登陆注册
20505500000011

第11章 趣谈“算术”(1)

“算”字在中国的古意也是“数”的意思,表示计算用的竹筹。中国古代的复杂数字计算都要用算筹。所以“算术”包含当时的全部数学知识与计算技能,流传下来的最古老的《九章算术》以及已经失传的《算术》(许商)和《算术》(杜忠),就是讨论各种实际的数学问题的求解方法。现在拉丁文的“算术”这个词是由希腊文的“数和数数的技术”变化而来的。

最早的数学──算术

中国古代数学称为“算术”,其原始意义是运用算筹的技术。这个名称恰当地概括了中国数学的传统。筹算不只限于简单的数值计算,后来方程所列筹式描述了比例问题和线性问题;天元、四元所列筹式刻画了高次方程问题。等式本身就具有代数符号的性质。

中国数学的传统活力

对于中国数学中的程序化计算,最近越来越多地引起了国内外有关专家的兴趣。有人形象地把算筹比喻为计算机的硬件,而表示算法的“术文”则是软件。可见中国数学传统活力源远流长。

算数是怎么产生的

把数和数的性质、数和数之间的四则运算在应用过程中的经验累积起来,并加以整理,就形成了最古老的一门数学──算术。

关于算数的产生,还是要从数谈起。数是用来表达、讨论数量问题的,不同类型的量,也就随着产生了各种不同类型的数。远在古代发展的最初阶段,由于人类日常生活与生产实践中的需要,在文化发展的最初阶段就产生了最简单的自然数的概念。

算术的发展

在算术的发展过程中,由于实践和理论上的需求,提出了许多新问题,在解决这些新问题的过程中,古算术从两个方面得到了进一步的发展。

一方面在研究自然数四则运算中,发现只有除法比较复杂,为了寻求这些数的规律,出现了一个新的数学分支,叫做整数论。

另一方面,在古算术中为了能找到更为普遍适用的方法来解决各种应用问题,于是发明了抽象的数学符号,从而发展成为数学的另一个古老的分支,也就是初等代数。

《九章算术》的意义

在古代,算术是数学家研究的对象,而现在已变成了少年儿童的数学。

标志着中国古代数学体系形成的《九章算术》,由246个与实际生活密切相关的应用题及其解法所构成,分为方田、粟米、衰分、少广、商功、均输、盈不足、方程、勾股等九章,内容涉及初等数学中的算术、代数、几何等,包括分数概念及其运算、比例问题的计算、开平方和开立方的运算、负数概念、正负数加减运算、一次方程的解法等。

穿越时空的“十进制”计数法

中国是世界上最早使用“十进位值制”计数法的国家。一、二、三、四、五、六、七、八、九、十、百、千、万……是中国十进数制的基础。

最古老的计数器

我们每个人都有两只手,十个手指,除了残疾人与畸形者。那么,手指与数学有什么关系呢?我们常看见家长教孩子学数数时伸出了手指,大概所有的人都是这样从手指与数字的对应来开始学习数数的吧。手指可是人类最方便也是最古老的计数器。

穿越时空的隧道

让我们穿越时间隧道回到几万年前吧,那里有一群原始人正在向一群野兽发动大规模的包围攻击。只见石制的箭镞与石制投枪呼啸着在林中掠过,石斧上下翻飞,被击中的野兽在哀嚎,尚未倒下的野兽则拼命奔逃。这场战斗一直延续到黄昏。晚上,原始人在他们栖身的石洞前点燃了篝火,他们围着篝火边唱边跳,庆祝胜利,同时把白天捕杀的野兽抬到火堆边点数。他们是怎么点数的呢?用“随身计数器”——手指吧,一个,两个……每个野兽对应一根手指。等到十个手指用完,怎么办?先把之前数过的十个放在一起,拿一根绳,在绳上打一个结,表示“手指这么多的野兽”(即十只野兽)。再从头数起,又数了十只野兽放在一起,再在绳上打个结,依次类推。这天,他们简直是大丰收,很快就数到跟“手指一样多的结”了。于是换第二根绳继续数下去。假定第二根绳上打了3个结后,野兽只剩下6只。那么,这天他们一共猎获了多少野兽呢?1根绳又3个结又6只,用今天的话来说,就是:1根绳=10个结,1个结=10只。所以1根绳3个结又6只=136只。

你看,“逢十进一”的十进制就这样应运而生。而现在世界上几乎所有的民族都采用了十进制。

其他计算法

过去的许多民族也曾用过别的进位制,比如二十进制,玛雅人、美洲印第安人和格陵兰人都用过这种进制。它们用“一个人”代表20,“两个人”代表40。而公元前3世纪闪族发明的六十进制是以60为基数的进位制,后传至巴比伦,流传至今仍用作记录时间、角度和地理坐标。

