浙江省高三数学新课程课前培训资料课件《数学史选讲》解读.ppt

数学史选讲 解读 第一讲早期的算术与几何第二讲古希腊数学第三讲中国古代数学瑰宝第四讲平面解析几何的产生第五讲微积分的诞生第六讲近代数学两巨星第七讲千古谜题第八讲对无穷的深入思考 数学史选讲补充材料浙江师范大学教师教育学院徐元uyuangen 第一讲早期的算术与几何 埃及和巴比伦的数学中国的早期数学 纸草书 纸草书是研究古埃及数学的主要来源莱因德纸草书 最初发现于埃及底比斯古都废墟 1858年为苏格兰收藏家莱因德购得 现藏于伦敦大英博物馆 又称阿姆士纸草书 阿姆士在公元前1650年左右用僧侣文抄录了这部纸草书 据他加的前言知 所抄录的是一部已经流传了两个世纪的著作 含84个数学问题 莫斯科纸草书 又称戈列尼雪夫纸草书 1893年由俄国贵族戈列尼雪夫在埃及购得 现存于莫斯科博物馆 产生于公元前1850年前后 含有25个数学问题 古埃及的计算技术具有迭加的特征 乘除法运算 往往用连续加倍来完成 由于方法较为繁复 古埃及算术难以发展到更高的水平 相对于算术 古埃及的几何具有更高的成就 古代埃及人留下了许多气势宏伟的建筑 可以说明古埃及几何学的发达 埃及几何 埃及几何产生于土地测量 是一种实用几何 对面积 体积的计算 他们给出了一些计算的法则 有准确的也有粗略的 在莫斯科纸草书中有一个正四棱台体积的计算所用的公式 用现在的符号表示是这是埃及几何中最出色的成就之一 巴比伦的数学 六十进制位值制记数法 长于计算 编制了许多数表 乘法表 倒数表 平方表 立方表 平方根表 立方根表 甚至有特殊的指数 对数 表 能解二次方程 中国的早期数学 中国古代数学的起源可以上溯到公元前数千年 史记 中记载 夏禹治水 左规矩 右准绳 这可以看作是中国古代几何学的起源 在殷商甲骨文中已经使用了完整的十进制记数法 春秋战国时代又出现了十进位值制筹算记数法 而战国时代的 考工记 墨经 庄子 等著作中则探讨了许多抽象的数学概念 并记载了大量实用几何知识 周易 中的数学 周易 是中国古代专讲卜筮的书 也可以看作是古人探索自然的朴素的哲学著作 约成书于殷商时期 周易 由 易经 和 易传 两部分组成 先有 易经 后有 易传 两部分成书的时间相距七八百年 易经 包括古代占卜的卦辞及爻辞 易传 由 系辞 说卦 等十篇文章组成 是对 易经 中卦辞及爻辞的解释 卜筮是原始人类共有的社会现象 中国古代常用龟甲和兽骨作为占卜工具 以决定事情的吉凶 筮 是按一定的规则得到特定的数字 并用它来预测事情的吉凶 周礼 称 凡国之大事 先筮后卜 史记 龟策列传 则说 王者决定诸疑 参与卜筮 断以蓍龟 不易之道也 筮的工具起初是竹棍 以后出现的筹算数码则形成了中国古代用竹棍表示数字的传统 后来改用蓍草 一种有锯齿的草本植物 在中国古代众多的儒 道典籍中 周易 是包含数学内容最丰富的著作 因而对中国古代数学家产生了极大的影响 比如 刘徽在 九章算术注 的序中就写道 昔伏羲氏始作八卦 以通神明之德 以类万物之情 作九九之数 以合六爻之变 实际上就把数学方法与 周易 中的六爻 八卦等内容联系起来了 八卦 乾 巽 离 艮 坤 震 坎 兑 计算机的发明与 周易 中的八卦有着十分密切的联系 众所周知 现代电子计算机最基本的数学基础是二进制数 二进制符号是德国数学家莱布尼茨 leibniz 1646 1716 发明的 莱布尼茨于1679年撰写了 二进制算术 阐述了二进制理论 莱布尼茨自称 他之所以会想到二进制数 就是因为受到了八卦符号的启发 他还说 可以让我加入中国籍了吧 太极图 周易 中的另一重要概念是太极 周易 中写道 易有太极 是生两仪 两仪生四象 四象生八卦 太极即太一 这段话讲的是八卦产生的原理 也试图解释天地造分 化成万物的原理 后经宋代陈抟的发展 便有了太极图 周易 中另一个与数学相关的内容是 河图洛书 周易 中有 河出图 洛出书 圣人则之 的记载 以后 孔安国等人又把河图洛书与八卦及九数联系起来 孔安国认为 河图者 伏羲氏王天下 龙马出河 遂则其文以画八卦 洛书者 禹治水时 神龟负文 而列于背 有数至九 禹遂因而第之 以成九类 也就是说 在古人看来 八卦与九数实出于河图洛书 宋代陈抟所作的 洛书图 九宫图 数的概念的产生 数和形是数学最早的研究对象 考古研究发现 人类在5万年前就已经有了一些计数的方法 现代人的研究认为 人类数的概念的发展过程是 先有原始的数感 再形成一一对应的计数方法 最后通过集合的等价关系建立抽象的数的概念 记数符号的产生 易 系辞 中载 上古结绳而治 后世圣人易之以书契 结绳记数 是指在绳子上打一个结表示一个数或一件事 绳结的多少 根据事物多少而定 而所谓的 书契 就是刻划 书 是划痕 契 是刻痕 古人常常在各种动物骨头 金属 泥版上刻痕记数 如中国殷商时期常将文字刻划在牛的肩胛骨或龟甲上 故称甲骨文 从刻划记数 人类很自然地过渡到刻出数的符号 并进而创造出第一批数字 古代中国 古埃及 巴比伦等民族 均在公元前5000年前后就有了记数符号 由于古人用手指作为计数的参照物十分方便 因而许多民族都不约而同地使用了十进制计数法 当然也存在着少量的其它进位制 如5进制 12进制 16进制 20进制 60进制等 公元前500年左右的战国时代 中国人创造了具有十进位值制特征的筹算数码 筹算数字的摆放方法规定 