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趣談數學符號發展史

來源:網絡 2009-04-07 11:36:30

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  數學是上帝用來書寫宇宙的文字—伽利略

  符號常常比發明它們的數學家更能推廣。—F·克萊茵

  教學也是一種語言,且是現存的結構與內容方面最完美的語言。……可以說,自然用這個語言講話超世主已用它說過話,而世界的保護者繼續用它講話。—C·戴爾曼

  人總想給客觀事物賦于某種意義和價值,利用符號認識新事物,研究新問題,從而使客觀世界秩序化,這便創造了科學、文化、藝術、……

  符號就是某種事物的代號,人們總是探索用簡單的記號去表現復雜的事物,符號也正是這樣產生的。

  文字是用聲音和形象表達事物的符號,一個語種就是一個“符號系統”。這些符號的組合便是語言。

  人們試圖用“精密”的方法研究藝術,這在很大程度上依靠符號,“藝術符號學”這門新興學科應運而生了,它是美學的一個部分。

  1961年,蘇聯數學家科爾莫哥洛夫把統計學分析應用到詩歌語言研究中,把語言中的轉換和其他符號學系統中的轉換相比較,論述了符號學的一般意義。

  符號對于數學的發展來講更是極為重要的,它可使人們擺脫數學自身的抽象與約束,集中精力于主要環節,這在事實上增加了人們的思維能力。沒有符號去表示數及其運算,數學的發展是不可想象的。數是科學的語言,符號則是記錄、表達這些語言的文字。正如沒有文字,語言也難以發展一樣。幾乎每一個數學分支都是靠一種符號語言而生存,數學符號是貫穿于數學全部的支柱。

  古代數學的漫長歷程、今日數學的飛速發展;十七、十八世紀歐洲數學的興起、我國幾千年數學發展進程的緩慢,這些在某種程度上也都歸咎于數學符號的運用得當與否,簡練、方便的數學符號對于書寫、運算、推理來講,都是何等方便!反之,沒有符號或符號不恰當、不簡練,是必影響到數學的推理和演算。

  然而,數學符號的產生(發明)、使用和流傳(傳播)卻經歷了一個十分漫長的過程。這個過程的始終貫穿著自然、和諧與美。

  古埃及和我國一樣,是世界上四大文明古國之一。早在四千多年以前,埃及人已懂得了數學,在數的計算方面還會使用分數,不過他們是用“單位分數”(分子是1的分數)進行運算的。此外,他們還能計算直線形和圓的面積,他們知道了圓周率約為3.16,同時也懂得了棱臺和球的體積計算等。可是記數他們卻是用下面的符號(這里面多是寫真,顯然包含著美)進行的:

  1101001000100001000001000000這樣書寫和運算起來都不方便,比如要寫數2314,就要用符號表示。

  后來他們把符號作了簡化而成為:

  古代巴比倫人(巴比倫即當今希臘一帶地方)計算使用的是六十進制,當然它也有其優點,因為60有約數2、3、4、5、6、10、12、15、30、60等,這樣在計算分數時會帶來某種方便(現在時間上的小時、分、秒制及角的度制,仍是六十進制)。巴比倫人已經研究了二次方程和某些三次方程的解法。他們在公元前2000年就開始將楔形線條組成的符號(稱為楔形文字)刻在泥板上,然后放到烈日下曬干。同樣他們也是用楔形文字表示數的(簡潔、粗獷):

  我國在紙張沒有發明以前,已經開始用“算籌”進行記數和運算了。“算籌”是指用來計算用的小竹棍(或木、骨棍),這也是世界上最早的計算工具。用“算籌”表示數的方法是:

  記數時個位用縱式,其余位縱橫相間,故有“一縱十橫,百立千僵”之說。數字中有0時,將其位置空出,比如86021可表示為:

  甲骨文字中數字是用下面符號表示的(形象、自如):

  阿位伯數字未流行以前,我國商業上還通用所謂“蘇州碼”的記數方法(方便、明快):

  它在計數和運算上已帶來較大方便。

  在計數上歐洲人開始使用的是羅馬數字:阿拉伯數字據說是印度人發明的,后傳入阿拉伯國家,經阿拉伯人改進、使用,因其簡便性而傳遍整個世界,成為通用的記數符號。

  我們再來看看代數學的重要內容:“方程”符號產生的歷史。

  在埃及出土的三千六百年前的萊因特紙草上有下面一串符號:

