数学的重要性和趣味性.ppt

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1、 一一.数学是有用的数学是有用的Bacon.Roger（英国自然科学、哲学家，（英国自然科学、哲学家，1214-1294）说：）说：数学是科学大门的钥匙，忽视数学必将伤害所有的知识，因为忽视数学的人是无法了解任何其他科学乃至世界上任何其他事物的。更为严重的是，忽视数学的人不能理解他自己这一疏忽，最终将导致无法寻求任何补救的措施。Peirce.Benjamin（美国数学家）说：（美国数学家）说：数学不是规律的发现者，因为它不是归纳。数学也不是理论的缔造者，因为它不是假说。但数学却是规律和理论的裁判和主宰者，因为规律和假说都要向数学表明自己的主张，然后等待数学的裁判。如果没有数学上的认可，则规律不

2、能起作用，理论也不能解释。Bacon.Francis（英国散文作家、哲学家、政治家和法理学家，（英国散文作家、哲学家、政治家和法理学家，1561-1626）说：）说：历史使人聪明，诗歌使人机智，数学使人精细，哲学使人深邃，道德使人严肃，逻辑与修辞使人善辩。Lalande（法国天文学家、数学家、科（法国天文学家、数学家、科学史家，学史家，1732-1807）说：）说：对数学的酷爱，不仅在吾辈之中与日俱增，而且在军队中也是一样，对此已在上次战役中充分地体现出来了。蓬乃派托自己就有很好地数学素养，当然不能要求所有学过数学的人都能成为拉普拉斯和拉格朗日那样的几何学家，或者都成为蓬乃派托那样的英雄。但是

3、，数学毕竟在他们的头脑中留下了痕迹。这就能使他们比未经过数学训练的人作出更多的贡献。Carus.Paul（德裔美籍作家）说：（德裔美籍作家）说：没有那门学科能比数学更为清晰的阐明自然界的和谐性。Chancellor,W.E.（英国学者）说：（英国学者）说：学习数学是为了探索宇宙的奥秘。如所知，星球与地层、热与电、变异与存在的规律，无不涉及数学真理。如果说语言反映和揭示了造物主的心声，那么数学就反映和揭示了造物主的智慧，并且反复地重复着事物如何变异为存在的故事。数学集中并引导我们的精力、自尊和愿望去认识真理，并由此而生活在上帝的大家庭中。正如文学诱导人们的情感与了解一样，数学则启发人们的想象与推

4、理。Butler.Nicholas Murray（1931年诺贝尔和平奖获得者年诺贝尔和平奖获得者）说：）说：笛卡儿的解析几何于牛顿，莱布尼兹的微积分已被扩张到罗巴切夫斯基、黎曼、高斯和塞尔维斯托的奇异的数学方法中（这种扩张比哲学史上所记载的任何一门学科的扩张更大胆）。事实上，数学不仅是各门学科所必不可少的工具，而且它从不顾及直观感觉的约束而自由地飞翔着。历史地看，数学还从没有象今天那样表现出对于纯粹推理的至高无上。B.Demollins（著名数学家）说：（著名数学家）说：没有数学，我们无法看透哲学的深度；没有哲学，人们也无法看透数学的深度；而没有两者，人们什么也看不透。日本数学教育家米山国藏

5、说：日本数学教育家米山国藏说：学生在学校学的数学知识，毕业后若没什么机会去用，不到一两年，很快就忘掉了。然而，不管他们从事什么工作，唯有深深铭刻在头脑中的数学的精神、数学的思维方法、研究方法、推理方法和看问题的着眼点等却随时随地发生作用，使他们终身受益二二.数学存在于大自然中数学存在于大自然中你有没有观察过一片叶子，对它为什么能精确的分成两瓣表示奇怪你有没有观察过一片叶子，对它为什么能精确的分成两瓣表示奇怪？你有没有注意到各种花的花瓣成完美星形？有没有注意到某种贝？你有没有注意到各种花的花瓣成完美星形？有没有注意到某种贝壳和松果的螺旋形生长模式？面对奇迹纷呈的自然界，我们中的大壳和松果的螺旋形