个位用纵式 十位用横式 百位用纵式 千位用横式 万位又用纵式 如此纵横相间 以免发生误会 并规定用空位表示零 到了13世纪 中国数学家又明确地用 表示零 从而使中国记数法完全位值化 拉普拉斯对十进位值制的评价 这是一个深远而又重要的思想 它今天看来如此简单 以致我们忽视了它的真正伟绩 但恰恰是它的简单性以及对一切计算都提供了极大的方便 才使我们的算术在一切有用的发明中列在首位 而当我们想到它竟逃过了古代最伟大的两位人物阿基米德和阿波罗尼奥斯的天才思想的关注时 我们更感到这成就的伟大 第二讲古希腊数学 希腊数学一般指从公元前600年至公元600年间 活动于希腊半岛 爱琴海区域 马其顿与色雷斯地区 意大利半岛 小亚细亚以及非洲北部的数学家们所创造的数学 希腊早期文明中心在雅典 公元前338年希腊诸帮被马其顿控制 文明中心转到亚历山大城 埃及 公元前30年左右 罗马帝国完全控制希腊各国 文明中心转到罗马 意大利 公元640年前后 阿拉伯民族征服东罗马 希腊文明落下帷幕 古希腊数学与哲学的交织 古希腊早期的自然科学往往是与哲学交织在一起的 古希腊的自然哲学乃是古代自然科学的一种特殊形态 虽然有许多错误的东西 但也有不少合理的知识和包含着合理成分的猜测 恩格斯说 在希腊哲学的多种多样的形式中 差不多可以找到以后各种观点的胚胎 萌芽 因此 如果理论自然科学想要追溯自己今天的一般原理发生和发展的历史 它就不得不回到希腊人那里去 古希腊数学表现出很强的理性精神 追求哲学意义上的真理 在公元前3 4百年的时候 他们的数学思想中就已经涉及到了无限性 连续性等深刻的概念 经过古埃及和巴比伦人长期积累数学知识的萌芽时期以后 古希腊人把数学推进到了一个崭新的时代 古希腊数学不仅有十分辉煌的研究成果 而且提出了数学的基本观点 建立数学理论的方法 给以后的数学发展提供了坚实的基础 泰勒斯确定了几条最早的几何定理 等腰三角形两底角相等如果两个三角形有一边及这边上的两个角对应相等 那么这两个三角形全等直角彼此相等两条直线相交时 对顶角相等圆的直径平分圆周 万物皆数 毕达哥拉斯学派认为世界万物都是数 最重要的数是1 2 3 4 而10则是理想的数 相应地 自然界由点 一元 线 二元 面 三元 和立体 四元 组成 他们认为自然界中的一切都服从于一定的比例数 天体的运动受数学关系的支配 形成天体的和谐 理论算术 数论的雏形 完全数 过剩数 盈数 不足数 亏数 分别表现为其因数之和等于 大于 小于该数本身 规定因数包括1但不包括该数自身 他们发现的前几个完全数是6 1 2 3 28 1 2 4 7 14 496 而220和284则是一对亲和数 因为前者的因数和等于284 后者的因数和等于220 后来 在数学中寻找完全数就成为一项任务来研究 在前八千多正整数中只有4个完全数 6 28 496 8128 第五个完全数在1538年才找到 33550336 50年后发现第六个完全数 8589869056 2005年发现第42个梅审素数 从而有了第42个完全数 几何成就 使几何学从经验上升到理论的关键性贡献应归功于毕达哥拉斯学派 他们基本上建立了所有的直线形理论 包括三角形全等定理 平行线理论 三角形的内角和定理 相似理论等 正多边形和正多面体 毕达哥拉斯学派掌握了正多边形和正多面体的一些性质 他们发现 同名正多边形覆盖平面的情况只有三种 正三角形 正方形 正六边形 而且这些正多边形个数之比为6 4 3 边数之比则为3 4 6 毕达哥拉斯学派的另一项几何成就是正多面体作图 他们称正多面体为 宇宙形 三维空间中仅有五种正多面体 正四面体 正六面体 正八面体 正十二面体 正二十面体 正五边形与五角星 在五种正多面体中 除正十二面体外 每个正多面体的界面都是三角形或正方形 而正十二面体的界面则是正五边形 正五边形作图与著名的 黄金分割 有关 五条对角线中每一条均以特殊的方式被对角线的交点分割 据说毕达哥拉斯学派就是以五角星作为自己学派的标志的 勾股数 毕达哥拉斯数 一般形式之一 无理数的发现 毕达哥拉斯学派的信条是 万物皆数 这里的数实际上是指正的有理数 传说 毕达哥拉斯学派成员希帕苏斯 hippasus 公元前470年左右 发现了 不可公度比 的现象 并在一次航海时公布了他的想法 结果被恐慌的毕达哥拉斯学派的其他成员抛进了大海 项武义教授的一项研究认为 希帕苏斯首先发现的是正五边形边长与对角线长不可公度 第一次数学危机 不可公度比的发现使毕达哥拉斯学派对许多定理的证明都不能成立 例 如果两个三角形的高相同 则它们的面积之比等于两底边之比 a b c d e 新比例论 100多年后 欧多克斯 eudoxus 408 355 提出了 新比例论 才用回避的方法暂时消除了 第一次危机 新比例定义 设a b c d是任意四个量 其中a和b同类 即均为线段 角或面积 c和d同类 若对任意两个 正 整数m和n ma与nb的大小关系 取决于mc与nd的大小 则称a b c d 柏拉图学园 柏拉图 plato 公元前427 347年 是当时最著名的希腊哲学家之一 虽然他不是数学家 但热心于数学科学 在柏拉图学园的门口挂着牌子 不懂几何者免进 值得注意的是 公元前四世纪的重要数学工作几乎都是柏拉图的朋友和学生做的 与柏拉图学园有联系的欧多克斯 eudoxus 公元前408 355年 是这一时期最大的数学家 