  它既不是什么繪畫藝術,也不是什么裝飾圖案,它表達的卻是一個代數方程式,用今天的符號表示即:宋、元時期我國也開始了相當于現在“方程論”的研究,當時記數仍使用的是“算籌”,在那時出現的數學著作中,就是用右圖中的記號來表示二次三項式412x2-x+136的。其中x系數旁邊注以“元”字,常數項注以“太”字,籌上畫斜線表示“負數”。

  到了十六世紀,數學家卡當、韋達等人對方程符號有了改進

  直到笛卡兒(法國數學家)才第一個倡用x、y、z表示未知數,他曾用xxx-9xxx+26x-24∝0

  表示

  x3-9x2+26x-24=0,

  這與現在的方程寫法幾乎一致。

  我們還想指出一點:數及其運算只有用符號去表示,才能更加確切和明了。隨著數學的發展,隨著人們對于數認識的加深,用原有符號去表示新的概念,有時竟會感到無能為力(沒有根號如何表示某些無理數?),這需要創新。

  圓周率(圓的周長與直徑的比)是一個常數,1737年Euler首先倡導用希文π來表示它(早在1600年英國數學家W.Oughtred曾用π作為圓周長的符號),且通用于全世界。

  用e表示特殊的無理常數(也是超越數)——歐拉常數:

  的也是Euler。我們知道要具體寫出圓周率或歐拉常數根本不可能(它們

  ,然而用數學符號卻可精確地表示它們。

  年首創的(這也使我們想到:歐拉的成就與他對數學符號的創造不無關系)。

  (那么奇妙的等式eiπ+1=0(①在這里若1、0代表算術,i代表代數,π代表幾何,超越數e則代表分析學。那么此式將許多數學分支融合到了一起。)中的五個數中的三個書寫符號都是出自數學大師Euler之手!)

  代數學就其某種意義上說是符號形式的運算。關于方程式符號的演變,我們在前面已經闡述,關于其他一些數學符號的產生可見下表:

  當然數學中還有許多符號,這些符號均有其獨特含義,使用它們不僅方便而且簡潔,比如“!”號表示階乘,那么

  n!=n×(n-1)×…×2×1,

  這種符號的進一步使用與推廣便是“∏”:

  與之相應的還有求和號“∑”含義是:

  有趣的是求和概念的推廣—函數求積中積分符號“∫”似乎是“∑”號的拉伸人們也意識到:只有使用不曾為那些含糊觀念(如時間、空間、連續性等)所侵占了的符號語言——這些含糊觀念起源于直覺,常會妨礙純粹的推理——我們才有希望把數學建筑在邏輯的穩固基石上。

  數學符號除了簡潔之外,還有另外的意義:形象美。

  哈密頓算子是一種重要的微分算子:

  由它作為工具,可導出一系列美妙的結論:

  gradu)

  這是一個代表u在空間中最大變化率的大小和方向(它是一個向量)的符號。

  當它作用于向量場函數:

  v=v1i+v2j+u3k(vi是x、y、z的函數)

  這是一個“四元數”,其數量部分稱為v的散度(記為divv),向量部分稱為v的旋度(記為rotv)。

  若用哈密頓算子,v的散度、旋度又分別可表示為:

  十九世紀末,麥克斯韋的電磁學方程組,其微分形式就是用哈密頓算子表示的,其簡潔與美妙自不待言。

  拉普拉斯方程

  若用哈密頓算子表示,也是十分漂亮、利落:

  由上看來,數學符號對于表現數學的簡潔性,是何等重要!這就是說:數學符號簡化了復雜的數學理論,且通過它可把遠離的數學理論巧妙地聯系起來。

  若說+、-、×、÷、……等在數學上不過是一個符號,那么行列式和矩陣記號的出現,則是數學語言上的大膽創新,它的絕妙處已為它在現代數學發展中的作用所顯示。

  行列式概念源于Cauchy,他是在討論二次型ax2+2bxy+cy2的判別式時而引入的。Lagrange也討論過某些三階行列式。

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