數學發展的時期

2022-12-13 08:03:05 字數 4596 閱讀 2356

在人類的知識寶庫中有三大類科學,即自然科學、社會科學、認識和思維的科學。自然科學又分為數學、物理學、化學、天文學、地理學、生物學、工程學、農學、醫學等學科。數學是自然科學的一種,是其它科學的基礎和工具。

在世界上的幾百卷百科全書中,它通常都是處於第一卷的地位。

從本質上看,數學是研究現實世界的數量關係與空間形式的科學。或簡單講,數學是研究數與形的科學。對這裡的數與形應作廣義的理解,它們隨著數學的發展,而不斷取得新的內容,不斷擴大著內涵。

數學**於人類的生產實踐活動,即**於原始人捕獲獵物和分配獵物、丈量土地和測量容積、計算時間和製造器皿等實踐,並隨著人類社會生產力的發展而發展。對於非數學專業的人們來講,可以從三個大的發展時期來大致了解數學的發展。

一、初等數學時期

初等數學時期是指從原始人時代到17世紀中葉,這期間數學研究的主要物件是常數、常量和不變的圖形。

在這一時期,數學經過漫長時間的萌芽階段,在生產的基礎上積累了豐富的有關數和形的感性知識。到了西元前六世紀,希臘幾何學的出現成為第乙個轉折點,數學從此由具體的、實驗的階段,過渡到抽象的、理論的階段,開始創立初等數學。此後又經過不斷的發展和交流,最後形成了幾何、算術、代數、三角等獨立學科。

這一時期的成果可以用「初等數學」(即常量數學)來概括,它大致相當於現在中小學數學課的主要內容。

世界上最古老的幾個國家都位於大河流域:黃河流域的中國;尼羅河下游的埃及;幼發拉底河與底格里斯河的巴比倫國;印度河與恆河的印度。這些國家都是在農業的基礎上發展起來的,從事耕作的人們日出而作、日落而息,因此他們就必須掌握四季氣候變遷的規律。

游牧民族的遷徙,也要辨清方向:白天以太陽為指南,晚上以星月為嚮導。因此,在世界各民族文化發展的過程中,天文學總是發展較早的科學,而天文學又推動了數學的發展。

隨著生產實踐的需要,大約在西元前2023年左右,在四大文明古國—巴比倫、埃及、中國、印度出現了萌芽數學。

現在對於古巴比倫數學的了解主要是根據巴比倫泥版,這些泥版是在膠泥還軟的時候刻上字,然後曬乾製成的(早期是一種斷面呈三角形的「筆」在泥版上按不同方向刻出楔形刻痕,叫楔形文字)。

已經發現的泥版上面載有數字表(約200件)和一批數學問題(約100件),大致可以分為三組。第一組大約創制於西元前2023年,第二組大約從西元前2023年到西元前2023年,第三組大約從西元前600年到公元300年。

這些數學泥版表明,巴比倫自西元前2023年左右即開始使用60進製的記數法進行較複雜的計算了,並出現了60進製的分數,用與整數同樣的法則進行計算;已經有了關於倒數、乘法、平方、立方、平方根、立方根的數表;借助於倒數表,除法常轉化為乘法進行計算。西元前300年左右,已得到60進製的達17位的大數;一些應用問題的解法,表明已具有解一次、二次(個別甚至有三次、四次)數字方程的經驗公式;會計算簡單直邊形的面積和簡單立體的體積,並且可能知道勾股定理的一般形式。巴比倫人對於天文、曆法很有研究,因而算術和代數比較發達。

巴比倫數學具有算術和代數的特徵,幾何只是表達代數問題的一種方法。這時還沒有產生數學的理論。

對埃及古代數學的了解,主要是根據兩卷紙草書。紙草是尼羅河下游的一種植物,把它的莖製成薄片壓平後,用「墨水」寫上文字(最早的是象形文本)。同時把許多張紙草紙粘在一起連成長幅,卷在杆幹上,形成卷軸。