他在几何学上的研究成果 后来有些收入了欧几里得的 几何原本 亚里士多德 亚里士多德 aristotle 公元前384 322年 是柏拉图的学生和同事 相处达20年之久 公元前335年成立了自己的学派 以后曾是马其顿王亚列山大的老师 他是古典希腊时期最伟大的思想家 他的一些思想在数学史上影响很大 形式逻辑的建立 亚里士多德不象柏拉图那样只崇尚思辨 而是重视观察 分析和实验性的活动 如解剖 亚里士多德是古希腊学者中最博学的人 是古代百科全书式的自然科学家 也是对近代自然科学影响最大的古代学者 他的著作甚多 在自然科学方面主要有 物理学 论产生和消灭 天论 气象学 动物的历史 论动物的结构 等 形式逻辑的建立 亚里士多德创立了以三段论为中心的形式逻辑系统 他认为科学需要归纳 由特殊的事例过渡到一般命题 更需要用逻辑的推理由前提演绎出它的推论 亚里士多德的逻辑学著作后来被汇编为 工具论 对阿基米德 欧几里得等人的研究有重要影响 古典希腊时期的希腊人已经掌握了大量初等几何性质 加上亚里士多德建立了形式逻辑 这些都为形成一门独立的初等几何的理论科学作好了充分的准备 亚历山大时期的数学 从公元前330年左右到公元前30年左右 希腊数学的中心从雅典转移到了埃及的亚历山大城 亚历山大帝国一分为三后 托勒密帝国统治希腊埃及 其首都亚历山大城成为希腊文化的中心 托勒密一世曾经是亚里士多德的学生 他在执政后修建了缪斯艺术宫 这实际上是一个大博物馆 收藏的图书和手稿据说有50 70万卷 当时的许多著名学者都被请到亚历山大里亚 用国家经费供养着 这一时期思辩猜测已不盛行 观察 计算及定量分析的方法开始流行 天文学家阿利斯塔克 公元前310 230 通过对日 月 地的体积和相对距离的观测和计算作出了日心说的猜测 他通过测量角度推算出太阳直径比地球大六 七倍 并断定小天体 地球等 应围绕大天体 太阳 旋转 尽管他的计算很不精确 但思维方式是重要的 著名天文地理学家 数学家埃拉托色尼 约公元前284 192 根据太阳在两个地方投影角之差 计算出地球的周长是24662英里 现在算出的通过地球南北极的周长为24819英里 他绘制了世界地图 并标明了经纬线以及寒带 热带和温带 欧几里得与 几何原本 欧几里得 约公元前330 260 应托勒密一世之邀到亚历山大 成为亚历山大学派的奠基人 欧几里得系统地整理了以往的几何学成就 写出了13卷 原本 欧几里得的工作不仅为几何学的研究和教学提供了蓝本 而且对整个自然科学的发展有深远的影响 爱因斯坦说 西方科学的发展是以两个伟大的成就为基础的 那就是 希腊哲学家发明形式逻辑体系 在欧几里得几何学中 以及通过系统的实验发现有可能找到因果关系 在文艺复兴时期 公理化方法 公理化方法 从一些基本的概念和公理出发 利用纯逻辑推理的方法 把一门学科建立成演绎系统的方法 后来的许多著作都仿照这种格式写成 如牛顿的 自然哲学的数学原理 等 几何原本 的影响 几何原本 对后来数学思想有重要影响 其一 公理化思想 其二 几何直观与严格逻辑推理的结合使欧几里得几何长期被认为是最正宗的数学知识 笛卡儿在发明了解析几何后仍坚持对每一个几何作图给出综合证明 牛顿在第一次公开他的微积分发明时也要对这一算法作出几何解释 其三 导致非欧几何的诞生 阿基米德的数学成就 阿基米德 archimedes 公元前287 212 出生于西西里岛的叙拉古 曾在亚历山大跟欧几里得的学生学习过 离开亚历山大后仍与那里的师友保持联系 他的许多成果都是通过与亚历山大学者的通信而保存下来的 因此 阿基米德通常被看成是亚历山大学派的成员 阿基米德的著作很多 内容涉及数学 力学及天文学等 穷竭法 与 平衡法 穷竭法是安蒂丰首先使用 并被古希腊数学家普遍用来证明面积和体积的方法 穷竭法可以用来严格证明已经猜想出来的命题 但不能用来发现新的结果 阿基米德发明了求面积和体积的 平衡法 求出面积或体积后再用 穷竭法 加以证明 阿基米德 平衡法 与 穷竭法 的结合是严格证明与创造技巧相结合的典范 球的体积 阿基米德用 平衡法 推导了球体积公式 刻在阿基米德墓碑上的几何图形代表了他所证明的一条数学定理 以球的直径为底和高的圆柱 其体积是球体积的3 2 其表面积是球面积的3 2 阿基米德的 平衡法 将需要求积的量分成一些微小单元 再与另一组微小单元进行比较 而后一组的总和比较容易计算 因此 平衡法 实际上体现了近代积分法的基本思想 是阿基米德数学研究的最大功绩 但是 平衡法 本身必须以极限论为基础 阿基米德意识到了他的方法在严密性上的不足 所以他用平衡法求出一个面积或体积后 必再用穷竭法加以严格的证明 用平衡法求球的体积 球切片体积锥切片体积柱切片体积左力矩 右力矩 左力矩 4 右力矩 p 球锥的切片 x n 用平衡法求球的体积 将球 圆锥 圆柱均完全分割成厚度为 x的薄片 并将所有球与圆锥的薄片都挂到p点 圆柱薄片都留在原处 左力矩和 球体积 锥体积 2r右力矩和 柱体积 r 球体积 锥体积 2r 4 柱体积 r球体积 2 柱体积 锥体积 与欧几里得相比 阿基米德可以说是一位应用数学家 在 论浮体 中论述了浮力原理 在 论平面图形的平衡或其重心 中论述了杠杆原理 曾设计了一组复杂的滑车装置 使叙拉古国王亲手移动了一只巨大的三桅货船 他说 给我一个支点 我可以移动地球 