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第2章 数学故事总动员(2)

希帕蒂娅出生在埃及有名的亚历山大里亚城。这里是古希腊的文化中心,世界知名的地方。亚历山大里亚城有一座博学园,博学园里有图书馆和研究院。当时,许多著名学者都曾来过这里。希帕蒂娅的父亲西翁就在研究院里工作,后来成为研究院的院长。西翁是一位著名学者,从事数学研究,并担任数学教学工作。希帕蒂娅成长在文化素质很高的家庭里,受到了良好的启蒙教育。

希帕蒂娅从小聪明伶俐,受到家人的喜爱,尤其是父亲。父亲决心把女儿培养成有智慧、有才能的人。父亲重视希帕蒂娅各方面能力的培养,特别重视数学的启发。在希帕蒂娅十岁时,她已经掌握了丰富的数学知识,并能运用所学数学原理解决简单的数学问题。这种活学活用的数学能力与父亲的有意培养是分不开的。有一次,父亲带着希帕蒂娅来到博学园里散步。他让希帕蒂娅注意观察两个人的影子,启发她用影子来测量建筑物的高度。父亲还说:“过两天我们去测量金字塔的高度。”这个有趣的问题吸引了希帕蒂娅,她苦思冥想,连吃饭、走路都在思考。

两天很快就过去了,可是这个问题对希帕蒂娅来说难度很大,她没有想出好的办法。在去往金字塔的路上,希帕蒂娅不停地思考着。父亲以为希帕蒂娅被这个问题困扰以至于很不开心。于是,他转移女儿的注意力,一路谈笑来到了金字塔面前。这时已经是黄昏了,夕阳斜照,把他们的影子拖得长长的。希帕蒂娅看见自己的身影和父亲的身影重合在一起,立刻,希帕蒂娅想起了曾学过的相似三角形对应边成比例的定理。希帕蒂娅把这个想法告诉父亲,父亲听后很欣慰。希帕蒂娅看到父亲的表情,知道自己是正确的,她蹦蹦跳跳地向金字塔跑去。

希帕蒂娅的兴趣广泛,她不仅阅读数学名著,还阅读了不少哲学著作,培养了思辨的能力。此外父亲还训练她的雄辩能力。17岁时,她参加了博学园举办的学术辩论会。她的演讲十分精彩,赢得了人们的赞扬,也引起了人们的注意。

随着对科学知识的不断深入学习,希帕蒂娅认识到宗教的理义是不科学的,经不起推敲。她划清了宗教和真理的界线,下决心要学习真理,学习科学知识,摒弃宗教传扬的谬论。

19岁时,希帕蒂娅到雅典求学,那时她已经成为受人尊敬的学者,拜访她的人络绎不绝。后来希帕蒂娅回到博学园任教,讲授数学和哲学。希帕蒂娅的学识和才能赢得了人们的好评。她不仅从事教育工作,还从事数学和其他学科的研究,有观天仪、流体密度器、压力器等发明创造。她对科学的研究,对真理的追求十分痴迷。她不信迷信,不信基督教。她在课堂上宣传科学知识,揭露宗教的欺骗性,这些引起了基督教人士的恐慌。他们视希帕蒂娅为眼中钉,扬言要除掉她。

就在希帕蒂娅经过教堂时,一群歹徒把她拖进教堂,对她施行了惨无人道的虐待,用锋利的蚝壳一片一片割下她的肌肉,最后把她投进燃烧的烈火中。希帕蒂娅悲壮地离开人世,她为真理战斗到最后一刻,谱写了数学史上最悲伤的赞歌。

希帕蒂娅是一位勇敢的女性,她用鲜血捍卫科学和真理;希帕蒂娅也是一位杰出的数学家,她用勤奋和智慧谱写了美丽的乐章。

祖冲之的科学成就

祖冲之,祖籍现今河北省涞源县,南北朝时期一位杰出的科学家。他不仅是一位数学家,同时还通晓天文历法、机械制造、音乐等领域,并且是一位天文学家。

祖冲之在数学上的最杰出成就,是关于圆周率的计算。秦汉以前,人们以“径一周三”作为圆周率,这就是“古率”。后来发现古率误差太大,圆周率应是“圆径一而周三有余”,不过究竟余多少,意见不一。直到三国时期,刘徽提出了计算圆周率的科学方法——“割圆术”,用圆内接正多边形的周长来逼近圆周长。刘徽计算到圆内接96边形,求得π=3.14,并指出,内接正多边形的边数越多,所求得的π值越精确。

