数学与数学应用

1、主讲教师：,数学与数学的应用讲座之一,罗振国,主要框架,一、数学与应用数学的简介 二、数学思维在日常生活中的应用 三、黄金分割点及其应用,数学与应用数学的简介,数学与应用数学专业介绍 数学与应用数学的起源 数学与应用数学的发展历程,数学与应用数学专业介绍,数学与应用数学是一个学科专业，该专业培养掌握数学科学的基本理论与基本方法，具备运用数学知识、计算机解决实际问题的能力，受到科学研究的初步训练，能在科技、教育和经济部门从事研究、教学工作或在生产经营及管理部门从事实际应用、开发研究和管理工作的高级专门人才。,数学与应用数学培养目标与要求,培养目标 本专业培养掌握数学科学的基本理论、基础知识与基本

2、方法，能够运用数学知识和使用计算机解决若干实际数学问题，具备在高等和中等学校进行数学教学的教师、教学研究人员及其他教育工作者。 培养要求 本专业学生主要学习数学和应用数学的基本理论和方法，受到严格的数学思维训练，掌握计算机的基本原理和运用手段，并通过教育理论课程和教学实践环节，形成良好的教师素养，培养从事数学教学的基本能力和数学教育研究、数学科学研究、数学实际应用等基本能力。,学生需要掌握的知识技能,1)具有扎实的数学基础，初步掌握数学科学的基本思想方法，其中包括数学建模、数学计算、解决实际问题等基本能力 ； 2)有良好的使用计算机的能力，能够进行简单的程序编写，掌握数学软件和计算机多媒体技术

3、，能够对教学软件进行简单的二次开发； 3)具备良好的教师职业素养和从事数学教学的基本能力。熟悉教育法规，掌握并初步运用教育学、心理学基本理论以及数学教学理论； 4)了解近代数学的发展概貌及其在社会发展中的作用，了解数学科学的若干最新发展，数学教学领域的一些最新研究成果和教学方法，了解相近专业的一般原理和知识；学习文理渗透的课程，获得广泛的人文和科学修养； 5)较强的语言表达能力和班级管理能力； 6)掌握资料查询、文献检索及运用现代信息技术获得相关信息的基本方法，并有一定的科研能力,数学与应用数学的起源,20世纪以前没有”应用数学”这一名词。大数学家如高斯、欧拉（瑞士）、柯西等都是既搞纯数学，又

4、搞应用数学。比如，函数的发展基本上是为了解决物理学所引发的拉普拉斯（法国）方程。纯粹的逻辑思维与自然现象的解释探讨是并行发展的。一直到二次大战前，高等数学的应用绝大部分与物理学有关。,1.可应用的数学,2.数学的应用,应用数学,数学与应用数学的起源,在二次大战前后，由于航空工业的发展以及飞机在战争中的重要性，高等数学开始大量用在力学及其它工程方面，促成了应用力学与应用数学的发展。在40、50年代，应用数学的主要研讨内容是力学，大多数应用数学家的背景也不是数学，所以”应用”的性质是很强的。60年代以后情况就有些改变。一方面高等数学的应用范围愈来愈广，不但物理学、工程、化学、天文、地理、生物、医学

5、在用高等数学，甚至经济学、语言学也开始用相当多的高等数学，应用数学因此得到发展。 应用数学得以发展的另外一个原因是数学的发展越来越极端抽象化，渐渐地只有数学家自己以及狭门同行才能理解他们在搞什么。在这种情形下，需要用数学的理论科学家与工程师们就只好自力更生，不依赖纯数学家，而自己搞起数学来了。他们所搞的数学与纯数学最大的区别就是与实际的结合：自然的实际，社会的实际。自然现象与社会发展提出的数学问题要设法解决；数学问题解决以后，其探讨结果要再回到自然界与社会中去，应用数学就这样产生了。,数学与应用数学的发展历程,数学应用和数学的历史可说一样长。古代结绳记数、丈量土地、分配财产导致算术、代数、几何

6、的相继产生，我国最著名的数学典籍九章算术（汉代）就是246个实际应用问题的汇集，注重实际问题，是中国古代数学的优良传统。一个伟大的数学学派曾在古希腊出现。他们追求精神上的创造，研究纯粹的、抽象的数学，从公理出发，运用逻辑的演绎推理，形成严密的学术体系。一个杰出的代表是欧几里得（古希腊）的几何原本。通篇是定义、定理、证明、推论，至于有什么用，他们是不管的。它体现了体力与脑力劳动分工之后，科学发展的新阶段：创造了纯粹而严密的科学体系，却远离了现实生活。,数学与应用数学的发展历程,从此以后，数学就从两个方向发展着。一方面是纯粹数学。例如哥德巴赫猜想、费马大定理等世界名题，成为世人关注的焦点，一旦有所