在保卫叙拉古的战斗中发明了许多军械如石炮 火镜等 后被罗马士兵杀害 死时75岁 传说曾下令不要杀死阿基米德的罗马主将马塞吕斯事后特意为阿基米德建墓 阿波罗尼奥斯与 圆锥曲线论 阿波罗尼奥斯 apollonius 公元前262 190 出生于小亚细亚 今土尔其一带 年轻时曾在亚历山大城跟随欧几里得的学生学习 后到小亚细亚西岸的帕加蒙王国居住与工作 晚年又回到亚历山大 阿波罗尼奥斯的主要数学成就是在前人工作的基础上创立了相当完美的圆锥曲线理论 编著 圆锥曲线论 圆锥曲线论 全书共8卷 含487个命题 在阿波罗尼奥斯之前 希腊人用三种不同圆锥面导出圆锥曲线 阿波罗尼奥斯则第一次从一个对顶圆锥得到所有的圆锥曲线 并给它们以正式的名称 亏曲线 齐曲线 盈曲线 李善兰翻译时取意译名椭圆 抛物线 双曲线 圆锥曲线论 可以说是希腊演绎几何的最高成就 几何学的新发展要到17世纪笛卡儿等人的解析方法出现后才得以来临 阿波罗尼奥斯用统一的方式引出三种圆锥曲线后 便展开了对它们性质的广泛讨论 内容涉及圆锥曲线的直径 公轭直径 切线 中心 双曲线的渐进线 椭圆与双曲线的焦点以及处在不同位置上的圆锥曲线的交点数等 圆锥曲线论 中包含了许多即使按今天的眼光看也是很深奥的问题 第5卷中关于定点到圆锥曲线的最长和最短线段的探讨 实质上提出了圆锥曲线的法线包络即渐屈线的概念 它们是近代微分几何的课题 第3 4卷中关于圆锥曲线的极点与极线的调和性质的论述 则包含了射影几何学的萌芽思想 罗马时期的数学成就 海伦 heron 前1世纪 公元1世纪 推导出求三角形面积的海伦公式 托勒密 ptolemy约100 170 的地球中心学说 托勒密利用大量的观察资料 进行浩繁的计算 写出八卷本的 大综合论 详细论述了太阳系和宇宙以地球为中心的学说 在托勒密的地心说中 行星是绕着一种数学上的点 本轮中心 运动的 而这些点又位于均轮上围绕地球运转 托勒密的地心说虽然不反映宇宙的实际结构 但是依据上述的数学图解却比较完满地解释了当时所观测到的行星运动情况 托勒密将圆周分成360度 角的度量采用60进制 还应用托勒密定理 圆内接四边形中 两条对角线长的乘积等于两对对边长乘积之和 造出了一张正弦表 梅涅劳斯 menelaus 约公元1世纪 的 球面学 是球面三角学的开山之作 该时期希腊数学的一个重要特征是突破了以几何学为中心的传统 使算术和代数成为独立的学科 丢番图 diophantus 的 算术 用纯分析的途径处理数论与代数问题 包括不定方程 可以看作是希腊算术与代数的最高成就 丢番图的墓志铭 关于丢番图的生平没有什么记载 大约公元250年前后活动于亚历山大城 他活了84岁则可以从他的墓志铭中算出 丢番图的童年占一生的1 6 此后过了一生的1 12开始长胡子 再过一生的1 7后结婚 婚后5年生了个孩子 孩子活到父亲一半的年龄 孩子死后4年父亲也去世了 数学汇编 该时期的最后一位重要数学家是帕波斯 pappus 约公元300 350 著作 数学汇编 是一部总结前人成果的典型著作 在数学史上有特殊的意义 有许多古代希腊数学的宝贵资料就是因为有 数学汇编 的记载才得以保存下来 周髀算经 是我国最早的天文著作 系统地记载了周秦以来适应天文需要而逐步积累的科技成果 该书的主要内容是周代传下来的有关测天量地的理论和方法 周髀算经 也是中国最古的算书 成书确切年代没有定论 一般认为在公元前2 3世纪 李约瑟认为 最妥善的办法是把 周髀算经 看作具有周代的骨架加上汉代的皮肉 第三讲中国古代数学瑰宝 周髀算经 中的勾股定理 周公问商高关于计算的问题 商高答曰 数之法出于圆方 圆出于方 方出于矩 矩出于九九八十一 故折矩 以为勾广三 股修四 径隅五 荣方与陈子的一段对话中 则包含了勾股定理的一般形式 陈子曰 若求邪至日者 以日下为勾 日高为股 勾 股各自乘 并而开方除之 得邪至日 周髀算经 还记载了商高的用矩之法 平矩以正绳 偃矩以望高 覆矩以测深 卧矩以知远 环矩以为圆 合矩以为方 九章算术 九章算术 成书于公元前后 是我国最重要 影响最深远的一本数学著作 后世不少人 如刘徽 祖冲之 李淳风等人均对 九章算术 作过注 特别是刘徽的注 加进了不少自己的精辟见解 阐述了重要的数学理论 九章算术注 是 九章算术 得以流芳百世的重要补充和媒介 对 九章算术 的评价 日本数学家小苍金之助把 九章算术 说成是中国的 几何原本 吴文俊教授也认为 九章算术 和刘徽的 九章算术注 在数学的发展历史中具有崇高的地位 足可与希腊的 几何原本 东西辉映 各具特色 1968年德国沃格尔 vogel 把 九章算术 译成德文出版时加的评论认为 在古代算术中 包含如此丰富的246个算题 现存的埃及和巴比伦算题与之相比 真望尘莫及 以希腊而论 所保存的古算题为我们所熟知者 也属于希腊化时代 第一章 方田 讲述有关平面图形 土地田亩 面积的计算方法 包括分数算法 38个问题 一 今有田广十五步 从十六步 问为田几何 答曰 一亩 二 又有田广十二步 从十四步 问为田几何 答曰 一百六十八步 方田术曰 广从步数相乘得积步 以亩法二百四十步除之 即亩数 百亩为一倾 五 今有十八分之十二 问约之得几何 答曰 三分之二 六 又有九十一分之四十九 问约之得几何 答曰 十三分之七 约分术曰 可半者半之 不可半者 副置分母子之数 以少减多 更相减损 求其等也 