整数的诞生

公共汽车上,有一位年轻的妈妈抱着她的小宝宝坐在车窗边,她正在教她的小宝宝数数呢。她伸出一个手指问:“这是几呀?”正在咿呀学语的小孩望了望妈妈,答道:“一。”妈妈伸出了两个手指问:“这是几呀?”小孩想了想答道:“二。”妈妈又伸出三个手指,小孩犹豫了好一阵,回答:“三。”再伸四个手指时,小孩答不出来了。在这个小孩看来,那些手指实在太多了,他已经数不清了。其实,能数到三,对一个黄口孺子来说,已经很不简单了。

自然数的产生

自然数是在人类的生产和生活实践中逐渐产生的。人类认识自然数的过程是相当漫长的。在远古时代,人类在捕鱼、狩猎和采集果实的劳动中产生了计数的需要。起初人们用手指、绳结、刻痕、石子或木棒等实物来计数。例如表示捕获了3只羊,就伸出3根手指;用5个小石子表示捕捞了5条鱼;一些人外出捕猎,出去1天,家里的人就在绳子上打1个结,用绳结的个数来表示外出的天数。这样经过较长时间,随着生产和交换的不断增多以及语言的发展,渐渐地把数从具体事物中抽象出来,先有数目1,以后逐次加1,得到2、3、4……这样逐渐产生和形成了自然数。因此,可以把自然数定义为,在数物体的时候,用来表示物体个数的1、2、3、4、5、6……叫做自然数。自然数的单位是“1”,任何自然数都是由若干个“1”组成的。自然数有无限多个,1是最小的自然数,没有最大的自然数。

“精确”的概念

要知道,学会数数,那可是人类经过成千上万年的奋斗才得到的结果。如果我们穿过“时间隧道”来到二三百万年前的远古时代,和我们的祖先——类人猿在一起,我们会发现他们根本不识数,他们对事物只有“有”与“无”这两个数学概念。类人猿随着直立行走使手脚分工,通过劳动逐步学会使用工具与制造工具,并产生了简单的语言,这些活动使类人猿的大脑日趋发达,最后完成了由猿向人的演化。这时的原始人虽没有明确的数的概念,但已由“有”与“无”的概念进化到“多”与“少”的概念了。“多少”比“有无”要精确。这种概念精确化的过程最后就导致“数”的产生。

“结绳记事”与符号的出现

上古的人类还没有文字,他们用的是结绳记事的办法(《周易》中就有“上古结绳而治,后世圣人,易之以书契”的记载)。遇事在草绳上打一个结,一个结就表示一件事,大事大结,小事小结。这种用结表事的方法就成了“符号”的先导。长辈拿着这根绳子就可以告诉后辈某个结表示某件事。这样代代相传,所以一根打了许多结的绳子就成了一本历史教材。本世纪初,居住在琉球群岛的土著人还保留着结绳记事的方法。而我国西南的一支少数民族,也还在用类似的方法记事,他们的首领有一根木棍,上面刻着的道道就是记的事。

虚数不虚

由于虚数闯进数的领域时,人们对它的实际用处一无所知,在实际生活中似乎没有需用复数来表达的量,因此在很长一段时间里,人们对它产生过种种怀疑和误解。笛卡尔称“虚数”的本意就是指它是虚假的;莱布尼兹则认为:“虚数是美妙而奇异的神灵隐蔽所,它几乎是既存在又不存在的两栖物”;欧拉尽管在许多地方用了虚数,但又说一切形如a+bi的数学式都是不可能有的,纯属虚幻的。

继欧拉之后,挪威测量学家维塞尔提出把复数(a+bi)用平面上的点来表示。后来高斯又提出了复平面的概念,终于使复数有了立足之地,也为复数的应用开辟了道路。现在,复数一般用来表示向量(有方向的量),这在水利学、地图学、航空学中的应用十分广泛,虚数越来越显示出其丰富的内容。真是:虚数不虚!

数学中的皇冠——数论

人类从学会计数开始就一直和自然数打交道,后来由于实践的需要,数的概念进一步扩充,自然数叫做正整数,而与它们的相反数叫做负整数,介于正整数和负整数中间的中性数叫做0,它们合起来叫做整数。

对于整数可以施行加、减、乘、除四种运算,叫做四则运算。其中加法、减法和乘法这三种运算,在整数范围内可以毫无阻碍地进行。也就是说,任意两个或两个以上的整数相加、相减、相乘的时候,它们的和、差、积仍然是一个整数。但整数之间的除法在整数范围内并不一定能够无阻碍地进行。

