開創輝煌——數學成就2(3 / 3)

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自古以來,算盤都是用來算賬的,也正因為此,算盤被當做象征富貴的吉祥物,為人們推崇。在民間,常會聽到“金算盤”、“鐵算盤”之類的比喻,形容的也多是“算進不算出”的精明。

算盤還作為陪嫁出現在嫁妝“六證”中,以祝福新人婚姻生活富足安寧,贏得廣茂財源,同時警醒新娘學會“精打細算”。

此外,若掛在門上、窗上或者書架上,這樣可以助你們婚姻生活富足安寧,還可以幫你們化煞化小人。

數學史上著名的“割圓術”

我國在先秦產生了無窮小分割的若幹命題。隨著人們認識水平的逐步提高,至南北朝時期,無窮小分割思想已經基本成熟,並被數學家劉徽運用到數學證明中。

我國古代的無窮小分割思想不僅是我國古典數學成就之一,而且包含著深刻的哲學道理,在人們發現、分析和解決實際問題的過程中,發揮了積極作用。

相傳很久以前,黃河裏有一位河神,人們叫他河伯。河伯站在黃河岸上。望著滾滾的浪濤由西而來,又奔騰跳躍向東流去,興奮地說:“黃河真大呀,世上沒有哪條河能和它相比。我就是最大的水神啊!”

有人告訴他:“你的話不對,在黃河的東麵有個地方叫渤海,那才真叫大呢!”

河伯說:“我不信,渤海再大,能大得過黃河嗎?”

那人說:“別說一條黃河,就是幾條黃河的水流進渤海,也裝不滿它。”

河伯固執地說:“我沒見過渤海,我不信。”

那人無可奈何,告訴他:“有機會你去看看渤海,就明白我的話了。”

秋天到了,連日的暴雨使大大小小的河流都注入黃河,黃河的河麵更加寬闊了,隔河望去,對岸的牛馬都分不清。

這一下,河伯更得意了,以為天下最壯觀的景色都在自己這裏,他在自得之餘,想起了有人跟他提起的渤海,於是決定去那裏看看。

河伯順著流水往東走,到了渤海,臉朝東望去,看不到水邊。隻見大海煙波浩渺,直接天際,不由得內心受到極大震撼。

河伯早已收起了欣喜的臉色,望著海洋,對著渤海歎息道:“如今我看見您的廣闊無邊,我如果不是來到您的家門前,那就危險了,因為我將永遠被明白大道理的人所譏笑。”

渤海神聞聽河伯這樣說,知道他提高了認識,就打算解答他的一些疑問。

其中有一段是這樣的。

河伯問:“世間議論的人們總是說:‘最細小的東西沒有形體可尋,最巨大的東西不可限定範圍’。這樣的話是真實可信的嗎?”

渤海神回答:“從細小的角度看龐大的東西不可能全麵,從巨大的角度看細小的東西不可能真切。精細,是小中之小;龐大,是大中之大。大小雖不同卻各有各的合宜之處,這是事物固有的態勢。”

“所謂精細與粗大,僅限於有形的東西,至於沒有形體的事物,是不能用計算數量的辦法來分的;而不可限定範圍的東西,更不是用數量能夠精確計算的。”

上述故事選自被稱為“天下第一奇書”的《莊子》的《秋水》篇,這篇文章是人們公認的《莊子》書中第一段文字。因為此篇最得莊周汪洋恣肆而行雲流水之妙。

其實,這段對話中說的至精無形、無形不能分的思想,可以看做是作者借河神和海神的對話,闡述了當時的無窮小分割思想。

早在我國先秦時期,西周時期數學家商高也曾與周公討論過圓與方的關係。在《周髀算經》中,商高回答周公旦的問話中說得一清二楚。

圓既然出於方,為什麼圓又歸不了方呢?是世人沒有弄清“圓出於方”的原理,而錯誤地定出了圓周率而造成的。

商高“方圓之法”,即求圓於方的方法,滲透著辯證思維。“萬物周事而圓方用焉,”意思是說,要認識世界可用圓方之法;“大匠造製而規矩設焉”,意思是說,生產者要製造物品必然用規矩。

可見“圓方”包容著對現實天地的空間形式和數量關係的認識,而“數之法出於圓方”,就是在說數學研究對象就是“圓方”,即天地,數學方法來之於“圓方”。亦即數學方法源於對自然界的認識。

