走进数学世界.ppt
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1、走进数学世界,什么是数学?,一、“什么是数学?数学本身是一个历史的概念,数学的内涵随着时代的变化而变化,给数学下一个一劳永逸的定义是不可能的。我们在这里就从历史的角度来谈谈“什么是数学”公元前6世纪前,数学主要是关于“数”的研究。这一时期在古埃及、巴比伦、印度与中国等地区发展起来的数学,主要是计数、初等算术与算法,几何学则可以看作是应用算术。从公元前6世纪开始,希腊数学的兴起,突出了对“形”的研究。数学于是成为了关于数与形的研究。公元前4世纪的希腊哲学家亚里士多德将数学定义为“数学是量的科学。”(其中“量”的涵义是模糊的,不能单纯理解为“数量”。)直到16世纪,英国哲学家培根将数学分为“纯粹数
2、学”与“混合数学”。在17世纪,笛卡儿认为:“凡是以研究顺序和度量为目的科学都与数学有关。”在19世纪,根据恩格斯的论述,数学可以定义为:“数学是研究现实世界的空间形式与数量关系的科学,二数与形的概念的产生,人类在蒙昧时代就已具有识别事物多寡的能力。原始人在采集、狩猎等生产活动中首先注意到一只羊与许多羊、一头狼与整群狼在数量上的差异。通过一只羊与许多羊、一头狼与整群狼的比较,就逐渐看到了一只羊、一头狼、一条鱼、一棵树等等之间存在着某种共通的东西(即它们的单位性)。当对数的认识变得越来越明确时,人们感到有必要以某种方式来表达事物的这一属性,于是导致了记数。,计数的方法,古代的记数方法:1.手指计
3、数:利用两只手的十个手指。亚里士多德指出:十进制的广泛采用,只不过是我们绝大多数人生来具有10个手指这一事实的结果。2.石子记数:在地上摆小石子,但记数的石子堆很难长久保存。3.结绳记数:在一根绳子上打结来表示事物的多少。比如今天猎到五头羊,就以在绳子上打五个结来表示;约定三天后再见面,就在绳子上打三个结,过一天解一个结;等等。4.刻痕记数:1937年在维斯托尼斯(摩拉维亚)发现一根40万年前的幼狼前肢骨,7英寸长,上面有55道很深的刻痕。这是已发现的用刻痕方法计数的最早资料。直到今天,在欧、亚、非大陆的某些地方,仍然有一些牧人用在棒上刻痕的方法来计算他们的牲畜。,直到距今大约五千年前,终于出
4、现了书写记数以及相应的记数系统。我们介绍几种古老文明的早期记数系统。(按时代顺序)1.古埃及的象形数字(公元前3400年左右)2.巴比伦楔形文字(公元前2400年左右)3.中国甲骨文数字(公元前1600年左右)4.希腊阿提卡数字(公元前500年左右)5.中国筹算数码(公元前500年左右)6.印度婆罗门数字(公元前300年左右)7.玛雅数字,阿拉伯数字,而我们现代广泛使用的是阿拉伯数字。其实,这些阿拉伯数字并不是阿拉伯人发明创造的,而是发源于古印度,后来被阿拉伯人掌握、改进,并传到了西方,西方人便将这些数字称为阿拉伯数字。以后,以讹传讹,世界各地都认同了这个说法。,几何学的来源,.古埃及几何学:
5、正如古罗马历史学家希罗多德所指出的,埃及的几何学是“尼罗河的馈赠”。一年一度的尼罗河洪水冲毁了某个人的土地,那么他就必须向法老报告所受的损失。法老会派专人来测量所失去的土地,再按相应的比例减税。这样一来,几何学就产生并发展起来了。这类专门负责测量事物的人有专门的名称,叫做“司绳”。2.巴比伦人的几何学:也是源于实际的测量,它的重要特征是其算术性质,至少在公元前1600年,他们就已熟悉长方形、直角三角形和等腰三角形和某些梯形的面积计算。3.古印度几何学:起源与宗教实践密切相关,公元前8世纪至5世纪形成的所谓“绳法经”,便是关于祭坛与寺庙建造中的几何问题及其求解法则的记载。4.古代中国几何学:起源
6、更多地与天文观测相联系。中国最早的数学经典周髀算经(至晚在公元前2世纪成书)事实上是一部讨论西周初年天文测量中所用数学方法的著作。,负数是怎样产生的?,中国是世界上首先使用负数的国家战国时期李悝(约前455395)在法经中已出现使用负数的实例:“衣五人终岁用千五百不足四百五十”在甘肃居延出土的汉简中,出现了大量的“负算”,如“相除以负百二十四算”、“负二千二百四十五算”、“负四算,得七算,相除得三算”以负与得相比较,表示缺少,亏空之意,显然来自生活实践的需要 从历史上看,负数产生的另一个原因是由于解方程的需要据世界上第一部关于负数完整介绍的古算书九章算术记载,由于在解方程组的时候常常会碰到小数