整数里发现的数学规律

人们在对整数进行运算的应用和研究中,逐步熟悉了整数的特性。比如,整数可分为两大类——奇数和偶数(通常被称为单数、双数)等。利用整数的一些基本性质,可以进一步探索许多有趣和复杂的数学规律,正是这些特性的魅力,吸引了古往今来许多的数学家不断地研究和探索。

高斯与《算术探讨》

到了18世纪末,历代数学家积累的关于整数性质零散的知识已经十分丰富了,把它们整理加工成为一门系统的学科的条件已经完全成熟了。德国数学家高斯集中前人的大成,写了一本书叫做《算术探讨》,1800年寄给了法国科学院,但是法国科学院拒绝了高斯的这部杰作,高斯只好在1801年自己发表了这部著作。这部书开创了现代数论的新纪元。

在我国近代,数论也是发展最早的数学分支之一。从20世纪30年代开始,在解析数论、刁藩都方程、一致分布等方面都有过重要的贡献,出现了华罗庚、闵嗣鹤、柯召等一流的数论专家。其中华罗庚教授在三角和估值、堆砌素数论方面的研究在世界是享有盛名的。1949年以后,数论的研究得到了更大的发展。

特别是陈景润在1966年证明“哥德巴赫猜想”的“一个大偶数可以表示为一个素数和一个不超过两个素数的乘积之和”以后,在国际数学界引起了强烈的反响。陈景润的论文被盛赞是解析数学的名作,是筛法的光辉顶点。至今,这仍是“哥德巴赫猜想”的最好结果。

你知道分数的起源吗

分数起源于“分”。一块土地平均分成三份,其中一份便是三分之一。三分之一是一种说法,用专门符号写下来便成了分数,分数的概念正是人们在处理这类问题的长期经验中形成的。

阿默斯纸草卷与分数的起源

世界上最早期的分数,出现在埃及的阿默斯纸草卷。公元1858年,英国人亨利林特在埃及的特贝废墟中,发现了一卷古代纸草,立即对这卷无价之宝进行修复,并花了19年的时间,才把纸草中的古埃及文翻译出来。现在这部世界上最古老的数学书被珍藏在伦敦大英博物馆内。

在阿默斯草卷中,我们见到了四千年前分数的一般记法,当时埃及人已经掌握了单分数——分子为1的分数的一般记法,并把单分数看做是整数的倒数。埃及人的这种认识以及对单分数的统计法,是十分了不起的,它告诉人们数不仅有整数,而且有它的倒数——单分数。

分数的长途旅行

分数终究不只是单分数,大约在公元前5世纪,中国开始出现把两个整数相除的商看作分数的认识,这种认识正是现在的分数概念的基础。在这种认识下,一个除式也就表示一个分数,被除数放在除数的上面,最上面留放着商数,例如:若是假分数,化成带分数后与现在的记法不同的是,假分数的整数部分放在分数的上面,而不是放在左边。

大约在12世纪后期,在阿拉伯人的著作中,首先用一条短横线把分子、分母隔开来,这可以说是世界上最早的分数线;13世纪初,意大利数学家菲波那契在他的著作中介绍阿拉伯数字,也把分数的记法介绍到了欧洲。

谁最先研究分数的运算

西汉时期,张苍、耿寿昌等学者整理、删补自秦代以来的数学知识,编成了《九章算术》。在这本数学经典的《方田》章中,提出的完整的分数运算法则大约在15世纪才在欧洲流行。欧洲人普遍认为,这种算法起源于印度。实际上,印度在7世纪婆罗门笈多的著作中才开始有分数运算法则,这些法则都与《九章算术》中介绍的法则相同。而刘徽的《九章算术注》成书于魏景元四年(公元263年),所以,即使与刘徽的时代相比,印度也要比我们晚400年左右。

拓展阅读

百分数是在日常生产和生活中使用频率很高的知识,200多年前,瑞士数学家欧拉在《通用算术》一书中说,要想把7米长的一根绳子分成三等份是不可能的,因为找不到一个合适的数来表示它。如果我们把它分成三等份,每份是7/3米。像7/3就是一种新的数,我们把它叫做分数。而后,人们在分数的基础上又以100做基数,发明了百分数。

百分数是用一百做分母的分数,在数学中用“%”来表示,在文章中一般都写作“百分之多少”。百分数与倍数不同,它既可以表示数量的增加,也可以表示数量的减少。

同类推荐
  • 青少年应该知道的岩石和矿物质

    青少年应该知道的岩石和矿物质

    岩石是构成地壳和地幔的物质基础,是天然产出的县稳定外型的矿物或玻璃集合体。岩石随处可见,是大自然的杰作。它不仅可以用作建材,而且还可以用来提炼金属、制作饰品等。自然界中有很多东西都能带给我们美的享受。小时候捡到一块美丽的石头,也能让我们欢喜许多天,在看红楼梦的时候我们都在羡慕贾宝玉身上那块与生俱来的通灵宝玉,这些能给我带来欢乐的东西都来自岩石大家族,岩石家族是个庞大的群体。那么岩石有什么特性?又是如何分类?……
  • 考工记

