第一章趣味數學知識2(3 / 3)

電子計算機

1946年在美國的賓夕法尼亞大學,誕生了世界上第一台電子計算機ENIAC。它是一個占地170平方米、重30噸的龐然大物,由18000個電子管組成,每小時耗電量為140千瓦,每秒鍾可進行5000次加法運算。它的最重要的特點是,能按照人編寫的程序自動地進行計算。

從1946年至1990年代,經過40多年的發展,電子計算機的運算速度越來越快,複雜程度越來越高,體積越來越小,更新周期越來越短。我國的“銀河”巨型計算機的運算速度已達到每秒1億次,國外的先進計算機的運算速度還要快。就機器本身來說,電子計算機已“進化”到第四代了。

第一代以電子管為主要元件。利用這一代計算機,人們把人造衛星送上了天。

第二代以晶體管構成基本電路。開始有了算法語言和編譯係統。運算速度達每秒幾百萬次,體積、重量、耗電量、造價都大大減少。

第三代是中小規模集成電路計算機。這時已有操作係統,小型機廣泛應用,有了終端與網絡,運算速度達每秒幾千萬次。

第四代是大規模集成電路組成的機器。體積與成本大幅度減少。這時製成了微型計算機,在工業、科學研究和家庭生活中廣泛應用。

第五代電子計算機實際是智能計算機,具有模仿人腦思維過程的能力。從1979年起,日本等國組織了各方麵的專家,開始了對這種計算機的研製,現已取得初步進展。

作為一種計算工具,電子計算機和一般計算工具相比,有以下幾個特點:(1)運算速度快。運算速度高的電子計算機每秒能進行十幾億次運算。速度較慢的微型電子計算機,每秒鍾也能進行10萬次運算。(2)計算精度高。現代電子計算機計算的值可達到64位數。(3)具有“記憶”和邏輯判斷能力。電子計算機可以記錄程序、原始數據和中間結果,還能進行邏輯推理和定理證明。(4)能自動地進行控製,不必人工幹預。

電子計算機的應用已迅速滲透到人類社會的各個方麵。從宇宙飛船、導彈的控製、原子能的研究及人造衛星等尖端科技領域,到工業生產、企業管理、日常生活等都不同程度地應用了計算機。有人斷言,現代社會的每一項活動中都有電子計算機的蹤跡。

數的家族成員

1,2,3……

12,45,7916……

-3,-8,-11……

2,π,e……

這各種各樣的數,都有自己的“身份”,它們共同組成數的家族。

第一組成員是自然數。小時候扳手指頭數的1,2,3……就是自然數。這也是我們祖先最早認識的數,自然數稱為正整數。

第二組成員是分數。5個人分3個蘋果,古人最初是這樣做的:把一個蘋果分成相同的五份,每人取一份,即15,對另兩個蘋果做同樣的分配,最後每人得到3個15,這就是我們所說的35。分數的記載最先出現在距今四千多年的古埃及紙草書中。

零的出現是比較晚的,從“無”到“零”的認識是一個漫長的過程。據說公元前二百年,希臘人已有零號的記載,但真正把零當做一個獨立的數來使用是公元9世紀由印度人做出的。

負數在中國的西漢時期(約公元前2世紀)已經萌芽,並最先作為數學的研究對象出現在公元1世紀的《九章算術》中。

正整數(自然數)、零和負整數就構成全體整數。正分數和負分數構成全體分數。

整數和分數構成了有理數。當然,廣義的分數中已經包括了整數,因為可以把整數看成分母是1的分數。

每個有理數都可以表示成兩個整數的比。但是,公元前5世紀希臘數學家發現2不可能表示成兩個整數之比,因而引起了一場極大的風波。後來把不能表示成兩個整數之比的數稱為無理數。現在我們知道無理數比有理數要多得多。