7、减大数的情况,为了使方程组能够解下去,数学家发明了负数公元前3世纪刘徽在注解九章算术时率先给出了负数的定义:“两算得矢相反,要以正负以名之”,并辩证地阐明:“言负者未必少,言正者未必正于多”刘徽在注解九章算术“方程”章时给出了正负数的加减法则:“同名相除,异名相益,正无入负之,负无入正之”“异名相除,同名相益,正无入正之,负无入负之”遗憾的是他未能像正负数的加减运算那样,总结出正负数乘除运算的一般法则,而是通过具体的例子予以处理正负数的乘除法则直到1299年元代数学家朱世杰的算学启蒙中才有明确记载:“同名相乘为正,异名相乘为负,同名相除所得为正,异名相除所得为负,西方首先使用负数的是古希腊的丢
8、番图(Diophantus,250年前后),尽管不承认方程的负根,但他已知道“减数乘减数得加数,加数乘减数得减数”可见对正负数的四则运算他已了如指掌在解方程中若出现负根,他就放弃这个方程,认为是不可解的从这可看出负数在西方备受冷落,久久得不到人们的认可1484年,法国的舒开在算术三篇中曾给出二次方程的一个负根,却又不承认它,说它是荒谬的数;意大利学者卡丹在大术中承认负根,但认为负数是“假数”直到1637年笛卡尔(Descarts,15961650)在几何中认真考虑了方程正负根出现的规律,未加证明地给出了正负号法则,此后才被采用,但依旧议论纷纷如法国数学家阿纳德(16121694)认为:若承认1
9、111,而11,那么较小数与较大数的比,怎能等于较大数与较小数之比呢?直到1831年,英国著名数学家德摩根(ADeMorgan,18061871)在他的论数学的研究和困难中仍坚持认为负数是荒谬的他举例说:“父亲活56,他的儿子29岁,问什么时候,父亲的岁数将是儿子的2倍?”解方程56x2(29x),得x2,他说这个结果是荒谬的 负数的地位最后是由德国的维尔斯特拉斯和意大利的皮亚诺确立的1860年维尔斯在柏林大学的一次讲课时,把有理数定义为整数对,即当m,n为整数时,nm(m0)定义为一个有理数,当m,n中有一个为负整数时,就得到一个负有理数这就把负数的基础确立在整数基础上40年后,皮亚诺在著名
10、的算术原理新方法(1889)中又用自然数确立了整数的地位:设a,b为自然数,则数对(a,b)即“ab”定义一个整数,当ab时为正整数;ab时就得到了一个负整数至此,通过近2000年的努力,历经数十代数学家的前仆后继的工作和努力,负数的地位终于被牢固地确立了,半个多世纪的争论也终于降下了帷幕,直到1572年,意大利数学家邦贝利(RBombelli,15261572)在他的代数学中才给出了负数的明确定义 由于我国古代数字是用算筹摆出来的,为了区分正数和负数,古代数学家创造了两种方法:一种是用不同颜色的算筹分别表示,通常用红筹表示正数,黑筹表示负数;另一种是采取在正数上面斜放一支筹,来表示负数因为后
11、者的思想较新,很快发展为在数的最前面一位数码上斜放一小横来表示负数1629年颇具远见的法国数学家吉拉尔(AGirard,15951632)在代数新发现中用减号表示负数和减法运算,吉拉尔的负数符号得到人们的公认,一直沿用至今,印度最早使用负数的是婆罗摩芨多(Brahmagupta,598665),他在628年完成的婆罗摩修正体系中给出了正负数的四则运算法则,认为负数就是负债和损失,并用小点或小圈标在数字上面表示负数,0是怎样产生的?,0是极为重要的数字,0的发现被称为人类伟大的发现之一。0在我国古代叫做金元数字,意即极为珍贵的数字。0这个数据说是由印度人在约公元5世纪时发明,在1202年时,一个
12、商人写了一本算盘之书,在东方中由于数学是以运算为主(西方当时以几何和逻辑为主),由于运算上的需要,自然地引入了0这个数。在中国很早便有0这个数字很多文献都有记载。在1208年时将印度的阿拉伯数字引入本书,并在开头写了“印度人的9个数字,加上阿拉伯人发明的0符号便可以写出所有数字”由于一些原因,在初时引入0这个符号到西方时,曾经引起西方人的困惑,因当时西方认为所有数都是正数,而且0这个数字会使很多算式,逻辑不能成立(如除以0),甚至认为是魔鬼数字,而被禁用。直至约公元15,16世纪0和负数才逐渐给西方人所认同,才使西方数学有快速发展。0的另一个历史:0的发现始于印度。公元前2500年左右,印度最
13、古老的文献吠陀已有“0”这个符号的应用,当时的0在印度表示空的位置。约在6世纪初,印度开始使用命位记数法。7世纪初印度大数学家葛拉夫.玛格蒲达首先说明了0的性质,任何数乘0是0,任何数加上0或减去0得任何数。遗憾的是,他并没有提到以命位记数法来进行计算的实例。,大约1500年前,欧洲的数学家们是不知道用“0”的。他们使用罗马数字。罗马数字是用几个表示数的符号,按照一定规则,把它们组合起来表示不同的数目。在这种数字的运用里,不需要“0”这个数字。而在当时,罗马帝国有一位学者从印度记数法里发现了“0”这个符号。他发现,有了“0”,进行数学运算方便极了,他非常高兴,还把印度人使用“0”的方法向大家做