6、生长模式？面对奇迹纷呈的自然界，我们中的大多数人往往认为数学知识只是人类的专利，其实自然界中也存在许多数人往往认为数学知识只是人类的专利，其实自然界中也存在许多名不见经传的多名不见经传的“数学家数学家”猫和蜘蛛是猫和蜘蛛是“几何专家几何专家”，在寒冷的冬天，猫睡觉时总要，在寒冷的冬天，猫睡觉时总要把身体抱成一个球形，这其间也有数学，因为球形使身体的把身体抱成一个球形，这其间也有数学，因为球形使身体的表面积最小，这样，身体露在冷空气中的表面积最小，因而表面积最小，这样，身体露在冷空气中的表面积最小，因而散发的热量也最少。散发的热量也最少。蜘蛛结的“八卦”网，既复杂又非常美丽，这种八角形的几何图案

7、，既使木工师傅用直尺和圆规也难画得如蜘蛛网那样匀称。当对这个美丽的结构用数学方法进行分析时，出现在蜘蛛网上的概念真是惊人半径、弦、平行线段、三角形、全等对应角、对数螺线、悬链线和超越线。蚂蚁是“计算专家”。英国科学家兴斯顿作过一个有趣的实验，他把一只死蚱蜢切成三块，第二块比第一块大一倍，第三块比第二块大一倍，当蚂蚁发现这食物40分钟后，聚集在最小的一块蚱蜢旁的蚂蚁有28只，第二块44只，第三块89只，后一组较前一组差不多多一倍。蚂蚁的计算本领如此精确，令人惊奇！不仅如此，蚂蚁们在寻找食物时，总是能够找到通往食物的最短路线。珊瑚虫是“代数天才”。它在自己身上记下“日历”，每年在体壁上“刻画”出3

8、65条环纹，一天“画”一条。生物学家发现，3.5亿年前的珊瑚虫每年“画”出400条环纹，天文学家告诉我们，当时的地球昼夜只有21.9小时，一年不是365天，而是400天。蜜蜂的蜂房是严格的六角柱状体，它的一端是平整的六角形开口，另一端是封闭的六角菱锥形的底，由三个相同的菱形组成。组成底盘的菱形的钝角为109度28分，所有的锐角为70度32分，这样既坚固又省料。蜂房的巢壁厚0.073毫米，误差极小。令人类建筑师惊叹不已！同时，令人惊奇的是，蜜蜂还“知道”两点间的最短距离是一条直线。工蜂在花间随意来去而采集到大量花蜜后，它知道取最直接的路线回到蜂房。大约在公元300年左右，古希腊数学家帕波斯在其编

9、写的数学汇编一书中对蜂房的结构，作过精彩的描写：蜂房是由许许多多的正六棱柱，一个挨着一个，紧密地排列，蹭没有一点空隙蜜蜂凭着自己本能的智慧选择了正六边形，因为使用同样多的原材料，正六边形具有最大的面积，从而可贮藏更多的蜂蜜。”蜂房结构和造型令世界上最优秀的建筑师称赞不已。已故数学家华罗庚教授曾为此撰写了著名的数学读物 谈谈与蜂房结构有关的数学问题(时在1964年),书中对此作了详尽、严谨且十分生动的阐述。这种结构如今已用在航空、航天、建筑材料等领域。丹顶鹤总是成群结队迁飞，而且排成“人”字形，角度也永远是110度，更精确的计算还表明“人”字夹角的一半，即每边与鹤群前进的夹角度数54度44分8秒

10、；而金刚石结晶体的角度也正好是54度44分8秒！是巧合还是大自然的某种“默契”？鹰类从空中俯冲下来猎取地上的小动物时，常常采取一个最好的角度出其不意地扑向猎物。壁虎在捕食蚊、蝇、蛾等小昆虫时，总沿着一条螺旋形曲线爬行，这条曲线，数学上称为“螺旋线”。切叶蜂用大腭剪下的每片圆形叶片，像模子冲出来似的，大小完全一样。鼹鼠“瞎子”在地下挖掘隧道时，总是沿着90转弯。蛇在爬行时，走的是一个正弦函数图形。它的脊椎像火车一样，是一节一节连接起来的，节与节之间有较大的活动余地。如果把每一节的平面坐标固定下来，并以开始点为坐标原点，就会发现蛇是按着30度、60度和90度的正弦函数曲线有规律地运动的。视频：大自