祖冲之在前人成就的基础上,经过刻苦钻研,反复演算,求出π在3.1415926与3.1415927之间。并得出了π分数形式的近似值,其中取六位小数是3.141929,它是分子分母在1000以内最接近π值的分数。但人们还无从考察祖冲之究竟用什么方法得出这一结果。若设想他按刘徽的“割圆术”方法去求的话,就要计算到圆内接16384边形,这需要花费多少时间和付出多么巨大的劳动啊!由此可见他在治学上的顽强毅力和聪敏才智是令人钦佩的。祖冲之计算得出的密率,外国数学家在一千多年以后才获得同样结果。为了纪念祖冲之的杰出贡献,有些外国数学史家建议把π叫做“祖率”。

祖冲之的祖父名叫祖昌,在宋朝做了一个管理朝廷建筑的长官。祖冲之在这样的家庭环境中成长,从小就读了不少书,大家都称赞他是个博学的青年。他的爱好是数学和天文历法,他经常观测太阳和星球运行的情况,并且做了详细记录。

祖冲之的名气传到了宋孝武帝那里,于是宋孝武帝派他到一个专门研究学术的官署“华林学省”工作。祖冲之虽然对做官没有兴趣,但是在那里,他可以更加专心研究数学、天文,所以他留在了那里。

我国历代都有研究天文的官,并且根据研究天文的结果来制定历法。到了宋朝的时候,历法已经有很大进步,但是祖冲之认为还不够精确。他根据长期观察的结果,创制出一部新的历法,叫做“大明历”(“大明”是宋孝武帝的年号)。这种历法测定的每一回归年(也就是两年冬至点之间的时间)的天数,跟现代科学测定的相差只有五十秒;测定月亮环行一周的天数,跟现代科学测定的相差不到一秒,可见它的精确程度了。

祖冲之请求宋孝武帝颁布新历,孝武帝召集大臣商议。那时候,有一个皇帝宠幸的大臣戴法兴出来反对,他指责祖冲之擅自改变古历是离经叛道的行为。

祖冲之当场用他研究的数据回驳了戴法兴。但戴法兴依然蛮横地说:“历法是古人制定的,后代的人不应该改动。”祖冲之不惧怕戴法兴,他严肃地说:“你如果有事实根据,就只管拿出来辩论,不要拿空话吓唬人。”宋孝武帝想帮助戴法兴,就找了一些懂得历法的人跟祖冲之辩论,却全被祖冲之驳倒了,但是宋孝武帝还是不肯颁布新历。直到祖冲之死了十年之后,他创制的大明历才得到推行。

祖冲之更大的成就是在数学方面。他曾经对古代数学著作《九章算术》作了注释,又编写了一本《缀术》。他的最杰出贡献是求得相当精确的圆周率。经过长期的艰苦研究,他精确了圆周率,成为世界上最早把圆周率数值推算到七位数字以上的科学家。

祖冲之在科学发明上是个多面手,他造过一种指南车,随便车子怎样转弯,车上的铜人总是指着南方;他又造过“千里船”,在新亭江(在今南京市西南)上试航过,一天可以航行一百多里。他还利用水力转动石磨,舂米碾谷子,叫做“水碓磨”。

祖冲之还与他的儿子祖暅(也是我国著名的数学家)一起,用巧妙的方法解决了球体体积的计算。他们当时采用的一条原理是:“幂势既同,则积不容异。”也就是说位于两平行平面之间的两个立体,被任一平行于这两平面的平面所截,如果两个截面的面积恒相等,则这两个立体的体积相等。这一原理,在西方被称为卡瓦列利原理,但这是在祖氏以后一千多年才由卡氏发现的。为了纪念祖氏父子发现这一原理的重大贡献,大家也称这原理为“祖暅原理”。