以等数约之 第二章 粟米 讲述有关粮食交换中的比例问题 书中的 今有术 给出比例式中已知三数求第四数的方法 欧洲迟至15世纪才出现 第三章 衰分 讲述配分比例和等差 等比等问题 第四章 少广 讲述由田亩面积求边长 由球体积求经长的算法 这是世界上最早的多位数开平方 开立方法则的记载 开方术 今有积五万五千二百二十五步 问为方几何 答曰 二百三十五步 开方术曰 置积为实 借一算步之 超一等 议所得 以一乘所借一算为法 而以除 除已 倍法为定法 其复除 折法而下 复置借算步之如初 以复议一乘之 所得副之 以加定法 以除 以所得副从定法 复除折下如前 第五章 商功 讲述各种土木工程中的体积计算 我国自远古以来 对筑城 挖沟 修渠等土建工程积累了丰富的经验 创造了许多有关土方体积计算和估算的方法 本章即为经验和方法的理论总结 诸如长方体 台体 圆柱体 锥体等体积的计算公式都与现在一致 只是圆周率取3 误差较大 第六章 均输 讲述纳税和运输方面的计算问题 实际上是比较复杂的比例计算问题 第七章 盈不足 讲述算术中盈亏问题的解法 盈不足术实际上是一种线性插值法 该方法通过丝绸之路传入阿拉伯国家 受到特别重视 被称为 契丹算法 后来传入欧洲 13世纪意大利数学家斐波那契的 算经 一书中专门有一章讲 契丹算法 第八章 方程 讲述线性方程组的解法 还论及正负数概念及运算方法 中算的方程 本意是指多元一次方程组 线性方程组 刘徽在 九章算术注 中指出 程 课程也 群物总杂 各列有数 总言其实 令每行为率 二物者再程 三物者三程 皆如物数程之 并列为行 故谓之方程 方程术例题 今有上禾三秉 中禾二秉 下禾一秉 实三十九斗 上禾二秉 中禾三秉 下禾一秉 实三十四斗 上禾一秉 中禾二秉 下禾三秉 实二十六斗 问上 中 下禾实一秉各几何 正负术 李文林在 数学史教程 中指出 对负数的认识是人类数系扩充的重大步骤 如果说古希腊无理量是演绎思维的发现 那么中算负数则是算法思维的产物 中算家们心安理得地接受并使用了这一概念 并没有引起震撼和迷惑 国外首先承认负数的是7世纪印度数学家婆罗门及多 欧洲16世纪时韦达等数学家的著作还回避使用负数 勾股术 第九章 勾股 在 周髀算经 中勾股定理的基础上 形成了应用问题的 勾股术 从此它成了中算中重要的传统内容之一 今有池方一丈 葭生其中央 出水一尺 引葭赴岸 适与岸齐 问水深 葭长各几何 答曰 水深一丈二尺 葭长一丈三尺 术曰 半池方自乘 以出水一尺自乘 减之 余 倍出水除之 即得水深 加出水数 得葭长 刘徽的数学成就 刘徽的 九章算术注 包含了他本人的许多创造 其中最突出的成就是 割圆术 和求积理论 若设圆面积为 内接正n边形边长为 面积为则 o a b c d 圆周率 刘徽用 割圆术 从圆内接正六边形出发 算到圆内接正192 6 25边形 得到 徽率 3 14 推测祖冲之可能也是沿用了 割圆术 计算到圆内接正24576 6 212边形 即可得祖冲之的结果 刘徽的求积理论 刘徽的面积 体积理论建立在一条简单而又基本的原理之上 这就是 出入相补原理 刘徽用这条原理成功地证明了 九章算术 中的许多面积公式 刘徽在推证 九章算术 中的一些体积公式时 灵活地使用了两种无限小方法 极限方法与不可分量方法 比如 阳马 体积公式便是用极限方法推导出来的 而球体积公式的推导则使用了不可分量方法 为计算球体积 刘徽提出 牟合方盖 算经十书 出于官方数学教育的需要 唐高宗亲自下令对以前的数学著作进行整理 公元656年由李淳风负责编定了算经十书 周髀算经 九章算术 孙子算经 五曹算经 张邱建算经 夏侯阳算经 缉古算经 海岛算经 五经算术 和 缀术 后因 缀术 失传 而以 数术记遗 替代 孙子算经 鸡兔同笼 今有雉兔同笼 上有三十五头 下有九十四足 问雉 兔各几何 答曰 雉二十三 兔一十二 术曰 上置头 下置足 半其足 以头除足 以足除头 即得 物不知数 今有物 不知其数 三三数之 剩二 五五数之剩三 七七数之 剩二 问物几何 答曰 二十三 孙子歌 明代数学家程大位的 算法统宗 中所载的 孙子歌 以诗歌形式介绍了物不知数问题的解法 三人同行七十稀 五树梅花廿一枝 七子团圆整半月 除百零五便得知 这一问题的解法后经秦九韶推广到一般情形 被称为 孙子定理 又称为 中国剩余定理 宋元数学 宋元时期 960 1368 的杰出数学家秦九韶 杨辉 李冶 朱世杰被称为 宋元四大家 宋元时期的数学代表著作有 数书九章 秦九韶 详解九章算法 杨辉 益古演段 李冶 和 四元玉鉴 朱世杰 等 大衍总数术 问题 求满足的最小自然数n 设 求乘率使则总数 中国剩余定理 秦九韶的算法非常严密 但他并没有对这一算法给出证明 到18 19世纪欧拉 1743 和高斯 1801 分别对一次同余式组进行了详细研究 重新独立地获得了与秦九韶 大衍术 相同的定理 并对模数两两互素的情形给出了严格证明 高斯的成果是最完整的 他还解决了模不是两两互素时的情形 1876年德国人马蒂生首先指出秦九韶的算法与高斯的算法是一致的 因此关于这一算法被称作 中国剩余定理 第四讲平面解析几何的产生 16世纪之前的数学基本上是常量数学 而近代数学的本质却是变量数学 16世纪 对运动与变化的研究已经变成自然科学的中心问题 这就需要有一种新的数学工具 从而导致了变量数学也就是近代数学的诞生 