数学的历史小故事
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公元前500年,古希腊毕达哥拉斯(Pythagoras)学派的弟—子希勃索斯(Hippasus)发现了一个惊人的事实,一个正方形的对角线与其一边的长度是不可公度的(若正方形边长是1,则对角线的长不是一个有理数)这一不可公度性与毕氏学派“万物皆为数”(指有理数)的哲理大相径庭。这一发现使该学派领导人惶恐、恼怒,认为这将动摇他们在学术界的统治地位。希勃索斯因此被囚禁,受到百般折磨,最后竞遭到沉舟身亡的惩处。
不可通约的本质是什么?长期以来众说纷坛,得不到正确的解释,两个不可通约的比值也一直被认为是不可理喻的数。15世纪意大利著名画家达。芬奇称之为“无理的数”,17世纪德国天文学家开普勒称之为“不可名状”的数。
然而,真理毕竟是淹没不了的,毕氏学派抹杀真理才是“无理”。人们为了纪念希勃索斯这位为真理而献身的可敬学者,就把不可通约的量取名为“无理数”——这便是“无理数”的由来。
同时它导致了第一次数学危机。
祖冲之(公元429—500),字文远,是我国古代南北朝时代南朝杰出的科学家,原籍是范阳郡遒县(今河北莱源县),因战乱,他的祖先迁居江南。公元429年,祖冲之诞生在南方宋朝一个士大夫的家庭。这家有几代研究历法,祖父掌管土木建筑,也懂得一些科学技术,所以祖冲之从小就有机会接触家传的科学知识,他少年时代就开始钻研古代的经典。思想机敏。勇于创新,勤奋地学习,对各种事物敢于大胆设想,勇于创新,并且勤于实践。他搜集和阅读了大量有关天文、数学等方面的书籍与文献资料,并经常进行精密的测量和仔细的推算。就象自己说的那样;“亲量圭尺,躬察仪漏,目尽毫厘,心军筹策”。由于他既崇尚抽象的理论,又注重理论的应用,突破了天命论、神秘主义的桎梏,敢于实践,勇于改革,因此在当时劳动人民创造的高度发达的物质财富的基础上,取得了不少有价值的科学成果,特别是天文历法和数学方面的成就更为突出。
我国古代曾经长期采用“十九年七闰月”的方法作为历法来计算阴历。祖冲之经过仔细推算和研究,发现这种历法虽然可以使两种(阴历和阳历)天数大致相符,但还不够精确,过了二百年就会相差一天。因此,他决心打破传统观念改革闰法。总结了前人经验,经反复实验,科学计算,改为第三百九十一年中有一百四十四个闰年。这样就相当精确了。他在一文历法中的另一重大成就是在历法计算中第一次应用了岁差,即指地球围绕太阳运行五周,不可能完全回到上一年的冬至点的现象。他算出了岁差为四十五年十一个月后退一度(一度等于60分),并在他的《大明历》中加以应用。虽然尚不够准确,但这在天文学史上却是一个空前的创举。为了使历法更精确,他还算出交点月,即月亮连续两次经过黄白交点所需的时间是27。21223日,这与现代测得的21。21222日极相近似。这为准确地算日食月食妇生的时间创造了条件。
在上述基础上,他制成了当时最科学的历法——《大明历》。那时他才三十三岁,公元462年,他把《大明历》交给朝廷,请求予以颁行。但遭到以贵族官僚戴法兴为首的坚决反对。戴法兴是一个很有权势的人物,又稍稍懂一点历史,但思想非常保守,戴硬说太阳转动一周(实际上是地球绕太阳一周)的时间有快有慢,没有规律。祖冲之反驳说:“太阳的转动是有一眯规律的,这是有事实根据的”。戴又说:“日月星辰的快慢变化,凡人是测算不出的”。祖冲之说“这些变化并不神秘,只要人们进行精密的观测和细致的推算,是完全可以算出来的。事实上人们已掌握了一定的规律”。把戴批驳得哑口无言,祖冲之终于击败了保守势力,取取得最后胜利,然而直到他死后十年在他儿子祖恒再三推荐下,新历法才在公元510年被正式采用。
祖冲之在数学研究方面,特别是在圆周率的研究上,做出了在数学史具有深远影响的巨磊贡献。古代最早求得的圆周率是“3”,西汉末年刘又得到3。1547的圆周率值。东汉的张衡算出3。1622的值,到了三国末年,数学家刘徽创造了用割圆术求得圆周率方法,得出3。141024的值。祖冲之地吸收了其中一些有的东西,又不为前人结论束缚,经过自己的精密测算,算出圆周率值在3。1415926和3。1415927之间,并以22/7和355/113作为用分数表示圆周率的疏率和密率。这是世界上第一个最精确的圆周率,欧洲人奥托和安托尼兹直到公元1573年,才先后求出这个数值。实际上早在他们一千一百多年前,祖冲之就得到这个数值了,因而,日本数学家三上义夫主张称名为“祖率”。