14、了介绍。过了一段时间,这件事被当时的罗马教皇知道了。当时是欧洲的中世纪,教会的势力非常大,罗马教皇的权利更是远远超过皇帝。教皇非常恼怒,他斥责说,神圣的数是上帝创造的,在上帝创造的数里没有“0”这个怪物,如今谁要把它给引进来,谁就是亵渎上帝!于是,教皇就下令,把这位学者抓了起来,并对他施加了酷刑,用夹子把他的十个手指头紧紧夹注,使他两手残废,让他再也不能握笔写字。就这样,“0”被那个愚昧、残忍的罗马教皇明令禁止了。但是,虽然“0”被禁止使用,然而罗马的数学家们还是不管禁令,在数学的研究中仍然秘密地使用“0”,仍然用“0”做出了很多数学上的贡献。后来“0”终于在欧洲被广泛使用,而罗马数字却逐渐被
15、淘汰了。,数学与生活,数学家华罗庚曾经说过:宇宙之大,粒子之微,火箭之速,化工之巧,地球之变,日用之繁,无处不用数学。这是对数学与生活关系的精彩描述。,如今,数学知识和数学思想在工农业生产和人们日常生活中有极其广泛的应用。譬如,人们购物后须记账,以便年终统计查询;去银行办理储蓄业务;查收各住户水电费用等,这些便利用了算术及统计学知识。此外,社区和机关大院门口的“推拉式自动伸缩门”;运动场跑道直道与弯道的平滑连接;底部不能靠近的建筑物高度的计算;隧道双向作业起点的确定;折扇的设计以及黄金分割等,则是平面几何中直线图形的性质及解Rt三角形有关知识的应用。由于这些内容所涉及的高中数学知识不是很多,在
16、此就不赘述了。由此可见,古往今来,人类社会都是在不断了解和探究数学的过程中得到发展进步的。数学对推动人类文明起了举足轻重的作用。,超市宣传说购买茶壶、茶杯可以优惠,这似乎很少见。更奇怪的是,居然有两种优惠方法:(1)卖一送一(即买一只茶壶送一只茶杯);(2)打九折(即按购买总价的90%付款)。其下还有前提条件是:购买茶壶3只以上(茶壶20元/个,茶杯5元/个)。由此,我不禁想到:这两种优惠办法有区别吗?到底哪种更便宜呢?,学习了“圆的基础知识”,可请学生思考车轮为什么不能做成方形、三角形、椭圆形,而要做成圆形呢?又如教学“三角形的稳定性”后问学生为什么电杆支架、自行车支架等要做成三角形而不是长
17、方形、正方形呢?,生活中的黄金分割,这个数字在自然界和人们生活中到处可见:人们的肚脐是人体总长的黄金分割点,人的膝盖是肚脐到脚跟的黄金分割点。建筑师们对数学0.618特别偏爱,无论是古埃及的金字塔,还是巴黎的圣母院,或者是近世纪的法国埃菲尔铁塔,都有与0.618有关的数据。,蜜蜂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。丹顶鹤总是成群结队迁飞,而且排成“人”字形。“人”字形的角度是110度。更精确地计算还表明“人”
18、字形夹角的一半即每边与鹤群前进方向的夹角为54度44分8秒!而金刚石结晶体的角度正好也是54度44分8秒!是巧合还是某种大自然的“默契”?蜘蛛结的“八卦”形网,是既复杂又美丽的八角形几何图案,人们即使用直尺的圆规也很难画出像蜘蛛网那样匀称的图案。冬天,猫睡觉时总是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,从而散发的热量也最少。,下面有一个两人做的游戏:轮流报数,报出的数不能超过8(也不能是0),把两个人报出的数连加起来,谁报数后使和为88,谁就获胜。如果让你先报数,你第一次应该报几才能一定获胜?分析:因为每人每次至少报1,最多报8,所以当某人报数之后,另一人必能找到一个数
19、,使此数与某所报的数之和为9。依照规则,谁报数后使和为88,谁就获胜,于是可推知,谁报数后和为79(=889),谁就获胜。88=997,依次类推,谁报数后使和为16,谁就获胜。进一步,谁先报7,谁就获胜。于是得出先报者的取胜对策为:先报7,以后若对方报K(1K8),你就报(9K)。这样,当你报第10个数的时候,就会取得胜利。,最有影响的十大数学家,1.欧几里得、2.刘微、3.秦九韶、4.笛卡尔、5.费马、6.莱布尼茨、7.欧拉、8.拉格朗日、9.高斯、10.希尔伯特,欧几里得,欧几里德(Euclid of Alexandria),希腊数学家。约生于公元前330年,约殁于公元前260年。欧几里德
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