变量数学的第一个里程碑是解析几何的发明 然后就是微积分的发明 笛卡儿的解析几何 笛卡儿于1637年发表了著名的哲学著作 更好地指导推理和寻求科学真理的方法论 该书有三个附录 几何学 屈光学 气象学 解析几何的发明包含在 几何学 这篇附录中 笛卡儿在另一部较早的哲学著作 指导思维的法则 中了一般某种一般方法 其思路是 任何问题 数学问题 代数问题 方程问题 笛卡儿创立解析几何的传说 一个传说讲 笛卡儿终身保持着在耶酥会学校读书时养成的 晨思 习惯 在一次晨思时 看见一只苍蝇正在天花板上爬 他突然想到 如果知道了苍蝇与相邻两个墙壁的距离之间的关系 就能描述它的路线 这使他头脑中产生了关于解析几何的最初闪念 另一个传说是 1619年冬天 笛卡儿随军队驻扎在多瑙河畔的一个村庄 在圣马丁节的前夕 11月10日 他作了三个连贯的梦 从而揭示解析几何的发现 笛卡儿 笛卡儿出生于法国的贵族家庭 早年受教于耶酥会学校 曾于1617年和1619年两次从军 离开军营后 旅行于欧洲 他的学术研究是在军旅和旅行中作出的 笛卡儿对许多学科领域都有重要贡献 古今数学思想 对笛卡儿有这样一个评价 他是第一个杰出的近代哲学家 是近代生物学的奠基人 是第一流的物理学家 但只偶然是个数学家 费马猜想 费马大定理 时 方程没有正整数解 费马小定理 p为素数 则 第五讲微积分的诞生 17世纪最伟大的数学成就是微积分的发明 微积分是描述运动过程的数学 它的产生为力学 天文学以及后来的电磁学等提供了必不可少的工具 微积分产生的前提有两个 几何坐标和函数概念 而这两个方面由于笛卡儿和费马等人的工作 其基础已基本具备 现代科技的推动力 对微积分的发明起了直接推动作用的是现代科技的发展 17世纪 开普勒提出行星运行定律 从数学上推证这些定律成了当时自然科学的中心课题 伽利略的自由落体定律 动量定律 抛物体运动性质等也激起了人们用数学方法研究动力学的热情 凡此一切都归结为如下一些基本问题 确定非匀速运动物体的速度和加速度需要研究瞬时变化率问题 望远镜的设计需要确定透镜曲面上任一点的法线因而需要研究曲线的切线问题 确定炮弹的最大射程等需要研究最大 最小值 确定行星运行的路程 向径扫过的面积等又需要计算曲线长 曲边图形的面积等 这一切都需要有一种新的计算工具的诞生 牛顿 莱布尼茨之前的微积分方法 微积分理论的建立聚集了许许多多数学家的努力 如 开普勒的求积术卡瓦列里不可分量原理笛卡儿求切线方程的 圆法 费马求极大 极小值的方法巴罗的 微分三角形 沃利斯的 无穷算术 流数术解决的基本问题 牛顿在 流数简论 中提出并解决了如下基本问题 1 设有两个或更多个物体在同一时间内描画线段x y z 已知表示这些线段关系的方程 求它们的速度p q r 2 已知表示线段x和运动速度之比p q的关系方程式 求另一线段y 微积分基本定理 这两个问题实际上是对微积分可解决的一些特殊问题的一般化 如求瞬时速度 切线斜率就可归结为第一问题 而第二问题明显是第一问题的逆运算 牛顿把他问题 2 看成问题 1 的逆运算 并给出了标准解法 流数简论 讨论了如何借助于逆运算来求面积 从而建立了 微积分基本定理 牛顿的诞生 伽利略去世的那一年 牛顿诞生了 牛顿 1643 1727 的时代 正是科学在英国兴起的时代 1662年 英国皇家学会成立 以其为中心出现了一大批热心科学研究和技术发明的人 他们的许多新发现和发明使英国成了当时欧洲科学技术的中心 牛顿的学习生涯 牛顿出生在一个中等农户家庭 是个遗腹子 而且早产 出生后勉强活了下来 中学时学习成绩并不突出 但十分喜欢做机械玩具和模型 17岁时 他母亲把他从当时就读的中学召回田庄务农 但牛顿不喜欢干农活 在牛顿的舅舅和格兰瑟姆中学校长的竭力劝说下 他母亲才在九个月后允许牛顿返校学习 当时史托克斯校长对牛顿的母亲说 在繁杂的农活中埋没这样一位天才 对世界来说将是多么巨大的损失 后来牛顿在他舅舅的支持下就读于剑桥大学三一学院 牛顿成为卢卡斯教授 1665 1666年 牛顿为躲避伦敦的瘟疫而回到家乡爱尔索普 这期间他发现了二项式定理和流数法 进行了颜色的试验 并开始思考万有引力问题 1667年回到剑桥被选为三一学院的研究员 1669年接替巴罗成为数学卢卡斯教授 1670年起 在剑桥大学正式开课 但由于过于艰深 他的讲课没能受到学生的欢迎 从光学研究到引力的研究 1670年起 牛顿主要研究光学 制造反射望远镜 发现了太阳光的合成性质 并被选为皇家学会会员 正是在光学领域中发生了他与胡克 r hooke 1635 1703 的争吵 既影响了科学研究的气氛 也影响了牛顿的健康 经过近十年的中断 1679年底牛顿的注意力重新集中于引力的研究 并于80年代上半期全力写成了 自然哲学的数学原理 自然哲学的数学原理 1687年 哈雷 天文学家 皇家学会会员 发现了著名的哈雷彗星 约76年出现一次 是太阳系的一个成员 用自己的钱资助 出版了牛顿的著作 自然哲学的数学原理 这本书被公认为科学史上最伟大的著作 爱因斯坦称赞为 无比辉煌的演绎成就 它成了理论力学 天文学 宇宙学的可以补充但不可超越的理论基石 全书的核心是力学三定律 惯性定律 加速度定律 作用与反作用定律 和万有引力定律 对宇宙的认识 波兰青年哥白尼 1473 1543 于1496年到意大利波伦亚大学求学 在意大利游学了10年后 哥白尼回到了波兰 