法”与“几何乘法”。后来再经过大数学家柯西、阿贝尔等的努力,“复数”最终被广泛认可,正式成为数学大厦中令人瞩目的明珠,使得原本建立在“实数”概念上的一切近代数学成果成功地推广至“复数”范围,人类对“数系”的认识也从“实数集”扩充到了“复数集”。

年,威廉·罗文·汉密尔顿将平面中的“虚数轴”的概念扩展到“四元数”想象的“四维空间”。“四元数”的出现标志着传统观念下“数系”扩张的结束。

以今天的眼光回过头去看,“虚数”乃至“复数”的出现,对于“现代物理学”的两大基础理论“量子力学”和“相对论”的推动作用是巨大的。一方面,它是“量子力学”的理论基础。另一方面,在“相对论”中,“复数”的概念被引入之后,一些复杂的“时空度量”方程被大大地简化了。

回顾整部数学史,为了适应“减法”的需要,“自然数”扩展到了“整数”,为了适应“除法”的进行,“整数”扩充到了“有理数”。为了解决开方开不尽的问题,人们又将“实数”扩充到了“虚数”和“复数”。

人们都说“数学如诗”,而“数系”的发展历程,正是这首巨型史诗的光荣见证。“数系”的每一次扩充,道路都是如此地漫长而艰辛,数学家们是行走在这条荆棘丛生之路的真正勇士,他们前仆后继,勇猛向前。他们所付出的巨大努力甚至生命的代价,谱就了人类文明程中可歌可泣的壮丽诗篇,也推动了整个人类文明持续和快速地向前发展。

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