11、然中的数学视频：大自然中的数学三三.数学是有趣的（数学故事）数学是有趣的（数学故事）第一个故事：遗嘱第一个故事：遗嘱阿拉伯数学家花拉子密的遗嘱：当时他的妻子正怀着他们的第一胎小孩。“如果我亲爱的妻子帮我生个儿子，我的儿子将继承三分之二的遗产，我的妻子将得三分之一；如果是生女的，我的妻子将继承三分之二的遗产，我的女儿将得三分之一。”。而不幸的是，在孩子出生前，这位数学家就去世了。之后，发生的事更困扰大家，他的妻子帮他生了一对龙凤胎,而问题就发生在他的遗嘱内容。如何遵照数学家的遗嘱，将遗产分给他的妻子、儿子、女儿呢？第二个故事：消失的一元钱第二个故事：消失的一元钱有一家酒店一间房30元一晚，有一天

12、来了3个人住，每个人给了10元钱，老板觉得今天心情很好，可以打折，就只收了25元，多余的5元钱让服务生给这三个人送回去，服务生觉得3个人分5块钱不好分，就贪污了两元钱，剩下3元钱一人一元钱，那问题出现了：3个人相当于一人出了9元钱，3个人3*9=27元，加上服务生贪污的2元钱，27+2=29元，而最开始3个人掏的是30元钱，还有一元钱去哪儿了？第三个故事：国际象棋第三个故事：国际象棋在古老的印度，有一个国王很擅长下国际象棋，整个王国里面已经没有人下得过他。有一天来了一个老人要求和国王下棋，老人棋艺很好，最后赢了国王。国王很高兴，他说：“这么多年都没人下得过我，我决定给你赏赐，你想要什么，告诉我

13、！”老人说：“我要的东西很简单，我只需要在国际象棋的棋盘上第一个放一粒米，第二格放两粒米，第三格放四粒米，以此类推，每一格的米是上一格的两倍，摆满棋盘后，我就把米带走！”国王哈哈大笑，说：“我的王国这么富有，这点要求算什么？”于是，他就叫手下的人去仓库拿米，然而渐渐地，国王的脸色变了，最后，他竟然把老人杀了，请问这是为什么？四四.数学与其他学科的关系数学与其他学科的关系数学为自然科学和人文社会科学提供了一种精确的语言和有力的工具所有自然科学分支和工程技术都离不开数学人文社会科学的许多领域也已发展到不懂数学的人望尘莫及的阶段物理学、力学物理学、力学与数学密不可分与数学密不可分自由落体运动自由落体

14、运动 牛顿力学牛顿力学爱因斯坦狭义相对论爱因斯坦狭义相对论 在洛伦兹变换下在洛伦兹变换下“时空间隔不变时空间隔不变”1915.11.25.广义协变引力场方程广义协变引力场方程 黎曼度规张量黎曼度规张量“由于这组方程，广义相对论作为一种由于这组方程，广义相对论作为一种逻辑结构终于大功告成！逻辑结构终于大功告成！”DNA重组机理研究重组机理研究 Science 数学打开了双螺旋数学打开了双螺旋 的疑结的疑结 1990，美国数学家，美国数学家 琼斯琼斯，纽结理论，纽结理论数学与音乐音乐，就它的基础来说是数学的，音乐，就它的基础来说是数学的，就它的出现来说，是直觉的。就它的出现来说，是直觉的。莱布尼兹

15、莱布尼兹这个世界可以由音乐的音符来组成，这个世界可以由音乐的音符来组成，也可以用数学公式来组成也可以用数学公式来组成.”爱因斯坦爱因斯坦一组键盘一组键盘平台钢琴弦的外形轮廓平台钢琴弦的外形轮廓十二平均律把八度分成把八度分成12个半音，这些半音的频率成个半音，这些半音的频率成一个等比数列一个等比数列.乐音乐音3(3度音度音)的频率比为的频率比为乐音乐音4(4度音度音)的频率比为的频率比为乐音乐音5(5度音度音)的频率比为的频率比为乐音乐音6(6度音度音)的频率比为的频率比为十二平均律的发明者朱载堉15361611 河南沁阳人河南沁阳人朱元璋的九世孙朱元璋的九世孙46岁时，完成岁时，完成“新法密律