祖冲之不愧为我国古代数学界的鼻祖,他为中国乃至世界的数学发展作出了不可磨灭的贡献。

祖冲之是一位勇敢的科学家,为了真理,他敢于向传统挑战,敢于向权势挑战,他无畏的精神以及在数学史上划时代的贡献都令我们称赞。

中国古代数学家——李治

李治,原名李治,字仁卿,号敬斋,我国金元时期杰出的数学家,真定栾城人(今河北省石家庄市)。李治生活在宋元交替的时代,金代时曾经做过官,担任河南省地方知事,时间辗转到了元朝,他便隐居治学,元世祖忽必烈曾经聘他为翰林学士,可是为官仅一年便辞了官回乡,继续他的讲学之路,直至辞世。

晚年的李治回到了离河北省石家庄市不远的元氏县封龙山的老家,一面讲学以维持生计,一面刻苦钻研天元术。经过他坚持不懈地努力,终于在1248年完成了他的《测圆海镜》12卷,这是世界上的第一本专著。

李治和秦九韶、杨辉、朱世杰是有名的宋元四大数学家,和其他三位数学家一样,李治也有许多著名的著作问世,除了著有《测圆海镜》外,李治还著有《益古演段》3卷(1259年)、《泛说》40卷、《敬斋古今》40卷、《壁书丛削》12卷,书中都记载了很多具有世界影响力的理论。

李治在数学上最大的成就就是成功地改进和总结了天元术。天元术是我国古代的数学,古代传统的半符号代数学。李治的天元术与现代代数中的列方程法相类似,它是立天元一为某某,这就是设未知数X,然后依据题设条件列出两个相等的天元式(含未知数的多项式),再把这两个天元式相减,就得到一个天元开方式,最后利用增乘开方法求这个方程的正根。

李治建立的天元术其实比韦达提出的用字母代替文字还要早。

以前,人们的代数学符号都是文字,运用起来非常烦琐,直到16世纪,数学史上伟大的数学家韦达提出用字母来代替文字,人们才开始了对代数符号的改革,韦达也由此被称为“代数学之父”。但是,李治提出使用数学符号要比韦达早三百多年,李治建立的半数学符号数学就是天元术,《测圆海镜》和《益古演段》就是主要讲述天元术的。李治在研究天元术的时候还创造了世界上最先进的小数计法,这不仅比比利时的斯台文的创造早了三百多年,而且要比他的计法先进。

李治一生命运多舛。他的理论在宋朝的时候经常被文人讥讽,他们嘲笑李治是“九九贱技”,但李治以他扎实的理论依据和学术成就对这些攻击给以坚决地回击。蒙古军入侵中原时,烽火连年,民不聊生,李治曾经被蒙古军队所俘。后又过了十九年逃亡流浪、颠沛流离的生活。

李治的天元术对中国数学特别是代数学是一个创造性的贡献,李治一系列的学术成就在当时都是世界上最先进的理论学说。甚至连韦达、斯台文、笛卡儿也要“稍逊风骚”,确实令华夏子孙骄傲,值得后人大加颂扬。

古语有言:“人生不如意事十之八九”,尽管李治一生颠沛流离,但是他并没有因此而放弃自己的理想,他具备超常的勇气和毅力。

精通医学的数学家——卡当

卡当,意大利著名数学家。他生活的时代正是文艺复兴时期,卡当也是一位典型的人文主义者。他非常关注希腊和罗马的文化,除了数学之外,他还收集、组织、研究、评论希腊和罗马的文化成果,有着广泛的兴趣爱好。

卡当出生在意大利的帕维亚。童年对他来说有许多痛苦的回忆。他的家境贫寒,这多少影响了他的性格。他个性孤僻却自负、缺乏幽默感、不能自我反省,而且他常常在言谈中表现得冷漠无情。但是,这些都不能掩盖他的聪明才智,他对很多领域的知识都表现出极大的兴趣。