7、突破，可被视为人类思想史上的大事。至于非欧几何、拓扑学、抽象群论等等，虽说开始时看不到和实际的直接关系，但是只要是好的数学知识，往往在若干年后会发现有实际应用。陈省身20世纪40年代研究的纤维丛理论，到了20世纪70年代，竟成为物理学上由杨振宁等发现的规范场的数学工具，这种世界的统一性，令人不可思议。另一方面，应用数学在不断地迅猛发展。现实世界毕竟是数学发展的源泉。从17世纪以来，社会发展和生产需要一直是数学发展的主要推动力。牛顿从物理学需要发明了微积分，反过来，第谷布拉赫（Tycho Brahe）用数学方法发现了海王星；蒸汽机推动了运动学和热力学的发展，促使数学分析学走向新的高峰；电磁学的基

8、本规律是用微分方程写的。时至20世纪，喷气机和航天器的制造和导航，CT扫描的医疗设备，组织大规模战争的运筹方案，本质上都是数学技术。,数学与应用数学的发展历程,在现代，数学不仅作为一个解决问题的工具，而且已成为时代文化的一个重要组成部分，一些数学概念、语言已渗透到日常生活中去，一些数学原理已成为人们必备知识，如面积、体积、对称、百分数、平均数、比例、角度等成为社会生活中常见名词；像人口增长率、生产统计图、股票趋势图等不断出现在报刊、电视等大众信息传播媒介中；而象储蓄、债券、保险、面积、体积计算（估算）、购物决策等成为人们难以回避的现实问题。那么未来的公民现在的学生，必须具备一个解决实际应用问题

9、的数学素养，这一切都呼唤应用问题呈现于数学教育教学过程中。 应用数学在21世纪，主要是应用于两个领域，一个是计算机，随着计算机的飞速发展，需要一大批懂数学的软件工程师做相应的数据库的开发，另一个是经济学，经济学有很多都需要用非常专业的数学进行分析，应用数学有很多相关课程本身设计就是以经济学实例为基础的。,数学思维在日常生活中的应用,数学并不仅仅是一种解决具体问题的工具，数学更是一种思维与逻辑。易经说：“形而上者谓之道，形而下者谓之器”。数学就是这样一个“形而上”上的东西，而并非仅仅是“形而下”的工具。今天，我们来谈一谈数学思维与逻辑在现实生活中的简单运用。 很多人都认为，数学是严密，理性的代名

10、词，而并非是感觉与经验的东西，但这种观点显然是错误的。培根曾经说过：“只有出自于感觉与经验的知识才是可靠的，感觉与经验是一切知识的源泉”，康德在纯粹理性批判中明确指出：一切科学知识都是由先天综合判断构成的。所谓“先天综合判断”就是既具有感觉经验的内容，同时又具有普遍必然性的知识。如 我们计算7+5=12。,数学思维在日常生活中的应用,单纯联结7和5的概念，得不出12这个结果，只有借助于直观,例如借助手指的逐一相加,然后才得出12这个概念，数学就是这样一种先天综合判断的知识。 编码的奥秘中有这样一句话：“我们之所以习惯于10进制，是因为我们正好有10个指头。”，所以，数学首先是一种直觉，然后才是

11、一种逻辑。如同小学生背九九乘法表一样，学习数学，从培养直觉开始，也就是将复杂的逻辑思维直觉化。在生活中，我们说一个人有深邃的洞察力，这往往就是“逻辑思维直觉化”的结果。7乘以9等于63，对于我们的思维来说，这并不是经过严密证明的东西（虽然我们很容易证明），而是一种本能和直觉。数学又是严密的，这种严密建立在“公理化”的基础上，以公理为基础，运用纯粹逻辑进行推理，得出正确的答案。,数学思维在日常生活中的应用,体现在生活中，就是运用常识解读社会和人生，运用常识去判断哪些是真的，哪些是假的。如梁文道所说，生平所学，仅常识而已。需要指出的，公理化在数学发展史上也曾经经历过一段非常混乱的时期，以致于莫里斯

12、?克莱因在古今数学思想中这样说：“这意味着数学不是依靠在逻辑上，而是依靠在正确的直觉上”。数学尚且如此，生活中的常识就更加混乱了，但我们可以运用数学的思想来解决这个问题，即尽可能少的运用公理（常识），但又必须建立在公理（常识）的基础上。如果说公理化是数学教给我们的第一个思想，那么“等价转换”就是数学教给我们的第二个思想。等价转化是把未知解的问题转化到在已有知识范围内的思想方法。即通过不断的转化，把不熟悉、不规范、复杂的问题转化为熟悉、规范甚至模式法、简单的问题。“解题就是把要解题转化为已经解过的题” 数学的解题过程，就是从未知向已知、从复杂到简单的化归转换过程。,数学思维在日常生活中的应用,数