一边行医 一边担负着教会的一些工作 同时开始构思和撰写天文学著作 天体运行论 这本书从开始写作到修改定稿共用了36年的时间 直到1543年 作者在弥留之际才将其付印出版 哥白尼在见到自己的著作后不久便与世长辞了 但这本书却引起了一场巨大的学术革命 使人类开始重新认识宇宙 地球以及物体的运动 哥白尼的天文学体系 哥白尼的天文学体系在数学形式方面比托勒密体系要简单得多 他第一次正确地描述了水星 金星 地球和月亮 火星 土星 木星轨道实际相对于太阳的顺序位置 指出它们的轨道大致在一个平面上 公转方向也是一致的 月球是地球的卫星 和地球一起绕太阳旋转 布鲁诺 意大利哲学家布鲁诺 1548 1600 大力宣传哥白尼学说 而且比哥白尼更激进 他认为太阳不是宇宙的中心 无垠的宇宙没有中心 他最先在巴黎大学 牛津大学讲学时宣传空间无限大和地动说 批判亚里士多德和托勒密学说 新教和天主教会均不能接受他的观点 1592年他回到意大利 被宗教裁判所监禁 如果他放弃自己的观点就可以被释放 但他却选择了坚持自己的观点 1600年 布鲁诺被烧死在罗马鲜花广场 第谷 布拉赫 在哥白尼去世后三年出生的丹麦人第谷 布拉赫 1546 1601 是一位著名的天文学家 据说他14岁在哥本哈根大学读书时就预见了一次日食 这使他名声大振 后来成为宫廷天文学家 第谷并没有接受哥白尼的学说 但他在一个天文台细心观察天象达20多年 作了详细的记录 并把前人星表中的错误一个个纠正过来 晚年收德国人开普勒为 1571 1630 为弟子 开普勒的研究 开普勒是哥白尼学说的信奉者 在与第谷合作后 总算找到了发现的机会 开普勒先从第谷留给他的火星资料开始研究 发现没有任何一种圆的复合轨道能与其相符 经过大量的尝试和计算后 终于发现火星的轨道是一个椭圆 开普勒在欣喜之余把这一发现推广到了所有行星 得到这一结果 开普勒花费了10年的时间 在1609年他公布了行星运行三大定律的前两条 1619年公布了最后一条 行星运行三大定律 轨道定律 行星绕太阳运行的轨道是椭圆 太阳在一个焦点上 面积定律 从太阳中心到行星中心的联线 向径 在相等的时间里 扫过的面积相等 周期定律 行星绕太阳一周的时间的平方与他们到太阳的平均距离的立方成正比 伽里略的天文望远镜 伽里略最初的科学生涯主要是对力学的研究 1608年 荷兰的一个眼镜制造商汉斯 利佩希在偶然发明并开始制造望远镜 10个月后 伽里略听到了这个消息 便自己动手制造了一架天文望远镜 并把它对准星空 伽里略的这一举动标志着天文学研究从肉眼观测进入了望远镜观测的时代 他看到了激动人心的景象 月球表面的山丘和凹坑 木星的四颗卫星 太阳的黑子和自转 茫茫银河中的无数行星等 他的发现公布后 轰动了学术界 人们说 哥伦布发现了新大陆 伽里略发现了新宇宙 牛顿的万有引力定律 这实际上是对所有地上物体和天上物体运动的基本规律的发现 它的历史意义是伟大的 哥白尼提出了一个正确的太阳系结构假说 伽利略发现了一些地上物体运动的基本规律 并以观察事实支持了哥白尼 开普勒发现了天空中行星运行的真实情况 而牛顿则把他们所有的伟大成就统一了起来 并回答了物体为什么会这样运动的问题 他在书中所阐明的基本定律成了所有力学的基本出发点 他用万有引力定律解释了潮汐现象 并预言地球是赤道部分略为突出的椭球 万有引力定律 万有引力定律是从开普勒行星运行三大定律中用数学方法推导出来的 其公式是它是一个普遍的公式 牛顿的万有引力定律使日心说得意被人们所广泛接受 而推导这一公式的数学工具正是微积分方法 光学 自 原理 出版后 牛顿几乎停止了自然科学方面的研究工作 到1704年 胡克去世后 他发表了 光学 把自己三四十年前对光学的研究工作加以整理出版 其中包括了对光的反射 折射 色散的研究 原理 和 光学 是牛顿的两部基本著作 皇家学会会长 造币局局长长 1693年 牛顿精神分裂症的症状日见严重 于是离开了剑桥大学 1695年任造币局督办 1699年任造币局局长 同年被选为巴黎科学院的外籍院士 1703年 当了30年英国皇家学会会员后任皇家学会会长 1705年被女皇封为爵士 成为贵族 晚年颇为孤寂 只有一个外甥女与他做伴 直到1727年去世 蒲柏的诗 牛顿死后被葬于英国的皇家墓地西敏寺 为了颂扬这位伟人 当时英国著名的诗人蒲柏 a pope 1688 1744 曾写道 natureandnature slawslayhidinnight godsaid letnewtonbe andallwaslight 这两句铭文后来被铸在铁板上 镶嵌在牛顿诞生的屋子的墙上 莱布尼茨的微积分 1684年莱布尼兹发表了他的第一篇微积分学论文 一种求极大与极小值和求切线的新方法 简称 新方法 这也是数学史上第一篇正式发表的微积分文献 文中定义了微分并广泛采用了微分记号dx dy dny等 用difference的首字母 1686年 发表了第一篇积分学论文 深奥的几何与不可分量及无限的分析 文中初步论述了积分或求积问题与微分或切线问题的互逆关系 并引进了积分符号 sum首字母的拉长 牛顿的积分号是字母上加一点或一撇 莱布尼茨的其它贡献 莱布尼茨的博学多才在科学史上是罕见的 他的著作涉及数学 力学 机械 地质 逻辑 哲学 法律 外交 神学 语言学等 在1666年发表的 组合艺术 等相关文稿中 提出了符号逻辑的思想 