祖冲之在推算圆周率时,对九位数的大数目,需要反复进行包括加减乘除与开方等方法的运算五百三十次以上。而且当时他还是用筹码(小竹棍)来计算的。从这里可以看出他严谨的治学态度和坚韧不拔的毅力。
后来,祖冲之把数学上的研究成果写成一本书,叫做“缀术”,内容很丰富,可惜早已失传了。
除了在天文、历法和数学方面做出重大贡献外,在他五十岁那年,曾经仿制成功一辆指南车,这车子不管怎么转动,车上木人的手总是指着南方。他又看到群众用人力磨数值非常吃力,于是开动脑筋,反复实验,制成了水碓磨。同时还制造成功一种“千里船”,经过试验,日行百余里。此外,他还懂得音乐,注过多种经典。因而祖冲之可以说是我国古代杰出而又博学多才的一位科学家。
祖恒是祖冲之的儿子,字景烁,生卒年月已无可考。他也是一个博学多才的数学家,曾在公元504年、509年和510年三次上书建议采用祖冲之的《大明历》,终于实现了父亲的遗愿。
祖恒的主要工作是修补编辑祖冲之的《缀术》。
祖恒推导球体积公式的方法非常巧妙,其理论依据是这样一条被他当作“公理”使用的命题:“幂势既同,则积不容异”,其中“幂”是截面积,“势”是立体的高。把这命题翻译成现代汉文并写得详细一点就是:“界于二平行平面之间的`确良两个立体,被任一平行这二平面的平面所截,如果两个截面的面积相等,则这两个立体的体积相等”。这命题在国外通常称为“卡瓦列利原理”或“卡瓦列利定理”。卡瓦列利(1598—1647)是意大利米兰人,伽利略的学生,波伦拿大学教授,为十七世纪意大利数学家中影响最大的一个。这定理是他于1635年在波伦拿出版的名著《连续不可分几何》一书中提出的,但却比祖恒迟了1100多年。
勒斯(古希腊数学家、天文学家)来到埃及,人们想试探一下他的能力,就问他是否能测量金字塔高度。泰勒斯说可以,但有一个条件——法老必须在场。第二天,法老如约而至,金字塔周围也聚集了不少围观的老百姓。秦勒斯来到金字塔前,阳光把他的影子投在地面上。
每过一会儿,他就让人测量他影子的长度,当测量值与他身高完全吻合时,他立刻在大金字塔在地面上的投影处作一记号,然后再丈量金字塔底到投影尖顶的距离。这样,他就报出了金字塔确切的高度。
在法老的请求下,他向大家讲解了如何从“影长等于身长”推到“塔影等于塔高”的原理。也就是今天所说的相似三角形定理。
数学史家把0称作“哥伦布鸡蛋”,这不仅是因为0的形状像鸡蛋,其中还含有深刻的哲理。凡事都是开创时困难,有人开了端,仿效是很容易的。0的出现就是一个典型的例子,在发明之前,谁都想不到,一旦有了它,人人都会用简单的方法来记数。
我们知道,零不仅表示一无所有,它还有以下的一些意义;在位值制记数法中,零表示“空位”,同时起到指示数码所在位置的作用,如304中的0表示十位上没有数;零本身还是一个数,可以同其他的数一起参与运算;零是标度的起点或分界,如每天的时间从0时开始。
在古代巴比伦,楔形文字的零号已起到现今位值制中0号的作用,它一方面表示零位,另一方面也指明数码的位置。然而他们还没有把零看作一个数,也没有将它和“一无所有”这一概念联系起来。
印度人对零的最大贡献是承认它是一个数,而不仅仅是空位或一无所有。婆罗摩笈多对零的运算有较完整的叙述:“负数减去零是负数,正数减去零是正数,零减去零什么也没有;零乘负数、正数或零都是零。……零除以零是空无一物,正数或负数除以零是一个以零为分母的分数”。每一个学过除法的人都知道,零不可以作除数,因为如果a≠0而b=0,那就不可能存在一个C使得bc=a。这个道理尽人皆知,但在得到正确结论之前,却经历了漫长的历史。
我国自古以来就用算筹来记数,早就用算筹来记数,用的是10进位值制。巴比伦知道位值制,但用的是60进制。印度到公元595年才在碑文上有明确的10进位值制的记数法。位值制必须有表示零的办法。起初,中国使用空格来表示零,后来以○表示零,后来印度的0就传入了中国。
在我们眼里,零的存在是那么自然、简洁,但就是这么一个简单的零,却也有这么一段颇不简单的历史。
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