我眼中的数学精.ppt
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1、我眼中的数学第1页,本讲稿共39页数学的发展数学,起源于人类早期的生产活动,为中国古代六艺之数学,起源于人类早期的生产活动,为中国古代六艺之一,亦被古希腊学者视为哲学之起点。一,亦被古希腊学者视为哲学之起点。数学的演进大约可以看成是抽象化的持续发展,或是数学的演进大约可以看成是抽象化的持续发展,或是题材的延展。第一个被抽象化的概念大概是数学,题材的延展。第一个被抽象化的概念大概是数学,其对两个苹果及两个橘子之间有某样相同事物的认其对两个苹果及两个橘子之间有某样相同事物的认知是人类思想的一大突破。知是人类思想的一大突破。除了认知到如何去数实除了认知到如何去数实际物质的数量,史前的人类亦了解如何去
2、数抽象物际物质的数量,史前的人类亦了解如何去数抽象物质的数量,如时间日、季节和年。算术也自然而质的数量,如时间日、季节和年。算术也自然而然地产生了。古代的石碑亦证实了当时已有几何的然地产生了。古代的石碑亦证实了当时已有几何的知识。知识。第2页,本讲稿共39页数学的发展从历史时代的一开始,数学内的主要原理是为了做税务和贸易等相关多计算,为了了解数字间的关系,为了测量土地,以及为了预测天文事件而形成的。这些需要可以简单地被概括为数学对数量、结构、空间及时间方面的研究。第3页,本讲稿共39页数学的发展到了16世纪,算术、初等代数、以及三角学等初等数学已大体完备。17世纪变量概念的产生使人们开始研究变
3、化中的量与量的互相关系和图形间的互相变换。在研究经典力学的过程中,微积分的方法被发明。随着自然科学和技术的进一步发展,为研究数学基础而产生的集合论和数理逻辑等也开始慢慢发展。数学从古至今便一直不断地延展,且与科学有丰富的相互作用,并使两者都得到好处。数学在历史上有着许多的发现,并且直至今日都还不断地发现中。依据MikhailB.Sevryuk于美国数学会通报2006年1月的期刊中所说,“存在于数学评论数据库中论文和书籍的数量自1940年现已超过了一百九十万份,而且每年还增加超过七万五千份的细目。此一学海的绝大部分为新的数学定理及其证明。”第4页,本讲稿共39页欧几里得欧几里得欧几里得,古希腊数
4、学家,被称为“几何之父”。他活跃于托勒密一世(公元前323年前283年)时期的亚历山大里亚,他最著名的著作几何原本是欧洲数学的基础,提出五大公设,发展欧几里得几何,被广泛的认为是历史上最成功的教科书。欧几里得也写了一些关于透视、圆锥曲线、球面几何学及数论的作品,是几何学的奠基人。阿基米德阿基米德阿基米德(Archimedes公元前287年公元前212年),古希腊哲学家、数学家、物理学家。出生于西西里岛的叙拉古。阿基米德到过亚历山大里亚,据说他住在亚历山大里亚时期发明了阿基米德式螺旋抽水机。后来阿基米德成为兼数学家与力学家的伟大学者,并且享有“力学之父”的美称。阿基米德流传于世的数学著作有10余
5、种,多为希腊文手稿。阿基米德曾说过:给我一个支点,我可以翘起地球。这句话告诉我们:要有勇气去寻找这个支点,要用于寻找真理。第5页,本讲稿共39页卡尔卡尔弗里德里克弗里德里克高斯高斯数学天才高斯(C.F.Gauss)高斯是德国数学家、物理学家和天文学家。高斯一生下来,就对一切现象和事物十分好奇,而且决心弄个水落石出。7岁那年,高斯第一次上学了。在全世界广为流传的一则故事说,高斯10岁时算出布特纳给学生们出的将1到100的所有整数加起来的算术题,布特纳当时给孩子们出的是一道更难的加法题:81297+81495+81693+100899。说完高斯也算完并把写有答案的小石板交了上去,当时只有他写的答案