“毀方而為圓,破圓而為方”,意思是說,圓與方這對矛盾,通過“毀”與“破”是可以互相轉化的。認為“方中有圓”或“圓中有方”,就是在說“圓”與“方”是對立的統一體。

這就是商高的“圓方說”。它強調了數學思維要靈活應用,從而揭示出人的智力、人的數學思維在學習數學中的作用。認識了圓,人們也就開始了有關於圓的種種計算,特別是計算圓的麵積。

戰國時期的“百家爭鳴”也促進了數學的發展,尤其是對於正名和一些命題的爭論直接與數學有關。

名家認為經過抽象以後的名詞概念與它們原來的實體不同,他們提出“矩不正,不可為方;規不正,不可為圓”,認為圓可以無限分割。

墨家則認為,名來源於物,名可以從不同方麵和不同深度反映物。墨家給出一些數學定義,例如圓、方、平、直、次、端等。

墨家不同意圓可以無限分割的命題,提出一個“非半”的命題來進行反駁:將一線段按一半一半地無限分割下去,就必將出現一個不能再分割的“非半”,這個“非半”就是點。

名家的命題論述了有限長度可分割成一個無窮序列,墨家的命題則指出了這種無限分割的變化和結果。名家和墨家的數學定義和數學命題的討論,對我國古代數學理論的發展是很有意義的。

漢司馬遷《史記·酷吏列傳》以“破觚而為圜”比喻漢廢除秦的刑法。破觚為圓含有樸素的無窮小分割思想,大約是司馬遷從工匠加工圓形器物化方為圓、化直為曲的實踐中總結出來的。

上述這些關於“分割”的命題,對後來數學中的無窮小分割思想有深刻影響。

我國古代數學經典《九章算術》在第一章“方田”章中寫到“半周半徑相乘得積步”,也就是我們現在所熟悉的這個公式。

為了證明這個公式,魏晉時期數學家劉徽撰寫《九章算術注》,在這一公式後麵寫了一篇1800餘字的注記。這篇注記就是數學史上著名的“割圓術”。

劉徽用“差冪”對割到192邊形的數據進行再加工,通過簡單的運算,竟可以得到3072多邊形的高精度結果,附加的計算量幾乎可以忽略不計。這一點是古代無窮小分割思想在數學中最精彩的體現。

劉徽在人類曆史上首次將無窮小分割引入數學證明,成為人類文明史中不朽的篇章。

[旁注]

河伯 我國古代神話中的黃河水神,是尊貴的地祗,商周以來一直列入祀典的主要對象。《莊子·秋水》開篇以寓言的方式講述了河伯和北海若之間的一段故事,警示世人不要盲目自滿,其中也包含了我國古代的一些數學知識。

莊周 (公元前369年~公元前286年),戰國時期的思想家、哲學家、文學家,道家學說的主要創始人之一。後世將他與老子並稱為“老莊”。他們的哲學思想體係,被思想學術界尊為“老莊哲學”。代表作品為《莊子》以及名篇有《逍遙遊》、《齊物論》等。

名家 先秦時期以辯論名實問題為中心的一個思想派別,重視“名”即概念和“實”即事的關係的研究。主要代表為鄧析、惠施、公孫龍等。名家主要以邏輯原理來分析事物,而辯的內容又多半是與政治實務無關的哲學問題。因此,名家的理論一直被冠上一個“詭辯”之名。

墨家 為古代春秋戰國時期的諸子百家之一,創始人為墨翟,世稱“墨子”,墨家之名從創始人而得。之後由於西漢漢武帝的獨尊儒術政策、社會心態的變化以及墨家本身並非人人可達的艱苦訓練、嚴厲規則及高尚思想,墨家在漢武帝在位時期之後基本消失。

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莊周是戰國時期著名的思想家。他超越了任何知識體係和意識形態的限製,站在天道的環中和人生邊上來反思人生。他的哲學是一種生命的哲學,他的思考也具有終極的意義。

莊周還有很多思想十分超前,比如提出了“一尺之棰,日取其半,萬世不竭”等命題。

這句話的意思是說,一根一尺長的木棍,每天砍去它存在的一半,萬世也砍不完。這是典型的是數學裏的極限思想,對古代數學的發展有很大影響。