卡当是从帕维亚大学医学院毕业的,也许对于他来说,生存是首先要考虑的。当时,医生是一个更容易谋生的职业。后来,卡当在波隆纳和米兰行医并教授他人医术,成为全欧有名的医生。这期间,卡当并没有放弃数学,他也受聘于意大利的多所大学,从事数学讲座的工作。

那个时期,宗教的权利仍然很大,为了维护自己的利益,他们对异教徒进行残酷的镇压。卡当作为文艺复兴的积极分子,他很反对天主教的统治。有一次,卡当因气愤而丢掷了耶稣的天宫图,他因此被捕入狱。正在人们为他的生死担心时,奇怪的事发生了。大主教不但没有加害他,反而聘用他为占星术士。原来,卡当的知识十分丰富,涉猎广泛。他不仅精通医学、数学,还了解天文学、占星学、物理学。他的著作也涉及这些内容,他将古世纪、中世纪以及当代所能搜集到的数学知识编成百科全书的形式。

不久,他的著作《大术》出版。这本著作第一次使用代数符号的雏形,在代数学上有相当重要的地位。卡当在代数学上的另一个贡献,是引入了虚数,并接受虚数是方程式的根,这也是一项开创性的贡献。虚数的出现,是数学史上的一件大事。虚数和原有的实数统称为复数系。根据代数基本定理,在复数系里任何多项式必有根,而且n次多项式恰有n个根,这就解决了根的存在性问题。要解出方程式的根,在复数系中,便可迎刃而解了。

除了在代数学上的重要成就,卡当在概率论这门学科上也做了奠基的工作。例如在其《博弈论》一书中,他已经计算了投掷两颗或三颗骰子时,在可能的方法里,有多少方法是得到某一点数,这可以说是概率论发展的一个开始。

卡当的突出贡献给我们这样的启示:自己的努力是成功的关键因素,外在环境并不影响努力者的成功。

虽然生活艰难,但卡当凭着坚强的意志力坚持研究数学。相比之下,我们在良好的环境中更要努力学习。而关于卡当对塔塔利亚一元三次方程解法侵权的说法,历史总会清肃明白。

早熟的数学天才——帕斯卡

帕斯卡,17世纪伟大的数学家,16岁时发现“帕斯卡定理”。

帕斯卡出生在法国的克勒芝·富朗。母亲在他4岁时就去世了,留下帕斯卡和他的两个姐妹都要靠父亲照料。帕斯卡7岁时一家搬到了巴黎。

帕斯卡的父亲精通数学,与数学家来往密切,对帕斯卡影响很大。在父亲的影响下,帕斯卡从12岁就显露出了卓越的数学天才。最初父亲不愿让儿子学习数学,因为帕斯卡是父亲唯一的儿子,可是这唯一的儿子却自幼体弱多病。而当时的人们都认为数学是一门很耗费精力的学问,为了帕斯卡的健康,父亲才有意不让他接触数学。父亲曾把数学书放在帕斯卡找不到的地方。尽管如此,帕斯卡还是没有放弃数学,相反,他对学习数学的兴趣不断滋长起来。帕斯卡经常央求父亲教他数学,尽管有时父亲的拒绝是强硬的,但帕斯卡还是坚持学习数学。

有一次,父亲悄悄地走进帕斯卡学习的房间,发现他正全神贯注地学习数学,于是在他后边站了很长时间,沉浸于解题中的帕斯卡竟然全然不知。最后,父亲问他:“干什么呢?”帕斯卡只好承认自己在学习数学。父亲拿起帕斯卡所解的题目一看,他万没有想到儿子所解决的问题相当于欧几里得第一卷的命题32(三角形的内角之和等于二直角)。父亲惊叹地说:“这不是一般的问题……”

当父亲得知儿子发现了数学定理,发现了儿子的数学天赋后,他再也没有理由阻止儿子学习数学了。一有空,他就读儿子新发现的定理,并连声叫好。终于,有一天父亲把一部欧几里得的《几何原本》送给了帕斯卡。

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