13、学教给我们第三个思想，是分类讨论的思想。在高中数学中，我们经常遇到的问题是需要考虑a0、a0、a0之类情况的数学题。即将问题分类讨论。运用在生活中，就是考虑可能发生的各种不同情况，并提出具体的策略和应对方法。分类讨论能让我们更全面地考虑问题，也能让我们更好地解决问题。 数学教给我们的第四个思想，是概率的思想。概率在生活中是一种不确定性的东西，但我们都知道，概率服从大数定理与中心极限定理。说到极限，我们先说无穷小与无穷大的概念。有人说：“无穷小就是零”。即0.00000000001=0，这听起来似乎没什么错，但实际上却错得很离谱。在生活中，我们遇到问题都是在一定的范围内讨论的。比如，我们说这把尺

14、子是一米长，这是一个确定性的概念，也是一个近似的概念。,数学思维在日常生活中的应用,在实际运用中，我们会根据需要决定精确度（当然，国际上会规定一米的长度为多少，这个规定是一个确切的数）。学过计算机网络的人都知道，绝对可靠的通讯系统是不存在的，这会陷入无穷验证的困境，所以在实际应用中，人们仅仅只用了“三次握手协议”，因为这已经足够了。在现实生活中，我们可以认为，无穷小就是零，但在数学上，无穷小只能是“无限接近于零”，“一尺之锤，日取其半，万世不竭”，无穷小是一个变量而不是一个确切的数。概率在生活中无处不在，很多人都喜欢将概率看作是一种确定性的分析，但实际上，概率最重要的是对“不确定性”事件的分析

15、。我们分析任何一件事情，其结果必然是概率性的，而不可能是确定性的。但人们往往喜欢确定性的东西而不喜欢不确定性的东西。比如说，经济学上一个非常重要的常识：任何人都无法预测市场。但现实情况是：人们都喜欢预测市场。在实际生活中，对事情的分析不仅具有分析上的概率性，而且具有生活上的概率性，所以，得出的结果必然是一种“不确定性”的，变化的概率，而不是数学上的确定性概率。这种“不确定性”也表明，我们对生活具有把握生活的能力，而不是听从命运的安排。,数学思维在日常生活中的应用,即从概率上来说，由于人生会发生无数件事情，所以，上帝对于每一个人都是公平的，这种公平是通过概率实现的。学会接受不确定性的思想观念，这

16、是一种人生智慧。 逻辑与直观，分析与推理，共性与个性构成了数学。数学，作为人类思维的表达形式，反映了人们积极进取的意志、缜密周详的逻辑推理及对完美境界的追求。数学绝不仅仅是一种解决问题的工具，它更是一种思维方式，运用这种思维，你可以更轻松地思考问题，更容易看透问题，直指问题的本质所在。文理兼通，并不是简单的学习文科与理科的知识，而是学会“将文科知识理科化，将理科知识文科化”以便更透彻地看待文科与理科，实现大脑思维的飞跃！,黄金分割点及其应用,黄金分割点的定义 黄金分割点约等于0.618：1 ，是指分一线段为两部分，使得原来线段的长跟较长的那部分的比为黄金分割的点。线段上有两个这样的点。其比值是

17、一个无理数，取其前三位数字的近似值是0.618。由于按此比例设计的造型十分美丽，因此称为黄金分割，也称为中外比。这个分割点就叫做黄金分割点（golden section ratio通常用表示）这是一个十分有趣的数字，我们以0.618来近似表示，通过简单的计算就可以发现：(1-0.618)/0.618=0.6一条线段上有两个黄金分割点。 黄金分割点的由来 让我们首先从一个数列开始，它的前面几个数是：1、1、2、3、5、8、13、21、34、55、89、144.这个数列的名字叫做菲波那契数列，这些数被称为菲波那契数。特点是即除前两个数（数值为1）之外，每个数都是它前面两个数之和。,黄金分割点的由来

18、,菲波那契数列与黄金分割有什么关系呢？经研究发现，相邻两个菲波那契数的比值是随序号的增加而逐渐趋于黄金分割比的。即f(n)/f(n-1)-0.618。由于菲波那契数都是整数，两个整数相除之商是有理数，所以只是逐渐逼近黄金分割比这个无理数。但是当我们继续计算出后面更大的菲波那契数时，就会发现相邻两数之比确实是非常接近黄金分割比的。 一个很能说明问题的例子是五角星/正五边形。五角星是非常美丽的，中国的国旗上就有五颗，还有不少国家的国旗也用五角星，这是为什么？因为在五角星中可以找到的所有线段之间的长度关系都是符合黄金分割比的。正五边形对角线连满后出现的所有三角形，都是黄金分割三角形。 黄金分割在文艺