引导了布尔 罗素等人的数理逻辑 在1679年撰写的 二进制算术 首创了二进记数法 莱布尼茨还是制造计算机的先驱 1674年在巴黎科学院当众演示了他制成的 算术计算机 这是第一台能做四则运算的计算机 微积分优先权的争议 牛顿和莱布尼茨两人作为当时的大名人 相互敬慕还曾有书信来往 1687年 牛顿在 自然哲学的数学原理 中首次发表他的流数方法时 在前言中有这样一段话 十年前 我在给学问渊博的数学家莱布尼茨的信中曾指出 我发现了一种方法 可用以求极大值 极小值 作切线以及解决其它类似的问题 这位名人回信说他也发现了类似的方法 并把他的方法给我看了 他的方法与我的大同小异 除了用语 符号 算式和量的产生方式外 没有实质性区别 但在第三版的时候牛顿删去了这段话 原因是他们之间发生了优先权的争议 微积分的发展 18世纪微积分继续深入发展 这种发展是与广泛的应用紧密相连的 18世纪可以说是分析的时代 也是向现代数学过渡的重要时期 对于微积分算法的推广 英国与欧洲大陆国家是循着不同的路线进行的 英国学者仍然维护牛顿的传统用几何语言论证流数法 欧洲大陆学者则采用莱布尼茨的分析方法 第六讲近代数学两巨星 推广莱布尼茨学说的任务 在从17世纪到18世纪的过渡时期 主要是由雅各布 伯努利 jacobbernoulli 1654 1705 和约翰 伯努利 johnbernoulli 1667 1748 两兄弟担当 这个来自瑞士的伯努利家族 在17 18世纪先后产生了十几位著名的数学家 雅各布和约翰是其中最有影响的两位 他们的工作构成了现今所谓初等微积分的大部分内容 欧拉对微积分的贡献 18世纪微积分最重大的进步是由欧拉 leonardeuler 1707 1783 作出的 欧拉在1748年出版的 无限小分析引论 1755年发表的 微分学 1770年发表的 积分学 是微积分史上里程碑式的著作 他们在很长的时间里被当作分析课本的典范普遍使用着 这三部著作包含了欧拉本人在分析领域的大量创造 同时引进了一批标准的符号如 函数符号f x 求和符号 自然对数底 虚数单位i等 对分析表述的规范化起到了重要作用 欧拉在数学上的贡献 引进函数定义 并提出了代数函数与超越函数 三角函数 指数函数 对数函数 函数 函数 解决了下列和式当p为偶数时的和发展了棣莫弗公式 得到等式 欧拉在数学上的贡献 最早将微积分用于研究曲线和曲面 从而创立了微分几何 第一次将分析工具用于数论研究 从而创立了解析数论 解决了哥尼斯堡七桥问题 从而创立了图论 著作中有大量分析的应用 如月球运动理论等 初等几何中 三角形中的欧拉线 欧拉圆 多面体欧拉公式等 欧拉在三角形中发现的结论 三角形的垂心h 重心g 外心u三点共线 且hg 2gh 1765年 三角形三边的中点 三条高线的垂足 垂心至三顶点连线段的中点在同一个圆周上 九点圆 欧拉圆 三角形外接圆 内切圆半径分别为r r 两圆圆心距为d 则 imo4 6 欧拉常数 18世纪通过研究发散级数而获得的另一个重要常数是 欧拉常数 这是欧拉在讨论如何用对数函数来逼近调和级数的和时得到的 它最简单的表示形式为欧拉曾计算出 的近似值为0 577218 但到现在也没有能够判断 是有理数还是无理数 第五公设 平行公设 第五公设 若一直线落在两直线上所构成的同旁内角和小于两直角 那么把两直线无限延长 它们将在同旁内角和小于两直角的一侧相交 在欧氏几何的所有公设中 唯独这条公设显得比较特殊 它的叙述不像其它公设那样简洁 明了 当时就有人怀疑它不像是一个公设而更像是一个定理 并产生了从其它公设和定理推出这条公设的想法 欧几里得本人对这条公设似乎也心存犹豫 并竭力推迟它的应用 一直到卷 命题29才不得不使用它 对第五公设的证明 历史上第一个宣称证明了第五公设的是古希腊天文学家托勒密 约公元150 后来普洛克鲁斯指出托勒密的 证明 无意中假定了过直线外一点只能作一条直线与已知直线平行 替代公设 过直线外一点有且只有一条直线与已知直线平行 几何原理中的家丑 从公元前3世纪到18世纪 证明第五公设的努力始终没有中断 但每一种 证明 要么隐含了另一个与第五公设等价的假定 要么存在其它形式的错误 而且 这类工作中的大多数对数学思想的进展没有多大现实意义 18世纪中叶 达朗贝尔把平行公设的证明问题称为 几何原理中的家丑 有意义的进展 意大利数学家萨凯里 g saccheri 在 欧几里得无懈可击 1733 一书中 从著名的 萨凯里四边形 出发来证明平行公设 四边形abcd中 ad bc a b且为直角 不用平行公设易证 c d 1 直角假设 c和 d是直角 2 钝角假设 c和 d是钝角 3 锐角假设 c和 d是锐角 a b c d 萨凯里首先由钝角假设推出了矛盾 然后考虑锐角假设 在这一过程中获得了一系列新奇的结论 如三角形内角和小于两直角 过直线外一点有无数条直线与已知直线平行等 萨凯里认为它们太不合情理 便以为自己导出了矛盾而判断锐角假设是不真实的 而直角假设则是与平行公设等价的 1763年 德国数学家克吕格尔 g s klugel 在其博士论文中首先指出萨凯里的工作实际上并未导出矛盾 只是得到了似乎与经验不符的结论 克吕格尔是第一位对平行公设是否可以由其它公设加以证明表示怀疑的数学家 高斯建立非欧几何 最先认识到非欧几何是一种逻辑上相容 而且可以用来描述物质空间的是高斯