有理數和無理數統稱為實數。在實數範圍內,方程x2+1=0是無解的。於是,科學家引入了+bi的數就稱為複數,而i=稱為虛數單位。

除此之外,還有新的數。如果學習高等數學,會遇到四元數、各種超複數,以及類似的數學對象。隨著數學的發展,數的家族將不斷增加新的成員。

0的意思

0,通常表示什麼也沒有。但實際上零表示的意義非常豐富。

0不但可以表示沒有,也可以表示有。電台、電視裏報告氣溫是0℃,並不是指沒有溫度,而是相當於華氏表32度,這也是冰點的溫度。0還可以表示起點,如發射導彈時的口令是:“9,8,7,6,5,4,3,2,1,0——發射”。0在數軸上作為原點,也是起點的意思。0還可以表示精確度。如在近似計算中,75與750表示精確程度不同。

在實數中,0又是正數與負數間的唯一中性數,具備下麵一些運算性質:

a+0=0+a=a

a-0=a0-a=-a

0×a=a×0=0,y0÷a=0,(a≠0)

0不能作除數,0也沒有倒數;

0的絕對值和相反數都是0;

任意多個0相加和相乘都等於0。

在指數和階乘運算中,還有:a°=1(其中a≠0)。

0在複數中,是唯一輻角沒有定義的複數。0還沒有對數。現代電子計算機用的二進製中,0還是一個基本數碼。

在0發明之前,我們祖先記數的方法是繁瑣而不完善的,要記一個大數就要將某些符號重寫多次。在采用了印度一阿拉伯數碼,而沒有用0這個符號時,前人將一百萬、三萬、四百、五這幾個數之和表示為:1345,這種表示就會產生誤解,或是一百零三萬四百零五,或是一千三百四十五。於是用打格的辦法來區分:

1345空的地方表示空位。但這又使運算變得很麻煩。采用0後,就可以簡潔地寫成:1030405。因此,沒有采用0之前,可以說記數法是不完整的。

0是數學中最有用的符號之一,但它的發明是來之不易的。古埃及雖建造了宏偉的金字塔,但不會使用0;巴比倫人發明了楔形文字,也不會使用0;中國古代用籌運算時,怕定位發生錯誤,開始用□代表空位,為書寫方便逐漸寫成○。公元2世紀希臘人在天文學上用○表示空位,但不普遍。比較公認的是印度人在公元6世紀最早用黑點(·)表示零,後來逐漸變成了0。

小數的經曆

有了小數之後,記數就更方便了。如圓周率近似值31416,若用分數表示,就得寫成39271250,很麻煩,何況還有更多位的小數和更複雜的運算。有位著名的美國數學史家說:“近代計算的奇跡這股動力來自三項發明,印度記數法、十進分數和對數。”這裏所說的十進分數就是指小數。

在西方,一般認為小數是比利時數學家斯蒂文發明的。但最早使用現代意義的小數點的是德國數學家克拉維斯,他在1593年使用了小數點。但是直到19世紀末,小數的記號仍很混亂。就是在現代,小數點也分為歐洲大陸派和英美派兩種記法,前者采用逗號“,”,後者則堅持用圓點“”。

實際上,早在斯蒂文發明小數點之前很久,中國、印度和中亞就已經使用十進分數了,也即小數。

公元3世紀,我國魏晉時期劉徽的《九章算術注》中,有三處運用了十進分數的思想。到了南北朝時期,在曆法中大量使用了下列記法:

十一萬八千二百九十六二十五(11829625)

九十八三(983)

百一十九一十二(11912)

這種寫法和西方直到19世紀仍在流行的小數記法25或25,幾乎是完全相同的。

到了宋元時期,更有下列記法:

(324506,1247年)

(025,1247年)

(-05,1248年)

這些記法都遠遠勝過三百多年後斯蒂文的記法。

中亞的阿爾卡西是世界上除中國人之外第一個應用十進分數的。他的用法體現在他1427年的《算術之鑰》一書中。

不論在東方還是西方,對小數的認識都經過了幾百年甚至上千年的演變。