16、新法密律”(即十二平即十二平均律均律)的计算，比荷兰的斯特芬早十几的计算，比荷兰的斯特芬早十几年，比法国的默森早年，比法国的默森早55年，他谱写的年，他谱写的平均律曲谱，比巴赫的平均律曲谱，比巴赫的平均律钢琴平均律钢琴曲集曲集早早300年。年。朱载堉用朱载堉用81位大算盘计算频率，位大算盘计算频率，先把八度开平方，算得先把八度开平方，算得 得十二平均律中的得十二平均律中的 ；再将再将1.414213 开平方，得八度的四分之开平方，得八度的四分之一，一，即即 ；最后将最后将1.189207 开立方，得开立方，得 朱载堉将此值称为朱载堉将此值称为“密律密律”.朱载堉将频率一直计算到朱载堉将频率一直

17、计算到25位数位数.李约瑟李约瑟：“他的理论在他自己的国家他的理论在他自己的国家却很少付诸实践，这真是不可思议的却很少付诸实践，这真是不可思议的讽刺讽刺与这个发明相比，发明者的与这个发明相比，发明者的名字是次要的。毫无疑问，朱载堉本名字是次要的。毫无疑问，朱载堉本人是第一个愿将荣誉归于另一个研究人是第一个愿将荣誉归于另一个研究者的人，者的人，第一个使平均律数学上第一个使平均律数学上公式化的荣誉确定应当归之中国。公式化的荣誉确定应当归之中国。”数学与美术 达达 芬奇芬奇 （14521519）不仅是绘画艺术的旷世不仅是绘画艺术的旷世 奇才，还是一个精通数奇才，还是一个精通数 学、音乐、学、音乐、建

18、筑学、机建筑学、机 械学、人体解剖学的杰械学、人体解剖学的杰 出学者出学者 欣赏我的作品的人，没有一个不是数学家欣赏我的作品的人，没有一个不是数学家 透视画与透视画与射影几何射影几何几何学有两大财富：一个是毕几何学有两大财富：一个是毕达哥拉斯定理，另一个是按照中外达哥拉斯定理，另一个是按照中外比划分一个线段。第一大财富可称比划分一个线段。第一大财富可称得上是黄金定理，而第二大财富可得上是黄金定理，而第二大财富可称之为珍珠定理。称之为珍珠定理。开普勒开普勒黄金分割与艺术AC/AB=AB/BC（中外比中外比，欧几里得），欧几里得）设设 BC=1,AB黄金分割率黄金分割率（19世纪初期）世纪初期）1

19、5世纪世纪Weyden耶稣降架图耶稣降架图370.618=22.825：41=0.61开路先锋开路先锋告别南洋告别南洋 梅娘曲梅娘曲饥寒交迫之歌饥寒交迫之歌 铁蹄下的歌女铁蹄下的歌女春节序曲春节序曲电影电影上甘岭上甘岭插曲插曲我的祖国我的祖国全全曲曲19节，副歌在第节，副歌在第11节处节处（190.618=11）匈牙利作曲家巴托克的匈牙利作曲家巴托克的小宇宙小宇宙全全部部153曲中约有曲中约有80%符合这一规律符合这一规律.对数螺线对数螺线，或，或黄金矩形黄金矩形兀鹰扑捉猎物时的飞行轨道是对数螺线，兀鹰扑捉猎物时的飞行轨道是对数螺线，为什么？为什么？对数螺线上任一点处的切线与该点到极点对数螺线

20、上任一点处的切线与该点到极点连线的夹角为定值。连线的夹角为定值。数学与语言文字学 语言学是数学和人文科学之间语言学是数学和人文科学之间的桥梁的桥梁 阿达马阿达马 语言符号的语言符号的随机性随机性统计数学统计数学冗余性冗余性信息论信息论离散性离散性集合论集合论递归性递归性公理化方法公理化方法层次性层次性图论图论非单元性非单元性数理逻辑数理逻辑模糊性模糊性模糊数学模糊数学理语言学理语言学 19世纪中叶世纪中叶,西方学者就运用概率统计西方学者就运用概率统计方法研究语言方法研究语言,并逐步形成了语言计算并逐步形成了语言计算风格学风格学静静的顿河静静的顿河的作者是的作者是肖洛霍夫肖洛霍夫还还是是克留柯夫