已經發現的一捲約寫於西元前2023年,包含25個問題(叫「莫斯科紙草文書」,現存莫斯科);另一捲約寫於西元前2023年,包含85個問題(叫「萊因德紙草文書」,是英國人萊因德於2023年發現的)。

從這兩卷文獻中可以看到,古埃及是採用10進製的記數法,但不是位值制,而是所謂的「累積法」。正整數運算基於加法,乘法是通過屢次相加的方法運算的。除了幾個特殊分數之外,所有分數均極化為分子是一的「單位分數」之和,分數的運算獨特而又複雜。

許多問題是求解未知數,而且多數是相當於現在一元一次方程的應用題。利用了三邊比為3:4:

5的三角形測量直角。

埃及人的數學興趣是測量土地,幾何問題多是講度量法的,涉及到田地的面積、穀倉的容積和有關金字塔的簡易計算法。但是由於這些計算法是為了解決尼羅河氾濫後土地測量和穀物分配、容量計算等日常生活中必須解決的課題而設想出來的,因此並沒有出現對公式、定理、證明加以理論推導的傾向。埃及數學的乙個主要用途是天文研究,也在研究天文中得到了發展。

中國古代數學將在後面的作專門介紹。印度在7世紀以前缺乏可靠的數學史料,在此略去不論。總的說來,萌芽階段是數學發展過程的漸變階段,積累了最初的、零碎的數學知識。

由於地理位置和自然條件,古希臘受到埃及、巴比倫這些文明古國的許多影響,成為歐洲最先創造文明的地區。在西元前775年左右,希臘人把他們用過的各種象形文本書寫系統改換成腓尼基人的拼音字母後,文字變得容易掌握,書寫也簡便多了。因此希臘人更有能力來記載他們的歷史和思想,發展他們的文化了。

古代西方世界的各條知識支流在希臘匯合起來,經過古希臘哲學家和數學家的過濾和澄清,形成了長達千年的燦爛的古希臘文化。從西元前6世紀到公元4世紀,古希臘成了數學發展的中心。

希臘數學大體可以分為兩個時期。

第乙個時期開始於西元前6世紀,結束於西元前4世紀,通稱為古典時期。泰勒斯開始了命題的邏輯證明;畢達哥拉斯學派對比例論、數論等所謂「幾何化代數」作了研究,據說非通約量也是由這個學派發現的。進入西元前5世紀,愛利亞學派的芝諾提出了四個關於運動的悖論;研究「圓化方」的希波克拉茨開始編輯《原本》。

從此,有許多學者研究「三大問題」,有的試圖用「窮竭法」去解決化圓為方的問題。柏拉圖強調幾何對培養邏輯思維能力的重要作用;亞里斯多德建立了形式邏輯,並且把它作為證明的工具;德謨克利特把幾何量看成是由許多不可再分的原子所構成。

西元前四世紀,泰埃特托斯研究了無理量理論和正多面體理論,歐多克斯完成了適用於各種量的一般比例論……。「證明數學」的形成是這一時期希臘數學的重要內容。但遺憾的是這一時期並沒有留下較為完整的數學書稿。

第二個時期自西元前4世紀末至公元1世紀,這時的學術中心從雅典轉移到了亞歷山卓里亞,因此被稱為亞歷山卓里亞時期。這一時期有許多水平很高的數學書稿問世,並一直流傳到了現在。

西元前3世紀,歐幾里得寫出了平面幾何、比例論、數論、無理量論、立體幾何的集大成的著作《幾何原本》,第一次把幾何學建立在演繹體系上,成為數學史乃至思想史上一部劃時代的名著。遺憾的是,人們對歐幾里得的生活和性格知道得很少,甚至連他的生卒年月和地點都不清楚。估計他大約生於西元前330年,很可能在雅典的柏拉圖學園受過數學訓練,後來成為亞歷山卓里亞大學(約建成於西元前300年)的數學教授和亞歷山卓數學學派的奠基人。