6、是正确的。数学史家们倾向于认为,高斯当时已掌握了等差数列求和的方法。一位年仅10岁的孩子,能独立发现这一数学方法实属很不平常。高斯的学术地位,历来被人们推崇得很高。他有“数学王子”、“数学家之王”的美称。第6页,本讲稿共39页艾萨克艾萨克牛顿牛顿牛顿(IsaacNewton)是英国较为著名的物理学家和数学学家。艾萨克牛顿在学校里,牛顿是个古怪的孩子,就喜欢自己设计、自己动手,做风筝、日晷、滴漏之类器物。他对周围的一切充满好奇,但并不显得特别聪明。16651666年严重的鼠疫席卷了伦敦,剑桥离伦敦不远,为恐波及,学校因此而停课,牛顿于1665年6月离校返乡。一天在树下闲坐,看到一个苹果落在地上,
7、便开始捉摸,这种将苹果往下拉的力会不会也在控制着月球。由此牛顿推导出物体的下落速度改变率与重力的大小成正比,而重力大小与距地心距离的平方成反比。后来牛顿的棱镜实验也使他一举成名。牛顿最卓越的数学成就是创立了微积分,此外对解析几何与综合几何都有比较显著的贡献。第7页,本讲稿共39页莱布尼茨莱布尼茨戈特弗里德威廉凡莱布尼茨(GottfriedWilhelmvonLeibniz,1646年7月1日1716年11月14日)德国最重要的自然科学家、数学家、物理学家、历史学家和哲学家,一位举世罕见的科学天才,和牛顿(1643年1月4日1727年3月31日)同牛顿为微积分的创建人。他博览群书,涉猎百科,对丰
8、富人类的科学知识宝库做出了不朽的贡献。莱昂哈德莱昂哈德欧拉欧拉莱昂哈德欧拉(LeonhardEuler,1707年4月5日1783年9月18日)是瑞士数学家和物理学家。他被一些数学史学者称为历史上最伟大的两位数学家之一(另一位是卡尔弗里德里克高斯)。欧拉是第一个使用“函数”一词来描述包含各种参数的表达式的人,例如:y=F(x)(函数的定义由莱布尼兹在1694年给出)。他是把微积分应用于物理学的先驱者之一。第8页,本讲稿共39页中国古代数学发展史中国古代数学发展史中国古代数学的萌芽中国古代数学的萌芽原始公社末期,私有制和货物交换产生以后,数与形的概念有了进一步的发展,仰韶文化时期出土的陶器,上面
9、已刻有表示1234的符号。到原始公社末期,已开始用文字符号取代结绳记事了。西安半坡出土的陶器有用18个圆点组成的等边三角形和分正方形为100个小正方形的图案,半坡遗址的房屋基址都是圆形和方形。为了画圆作方,确定平直,人们还创造了规、矩、准、绳等作图与测量工具。据史记夏本纪记载,夏禹治水时已使用了这些工具。商代中期,在甲骨文中已产生一套十进制数字和记数法,其中最大的数字为三万;与此同时,殷人用十个天干和十二个地支组成甲子、乙丑、丙寅、丁卯等60个名称来记60天的日期;在周代,又把以前用阴、阳符号构成的八卦表示八种事物发展为六十四卦,表示64种事物。第9页,本讲稿共39页中国古代数学发展史中国古代
