當文明發展到一定程度時,數字和數學必然會來到人間。
在多數人的眼中,數學便如同立于各種奇異符號、公式之上的高嶺之花,是高智商人群的思維游戲。其實,作為一種“思想的體操”,早期的數學起源于人類的日常生活中。
數學(Mathematics),來源于古希臘語μ?θημα,有學習、學問、科學之意,古希臘學者視其為哲學的起點。而在原始社會時期,數學最簡單的形式——計數和簡單的算術,在有文字記載以前就發展起來了。
大約在300萬年前,處于原始社會的人類就用在繩子上打結的方法來計數,并以繩結的大小來表示野獸的數量,數的概念就是這樣逐漸發展起來的。
奇普,印加帝國時所使用的計數工具
到了一萬二千年前,兩河流域出現了農業、畜牧業,人們開始定居。自然而然,在生產實踐中對數學的需求越來越多。在公元前3200年的埃及第一王朝,以及公元前3000年的古巴比倫王國時期,人類便有了對數的記錄。古埃及人在石板上雕刻象形文字,而巴比倫人則是用蘆葦在尚未干透的泥板上戳刻楔形文字。它們兩者的數學既有不少相同之處,又有各自的特點:埃及注重實用,而兩河流域的數學難度更大、理論水平更高。想要了解數學的起源,我們先把目光投向古埃及。
歷史上的埃及農業發達,農產品豐饒
那時,尼羅河下游每年定期發大水,洪水沖刷帶來了淤泥和肥料。這些泛濫平原,是埃及最肥沃的土地,埃及人在這里播種,然后無需更多管理,就能靜待收獲。然而,大自然的恩賜也帶來了一個小小的問題,即一到汛期土地必被淹沒。當時古埃及的農業制度,是國王分配同樣大小的正方形土地給每一個人,耕種的人每年提取收獲的一部分交租。如果洪水沖垮了他們所耕種的土地,他們報告給國王,國王就會派人前來調查并將損失的那一部分測量出來,這樣,他們就可以相應地少交一些租。
修建金字塔
此外,法老大興土木修建金字塔,但埃及人在建造金字塔時,必須計算土方和需要的石塊數量,以及計劃相應的運輸,這些都需要數學的支撐。
于是,在不斷的生產實踐中,埃及人逐漸有了對面積和體積的“定義”,并創造了乘與除的“算法”和如何求解“方程”。甚至在對土地的測量中,最終產生了幾何學。以數字為例:
各種語言中都有表示“數”的文字,比如“百”“千”等數量詞,而“五百七十”則清楚表示了數的大小,但這種僅是文字而不是數字。數字是用于表示數目大小的“專用符號”,要能參與運算,而5000年前的埃及數字還非常原始。
在埃及,數字“1”的表示就是一豎,數的寫法本身也是加法,從而相加相減無師自通。但這種數字是“自然十進制”,它就好比人有十個手指,每次用手數到十后就數不下去了,只有做個記號才能繼續數,這里做個記號實際上是“進位”。顯然“自然十進制”與我們今天使用的、含有“0”和“位數”的十進制有本質區別。
古埃及數字
數字的出現不僅因為記錄的需要,更是為了方便計算。那時,在埃及的數學運算過程中,就誕生了加減乘除和開根號。乘法是加法的自然延伸,除法出自減法,除法中出現了除不盡的情況,所以埃及人又發明了分數。至今發現的埃及莎草紙文書中,就含有大量的數學內容。
而居住在古巴比倫的蘇美爾人在數學上也很有建樹,不僅掌握了分數、加減乘除四則運算的方法,還知道如何解一元二次方程。當然,還有兩項最重要的發明不能不提及:一項是十進位法及十六進位法,另一項就是計算出了π的值近似3。
但遺憾的是,4000年前古埃及和古巴比倫數學主要是解決生產勞動中出現的具體問題,還沒有“理論”。英語“GEOMETRY(幾何)”出自希臘語,意思是土地測量。在公元前7世紀,希臘人全盤繼承了埃及和兩河流域的數學、幾何知識,并將數學發展成為一門科學。圍繞著數學,他們形成了幾個著名的學派:畢達哥拉斯學派、伊奧尼亞學派、智者學派、柏拉圖學派及其他學術中心。
畢達哥拉斯雕像,現藏羅馬卡比托利歐博物館
畢達哥拉斯學派企圖用數來解釋一切,他們以發現勾股定理聞名于世,又由此導致不可通約量的發現。這個學派還有一個特點,就是將算術和幾何緊密聯系起來。此外,他們還發現了五種正多面體。在天文方面,首創地圓說,認為日、月、五星都是球體,浮懸在太空中。
伊奧尼亞學派則致力于將數學和宗教聯系起來,想通過數學去探索永恒的真理。
智者學派以教授文法、邏輯、數學、天文、修辭、雄辯等科目為業。這個學派的安提豐提出用“窮竭法”去解決化圓為方的問題,是近代極限理論的雛形。
而柏拉圖學派主張通過幾何的學習培養邏輯思維能力,將抽象的邏輯規律體現在具體的圖形之中。如歐多克索斯創立了比例論,是歐幾里得的先驅,亞里士多德也是形式邏輯的奠基者。
古希臘數學家歐幾里得,此畫為拉斐爾的作品《雅典學院》
到公元前3世紀,歐幾里得《幾何原本》問世,人類科學史上第一部里程碑式的巨作終于大功告成。毫無疑問,歐幾里得是站在了巨人的肩膀上。
數學是一門嚴謹、邏輯性很強的科學,它不僅是學習和研究現代科學必不可少的基本工具,還是推動人類社會發展以及科學技術進步的重要因素之一。
古希臘文明毀滅后,阿拉伯人將他們的文化保存下來并加以發展,后來又傳回歐洲,數學重新得到繁榮,并最終導致了近代數學的創立;
到了19世紀,純數學從自然觀察所要求的局限中解放出來,被應用到工業、航天等領域,發揮著至關重要的作用,幾次工業革命的背后都離不開數學等基礎科學的理論支撐;
現在,數學發展成多個分支,它們使用在工程、醫學、經濟學和金融學等不同領域中,不斷激起新的數學發現,并導致全新學科的誕生。
就縱度而言,數學在各自領域上的探索還將繼續深入……
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