之後的阿基公尺德把抽象的數學理論和具體的工程技術結合起來,根據力學原理去探求幾何圖形的面積和體積,第乙個播下了積分學的種子。阿波羅尼寫出了《圓錐曲線》一書,成為後來研究這一問題的基礎。公元一世紀的赫倫寫出了使用具體數解釋求積法的《測量術》等著作。

二世紀的托勒密完成了到那時為止的數理天文學的集大成著作《數學彙編》,結合天文學研究三角學。三世紀丟番圖著《算術》,使用簡略號求解不定方程式等問題,它對數學發展的影響僅次於《幾何原本》。希臘數學中最突出的三大成就——歐幾里得的幾何學,阿基公尺德的窮竭法和阿波羅尼的圓錐曲線論,標誌著當時數學的主體部分——算術、代數、幾何基本上已經建立起來了。

羅馬人征服了希臘也摧毀了希臘的文化。西元前47年,羅馬人焚毀了亞歷山卓里亞圖書館,兩個半世紀以來收集的藏書和50萬份手稿競付之一炬。**教徒又焚毀了塞勞畢斯神廟,大約30萬種手稿被焚。

公元640年,回教徒征服埃及,殘留的書籍被阿拉伯征服者歐默下令焚毀。由於外族入侵和古希臘後期數學本身缺少活力,希臘數學衰落了。

從5世紀到15世紀,數學發展的中心轉移到了東方的印度、中亞細亞、阿拉伯國家和中國。在這1000多年時間裡,數學主要是由於計算的需要,特別是由於天文學的需要而得到迅速發展。和以前的希臘數學家大多數是哲學家不同,東方的數學家大多數是天文學家。

從公元6世紀到17世紀初,初等數學在各個地區之間交流,並且取得了重大進展。

古希臘的數學看重抽象、邏輯和理論,強調數學是認識自然的工具,重點是幾何;而古代中國和印度的數學看重具體、經驗和應用,強調數學是支配自然的工具,重點是算術和代數。大約在西元前2023年,印度的數學家戈涅西已經知道:圓的面積等於以它的半周長為底,以它的半徑為高的矩形的而積。

印度早期的一些數學成就是與宗教教儀一同流傳下來的,這包括勾股定理和用單位分數表示某些近似值(公元的6世紀)。西元前500年左右,波斯王征服了印度一部分土地,後來的印度數學就受到了外國的影響。數學作為一門學科確立和發展起來,還是在作為吠陀輔學的曆法學受到天文學的影響之後的事。

印度數學受婆羅門教的影響很大,此外還受希臘、中國和近東數學的影響,特別是受中國的影響。

印度數學的全盛時期是在公元五至十二世紀之間。在現有的文獻中,499年阿耶波多著的天文書《聖使策》的第二章,已開始把數學作為乙個學科體系來討論。628年婆羅門這多(梵藏)著《梵圖滿手冊》,講解對模式化問題的解法,由基本演算和實用演算法組成;講解正負數、零和方程解法,由一元一次方程、一元二次方程、多元一次方程等組成。

已經有了相當於未知數符號的概念,能使用文字進行代數運算。這些都匯集在婆什迦羅2023年的著作中,後來沒有很大發展。

印度數學文獻是用極簡潔的韻文書寫的,往往只有計算步驟而沒有證明。印度數學書中用10進製記數法進行計算;在天文學書中不用希臘人的「弦」,而向相當於三角函式的方向發展。這兩者都隨著天文學一起傳入了阿拉伯世界,而現行的「阿拉伯數碼」就源於印度,應當稱為「印度—阿拉伯數碼」。

阿拉伯人的祖先是住在現今阿拉伯半島的游牧民族。他們在穆罕默德的領導下統一起來,並在他死(632年)後不到半個世紀內征服了從印度到西班牙的大片土地,包括北部非洲和南義大利。阿拉伯文明在2023年前後達到頂點,在2023年到2023年間,東部阿拉伯世界先被**教十字軍打擊削弱,後來又遭到了蒙古人的蹂躪。

2023年西部阿拉伯世界被**教教徒征服,阿拉伯文明被推毀殆盡。

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