10、数学发展史公元前一世纪的周髀算经提到西周初期用矩测量高、深、广、远的方法,并举出勾股形公元前一世纪的周髀算经提到西周初期用矩测量高、深、广、远的方法,并举出勾股形的勾三、股四、弦五以及环矩可以为圆等例子。礼记的勾三、股四、弦五以及环矩可以为圆等例子。礼记内则篇提到西周贵族子弟从九岁内则篇提到西周贵族子弟从九岁开始便要学习数目和记数方法,他们要受礼、乐、射、驭、书、数的训练,作为开始便要学习数目和记数方法,他们要受礼、乐、射、驭、书、数的训练,作为“六艺六艺”之之一的数已经开始成为专门的课程。一的数已经开始成为专门的课程。春秋战国之际,筹算已得到普遍的应用,筹算记数法已使用十进位值制,这春秋战国
11、之际,筹算已得到普遍的应用,筹算记数法已使用十进位值制,这种记数法对世界数学的发展是有划时代意义的。这个时期的测量数学在生产上有种记数法对世界数学的发展是有划时代意义的。这个时期的测量数学在生产上有了广泛应用,在数学上亦有相应的提高。了广泛应用,在数学上亦有相应的提高。战国时期的百家争鸣也促进了数学的发展,尤其是对于正名和一些战国时期的百家争鸣也促进了数学的发展,尤其是对于正名和一些命题命题的争论直接与的争论直接与数学有关。名家认为经过抽象以后的名词概念与它们原来的实体不同,他们提出数学有关。名家认为经过抽象以后的名词概念与它们原来的实体不同,他们提出“矩不方,规不可以为圆矩不方,规不可以为圆
12、”,把,把“大一大一”(无穷大无穷大)定义为定义为“至大无外至大无外”,“小一小一”(无穷小无穷小)定义为定义为“至小无内至小无内”。还提出了。还提出了“一尺之棰,日取其半,万世不竭一尺之棰,日取其半,万世不竭”等命题。等命题。而墨家则认为名来源于物,名可以从不同方面和不同深度反映物。墨家给出一些而墨家则认为名来源于物,名可以从不同方面和不同深度反映物。墨家给出一些数学定义。例如圆、方、平、直、次数学定义。例如圆、方、平、直、次(相切相切)、端、端(点点)等等。等等。墨家不同意墨家不同意“一尺之棰一尺之棰”的命题,提出一个的命题,提出一个“非半非半”的命题来进行反驳:将一的命题来进行反驳:将一
13、线段线段按一半一按一半一半地无限分割下去,就必将出现一个不能再分割的半地无限分割下去,就必将出现一个不能再分割的“非半非半”,这个,这个“非半非半”就是点。就是点。第10页,本讲稿共39页中国古代数学体系的形成中国古代数学体系的形成秦汉是封建社会的上升时期,经济和文化均得到迅速发展。中国古代数学体系正是形成于这个时期,它的主要标志是算术已成为一个专门的学科,以及以九章算术为代表的数学著作的出现。九章算术是战国、秦、汉封建社会创立并巩固时期数学发展的总结,就其数学成就来说,堪称是世界数学名著。例如分数四则运算、今有术(西方称三率法)、开平方与开立方(包括二次方程数值解法)、盈不足术(西方称双设法
14、)、各种面积和体积公式、线性方程组解法、正负数运算的加减法则、勾股形解法(特别是勾股定理和求勾数的方法)等,水平都是很高的。其中方程组解法和正负数加减法则在世界数学发展上是遥遥领先的。就其特点来说,它形成了一个以筹算为中心、与古希腊数学完全不同的独立体系。九章算术有几个显著的特点:采用按类分章的数学问题集的形式;算式都是从筹算记数法发展起来的;以算术、代数为主,很少涉及图形性质;重视应用,缺乏理论阐述等。第11页,本讲稿共39页中国古代数学体系的形成中国古代数学体系的形成这些特点是同当时社会条件与学术思想密切相关的。秦汉时期,一切科学技术都要为当时确立和巩固封建制度,以及发展社会生产服务,强调