19、复兴前后，经过阿拉伯人传入欧洲，受到了欧洲人的欢迎，他们称之为金法，17世纪欧洲的一位数学家，甚至称它为各种算法中最可宝贵的算法。这种算法在印度称之为三率法或三数法则，也就是我们现在常说的比例方法。其实有关黄金分割，中国也有记载。虽然没有古希腊的早，但它是中国古代数学家独立创造的，后来传入了印度。,黄金分割点的由来,经考证欧洲的比例算法是源于我国而经过印度由阿拉伯传入欧洲的，而不是直接从古希腊传入的。因为它在造型艺术中具有美学价值，在工艺美术和日用品的长宽设计中，采用这一比值能够引起人们的美感，在实际生活中的应用也非常广泛，建筑物中某些线段的比就科学采用了黄金分割，舞台上的报幕员并不是站在舞台

20、的正中央，而是偏在台上一侧，以站在舞台长度的黄金分割点的位置最美观，声音传播的最好。就连植物界也有采用黄金分割的地方，如果从一棵嫩枝的顶端向下看，就会看到叶子是按照黄金分割的规律排列着的。在很多科学实验中，选取方案常用一种0.618法，即优选法，它可以使我们合理地安排较少的试验次数找到合理的西方和合适的工艺条件。正因为它在建筑、文艺、工农业生产和科学实验中有着广泛而重要的应用，所以人们才珍贵地称它为黄金分割。,黄金分割点的发现历史,由于公元前6世纪古希腊的毕达哥拉斯学派研究过正五边形和正十边形的作图，因此现代数学家们推断当时毕达哥拉斯学派已经触及甚至掌握了黄金分割。公元前4世纪，古希腊数学家欧

21、多克索斯第一个系统研究了这一问题，并建立起比例理论。公元前300年前后欧几里得撰写几何原本时吸收了欧多克索斯的研究成果，进一步系统论述了黄金分割，成为最早的有关黄金分割的论著。中世纪后，黄金分割被披上神秘的外衣，意大利数家帕乔利称中末比为神圣比例，并专门为此著书立说。德国天文学家开普勒称黄金分割为神圣分割。 到19世纪黄金分割这一名称才逐渐通行。黄金分割数有许多有趣的性质，人类对它的实际应用也很广泛。最著名的例子是优选学中的黄金分割法或0.618法，是由美国数学家基弗于1953年首先提出的，70年代在中国推广。,黄金分割点的应用,生活中的黄金分割：植物叶子，千姿百态，生机盎然，给大自然带来了美

22、丽的绿色世界。尽管叶子形状随种而异，但它在茎上的排列顺序(称为叶序)，却是极有规律的。你从植物茎的顶端向下看，经细心观察，发现上下层中相邻的两片叶子之间约成137.5角。如果每层叶子只画一片来代表，第一层和第二层的相邻两叶之间的角度差约是137.5，以后二到三层，三到四层，四到五层两叶之间都成这个角度数。植物学家经过计算表明：这个角度对叶子的采光、通风都是最佳的。叶子的排布，多么精巧！建筑：早在公元前五世纪，希腊建筑家就知道0.618的比值是协调，平衡的结构。文明古国埃及的金字塔，形似方锥，大小各异。但这些金字塔底面的边长与高之比都接近于0.618。,黄金分割点的应用,黄金律是建筑艺术必须遵循

23、的规律。在建筑造型上，人们在高塔的黄金分割点处建楼阁或设计平台，便能使平直单调的塔身变得丰富多彩。 希腊古城雅典有一座用大理石砌成的神庙，神庙大殿中央的女神像是用象牙和黄金雕成的。女神的体态轻柔优美，引人入胜。经专家研究发现，她的身体从脚跟到肚脐间的距离与整个身高的比值，恰好是0.618。不仅雅典娜女神身材如此美好，其他许多希腊女神的身体比例也是如此。人们所熟悉的米洛斯“维纳斯”，太阳神阿波罗的形象，海姑娘阿曼等一些名垂千古的雕像，都可以找到0.618的比值。 高雅的艺术殿堂里，自然也留下了黄金数的足迹。,黄金分割点的应用,今人惊讶的是，人体自身也和0.618密切相关。对人体解剖很有研究的意大利画家达芬奇发现，人的肚脐位于身长的0.618处。科学家们还发现，当外界环境温度为人体温度的0.618倍时，人会感到最舒服。古希腊帕提依神庙由于高和宽的比是0.618，成了举世闻名的完美建筑。建筑师们发现，按这样的比例来设计殿堂，殿堂更加雄伟、壮丽；去设计别墅，别墅将更加舒适、美丽。连一扇门窗