21、克留柯夫？从？从1928年出现争论到年出现争论到1990年彻底解决；年彻底解决；红楼梦红楼梦作者的问题，作者的问题，1987年复旦年复旦大学数学系大学数学系李贤平李贤平教授用教授用“计算风格计算风格学学”论证。论证。（参看阅读材料（参看阅读材料7）数学与经济学诺贝尔经济学奖的获得者都有很好诺贝尔经济学奖的获得者都有很好的数学造诣，或者就是数学家兼经的数学造诣，或者就是数学家兼经济学家。济学家。详见详见阅读材料阅读材料10 异军突起的数理异军突起的数理经济学经济学 基尼系数（Ginicoefficient）国际上用来综合考察居民内部收入国际上用来综合考察居民内部收入分配差异状况的一个重要分析指标

22、分配差异状况的一个重要分析指标由意大利经济学家基尼于由意大利经济学家基尼于年提出年提出经济含义：经济含义：在全部居民收入中用于在全部居民收入中用于不平均分配的百分比不平均分配的百分比。基尼系数基尼系数或或洛伦茨系数洛伦茨系数联合国有关组织规定：联合国有关组织规定：若低于若低于0.20.2表示收入绝对平均；表示收入绝对平均；0.2-0.30.2-0.3表示比较平均；表示比较平均；0.3-0.40.3-0.4表示相对合理；表示相对合理；0.4-0.50.4-0.5表示收入差距较大；表示收入差距较大；0.60.6以上表示收入差距悬殊以上表示收入差距悬殊国际上通常把国际上通常把.作为收入分配贫富作为收

23、入分配贫富差距的差距的“警戒线警戒线”我国分别计算：农村居民、城镇居民、我国分别计算：农村居民、城镇居民、全国居民的基尼系数。全国居民的基尼系数。中国居民的基尼系数：中国居民的基尼系数：1981年年 0.29；19951999年分别为年分别为 0.389，0.375，0.379，0.386，0.397；2003年年 0.458；2005年年 0.47；2006年年 0.496。数学与战争运筹学诞生在大不列颠空战战场运筹学诞生在大不列颠空战战场19381938年，年，德国法西斯决定攻占英伦三岛。德国法西斯决定攻占英伦三岛。首先发生的是空战。当时，英国刚刚发明首先发生的是空战。当时，英国刚刚发明雷

24、达。雷达。英国皇家空军指挥部成立小组，英国皇家空军指挥部成立小组，研究：研究：雷达的最佳配置和高射炮的有效射击方法雷达的最佳配置和高射炮的有效射击方法其中有数学家、数学物理学家各其中有数学家、数学物理学家各2 2人，生物人，生物学家学家3 3人，天文学家、物理学家、陆军军人、人，天文学家、物理学家、陆军军人、测量技士各一人测量技士各一人.由每由每200发高射炮击落一架敌机，到每发高射炮击落一架敌机，到每20发击落一架。最后取得不列颠空战发击落一架。最后取得不列颠空战的胜利的胜利英国作战研究部把围绕雷达使用所进英国作战研究部把围绕雷达使用所进行的工作称为行的工作称为“Operations Res

25、earch”(操作研究、作战研究）操作研究、作战研究）.简称简称OR.译为译为“运筹学运筹学”.“运筹帷幄之中，决胜千里之外运筹帷幄之中，决胜千里之外”。数学科学本身具有极高的人文价值数学提供了一种典范的思维方数学提供了一种典范的思维方式式建立模型，符号化，抽象化，公理建立模型，符号化，抽象化，公理化，最优化，逻辑推理，数据分析化，最优化，逻辑推理，数据分析 等等。等等。掌握了数学思维的人：掌握了数学思维的人：严谨缜密，洞察真伪；严谨缜密，洞察真伪；计划性强，凡事心中有数，工作计划性强，凡事心中有数，工作有条不紊；有条不紊；讲究效率，注重实际；讲究效率，注重实际；不讲空话、大话，有一是一不讲空话、大话，有一是一。数学思维是人类思维的一种典范数学思维是人类思维的一种典范