15、数学的应用性。最后成书于东汉初年的九章算术,排除了战国时期在百家争鸣中出现的名家和墨家重视名词定义与逻辑的讨论,偏重于与当时生产、生活密切相结合的数学问题及其解法,这与当时社会的发展情况是完全一致的。九章算术在隋唐时期曾传到朝鲜、日本,并成为这些国家当时的数学教科书。它的一些成就如十进位值制、今有术、盈不足术等还传到印度和阿拉伯,并通过印度以及阿拉伯传到欧洲,促进了世界数学的全新发展第12页,本讲稿共39页中国古代数学的发展中国古代数学的发展魏、晋时期出现的玄学,不为汉儒经学束缚,思想比较活跃;它诘辩求胜,又能运用逻辑思维,分析义理,这些都有利于数学从理论上加以提高。吴国赵爽注周髀算经,汉末魏
16、初徐岳撰九章算术注,魏末晋初刘徽撰九章算术注、九章重差图都是出现在这个时期。赵爽与刘徽的工作为中国古代数学体系奠定了理论基础。赵爽是中国古代对数学定理和公式进行证明与推导的最早的数学家之一。他在周髀算经书中补充的“勾股圆方图及注”和“日高图及注”是十分重要的数学文献。在“勾股圆方图及注”中他提出用弦图证明勾股定理和解勾股形的五个公式;在“日高图及注”中,他用图形面积证明汉代普遍应用的重差公式,赵爽的工作是带有开创性的,在中国古代数学发展中占有重要地位。第13页,本讲稿共39页中国古代数学的发展中国古代数学的发展刘徽约与赵爽同时,他继承和发展了战国时期名家和墨家的思想,主张对一些数学名词特别是重
17、要的数学概念给以严格的定义,认为对数学知识必须进行“析理”,才能使数学著作简明严密,利于读者。他的九章算术注不仅是对九章算术的方法、公式和定理进行一般的解释和推导,而且在论述的过程中有很大的发展。刘徽创造割圆术,利用极限的思想证明圆的面积公式,并首次用理论的方法算得圆周率为157/50和3927/1250。刘徽用无穷分割的方法证明了直角方锥与直角四面体的体积比恒为2:1,解决了一般立体体积的关键问题。在证明方锥、圆柱、圆锥、圆台的体积时,刘徽为彻底解决球的体积提出了正确途径。东晋以后,中国长期处于战争和南北分裂的状态。祖冲之父子的工作就是经济文化南移以后,南方数学发展的具有代表性的工作,他们在
18、刘徽注九章算术的基础上,把传统数学大大向前推进了一步。他们的数学工作主要有:计算出圆周率在3.14159263.1415927之间;提出祖暅原理;提出二次与三次方程的解法等。第14页,本讲稿共39页中国古代数学的发展中国古代数学的发展据推测,祖冲之在刘徽割圆术的基础上,算出圆内接正6144边形和正12288边形的面积,从而得到了这个结果。他又用新的方法得到圆周率两个分数值,即约率22/7和密率355/113。祖冲之这一工作,使中国在圆周率计算方面,比西方领先约一千年之久;祖冲之之子祖暅总结了刘徽的有关工作,提出“幂势既同则积不容异”,即等高的两立体,若其任意高处的水平截面积相等,则这两立体体积
19、相等,这就是著名的祖暅公理。祖暅应用这个公理,解决了刘徽尚未解决的球体积公式。第15页,本讲稿共39页中国古代数学的发展中国古代数学的发展隋炀帝好大喜功,大兴土木,客观上促进了数学的发展。唐初王孝通的缉古算经,主要讨论土木工程中计算土方、工程分工、验收以及仓库和地窖的计算问题,反映了这个时期数学的情况。王孝通在不用数学符号的情况下,立出数字三次方程,不仅解决了当时社会的需要,也为后来天元术的建立打下基础。此外,对传统的勾股形解法,王孝通也是用数字三次方程解决的。唐初封建统治者继承隋制,656年在国子监设立算学馆,设有算学博士和助教,学生30人。由太史令李淳风等编纂注释算经十书,作为算学馆学生用
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