    考工记

    《考工记》是先秦时期一部重要的科技专著,原未注明作者及成书年代,一般认为它是春秋战国时代经齐人之手完成的,内容遍及百工技艺,堪称百工之源。
  • 时光机器:隐藏在时间中的科学

    时光机器:隐藏在时间中的科学

    本书除解答与时间有关的知识外,还汇集了许多与时间有关的科普知识:欧洲月球探测器“智慧1号”飞往月球所花的时间是多少?航天员在空间站上最长的飞行时间是多少?美国“阿波罗号”飞船航天员从地球到达月球所花的时间是多少?第一只碳丝白炽灯的寿命是多长?“神舟5号”载人飞船飞行时间是多少?……答案尽在书中。
  • 一本书读通世界地理

    一本书读通世界地理

    本书以独特的视角为读者选取了当今世界最著名的上百个不可不知的地方,以山川、河流、盆地、岳陵、沙漠、瀑布等为分界点,分块成章,使读者一目了解,更可以直接进入自己喜欢的地方。
  • 创造下一个地球

    创造下一个地球

    本套系列丛书推出10辑,主打科技牌。少年儿童要想成为一个有科学头脑的现代人,就要对科学知识和科学热点有一个广泛的了解,这样才能激发他的兴趣和爱好。
热门推荐
  • 互联网帝国

    互联网帝国

    王安因为一次意外重生到了高中时代,发现竟然是中国互联网的初期,于是决心缔造属于自己的帝国。做搜索引擎,做电商,做聊天工具,做...上市?这从来不是他的目标,他想要的是改变这个世界!
  • EXO之在一起

    EXO之在一起

    写EXO的同人小说,不是真的,希望你们可以看
  • 青春不完本

    青春不完本

    走出校园踏进社会是进入一个巨大的染缸还是迎接人生最大的挑战?看一个应届毕业生如何在工作,生活,爱情,亲情中跌宕在憧憬,彷徨,希望和绝望中成长!
  • 我曾爱过你,想到就心酸

    我曾爱过你,想到就心酸

    那一年,在我最彷徨无措的时候,我遇见了陆逸尘我曾以为,他是我的救赎,不曾想,却是他推我入最无尽的深渊我哭着说:“陆逸尘,我再也不要当任何人的替身,求你放过我吧,放过我,也放过你自己......”陆逸尘笑着说:“放了你,我怎么舍得?我们,死也要一起......”仓央嘉措说:那一世,转山转水转佛塔,不为修来世,只为途中与你相见我说:这一世,转山转水转佛塔,不为修来世,只为再也不要与你相见遇见陆逸尘是一场意外,也是我最刻骨铭心的无奈--情节虚构,请勿模仿
  • 霸道总裁求爱记:恶魔早上好

    霸道总裁求爱记:恶魔早上好

    有着瑾城首富的长子身份的富二代,本来应该是所有人都羡慕的身份,可是他确认为这是一种枷锁一种束缚,想要挣脱,却往往被困住,,,,她出生在普通的小市民家庭中,但是却被父母捧在手心里长大,她跟幸福每天都是笑着的,当他看见她的笑脸时,他愣住了,他想要得到她,想要让她把自己带到那个快乐的地方,,,“叶梓,从今天起你是我的!”“啊?单擎苍你说什么?”“……”,,,
  • 流浪电影世界

    流浪电影世界

    龙象般若功+金钟罩+金刚不坏体神功=超级版绿巨人?那再加上北冥神功呢?还不行?火影中的BUG多重影分身之术?啊?傀儡术+点化之术+捏纸成物术,我有纸人三千,可横推天下!
  • 网游三国志

    网游三国志

    世间的男儿,又有哪一个不向往这英雄的年代。
  • 暗言师

    暗言师

    诸神已殁,万物当休,但这片镜花水月仍旧完美无瑕。破碎的,散落的,狰狞的,模糊的,嘶吼的,静默的。真或假,死或生,贤人或是恶魔。一念之间,一镜之隔。
  • 10拉克的璎珞石

    10拉克的璎珞石

    。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。
  • 蛋糕公主太刁蛮

    蛋糕公主太刁蛮

    一年前柔弱单纯的小女生易依染,被迫前往英国后完全脱胎换骨,变成身兼多职的年轻女强人。她的归来,会对旧情人有怎样的举动?旧情人突然萌生的爱意,她将如何处理?真相挖深,她又发现怎样惊天的秘密?弱女子逆袭之后能否一雪前耻,找到自己的真心所爱呢?