數學狂魔:3歲自學計算,9歲因一組數字受關注,19歲解開了一道數學懸案成功逆襲!

2021-02-18 中考數學研究

假如別人和我一樣深刻和持續地思考數學真理,他們會作出同樣的發現——高斯

數學家的成功經驗往往是那麼的樸實無華,哈哈哈,今天中考君帶大家分享的就是數學家高斯的故事,這個被稱為「數學王子」的男人。

(圖片來源於百度圖片)

1777年4月30日德國不倫瑞克小村莊裡一個被後人稱為「王子」的小孩出生了,雖然被稱為「王子」,但是高斯並不像很多數學家那樣出身顯赫,從小受到良好的教育,高斯的爸爸是泥瓦匠,媽媽是石匠的女兒,也沒有接受過教育,因為家境貧寒,他的爸爸一直希望高斯能夠儘早賺錢,並不支持他讀書。用現代流行詞講,高斯是一位不能拼爹、拼媽的人。連進入學校學習還是受人資助,如果無人資助,高斯很有可能子承父業成為一位泥瓦匠,學習之路可以說十分坎坷。小高斯在三歲時,就已經學會計算了。有一天他觀看父親在計算幫工們的工錢,當他父親念叨了半天總算報出總數時,身邊傳來微小的聲音,「爸爸!算錯了,應該是這樣……」父親驚異地再算一次,果然是算錯了。雖然沒有人教過他,但小高斯靠平日的觀察,自己學會了計算。小高斯家裡很窮,冬天,爸爸總是要他早早地上床睡覺,好節省燃油。可是高斯很喜歡看書,每次都帶著一棵大頭菜。他把中心挖空,塞進棉布卷當燈芯,淋上油脂點火看書,一直到累了才鑽入被窩睡覺。三年級課堂裡,數學老師出了這樣一道計算題:1+2+3+4+5+…+98+99+100。把100個數一個一個地加起來,這件事讓三年級的同學來做,是一種考驗。不料,老師剛說完題目,班級裡的一位學生,名叫高斯,就把他寫好答案的小石板交上去了。高斯解答的方法更使老師驚訝不已。

 

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 高斯把這100個數從兩頭往中間,一邊取一個,配起對來,1和100,2和99,3和98,…,共計配成50對,每一對兩個數相加都等於101,因而原式=101×50=5050。

這種算法雖然不是小高斯首創,但是事先誰也沒有教過他。在兩百多年前的德國,這樣的計算方法是在大學裡講授,叫做等差級數求和。即使在科學技術突飛猛進的今天,等差級數求和也要到高中數學課裡才系統地學習。當年只有9歲的高斯,出身農戶,家境貧寒,居然這樣勤於動腦,善於動腦,使老師無比欣慰並深受感動。老師特意到大城市買來數學書,送給高斯看,並且請自己的助手對高斯多多關照。

19歲解開兩千多年前的數學懸案:

1795年德國歌廷根大學,一位19歲青年吃完晚飯,開始做導師單獨布置給他的每天例行的三道數學題。像往常一樣,前兩道題目在兩個小時內順利地完成了。第三道題寫在一張小紙條上,是要求只用圓規和一把沒有刻度的直尺作出正十七邊形。青年做著做著,感到越來越吃力。開始,他還想,也許導師見我每天的題目都做的很順利,這次特意給我增加難度吧。但是,時間分秒地過去了,第三道題竟毫無進展。青年絞盡腦汁,也想不出現有的數學知識對解開這道題有什麼幫助。

困難激起了青年的鬥志,我一定要把它做出來!他拿起圓規和直尺,在紙上畫著,嘗試著用一些超常規的思路去尋求答案。終於,當窗口露出一絲曙光時,青年長舒了一口氣,他終於做出了這道難題!

見到導師時,青年感到有些內疚和自責。他對導師說:「您給我布置的第三道題我做了整整一個通宵,我辜負了您對我的栽培」。導師接過青年的作業看完震驚了。他用顫抖的聲音對青年說:「這真是你自己做出來的?」青年有些疑感地看著激動不已的導師,回答道:「當然,但是,我很笨,竟然花了整整一個通宵才做出來」,導師請青年坐下,取出圓規和直尺,在書桌上鋪開紙,叫青年當著他的面做個正十七邊形。青年很快地做出了一個正十七邊形。導師激動地對青年說:「你知不知道,你解開了一道有兩千多年歷史的數學懸案?阿基米德沒有解出來,牛頓也沒有解出來,你竟然一個晚上就解出來了!你真是天才。」這時的高斯,年僅19歲,一戰成名。

高斯在1799年獲得博士學位。從1807年起擔任哥廷根大學教授兼哥廷根天文臺臺長直至逝世。為了銘記他,哥廷根大學的校園裡建立了一個正十七邊形臺座的高斯雕像。為了感念高斯在學術上做的貢獻,1989年德國將高斯的肖像印刷在流通的10元德國馬克紙幣上,直到2001年改版。

高斯的數學研究幾乎遍及所有領域,在數論、代數學、非歐幾何、複變函數和微分幾何等方面都做出了開創性的貢獻。他還把數學應用於天文學、大地測量學和磁學的研究,發明了「最小二乘法原理」。

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高斯的數論研究總結在《算術研究》中,這本書奠定了近代數論的基礎,它不僅是數論方面的劃時代之作,也是數學史上不可多得的經典著作之一。高斯對代數學的重要貢獻是證明了代數基本定理,他的存在性證明開創了數學研究的新途徑。高斯在1816年左右就得到非歐幾何的原理,還深入研究複變函數,建立了一些基本概念發現了著名的柯西積分定理。他還發現橢圓函數的雙周期性,但這些工作在他生前都沒發表出來。1828年高斯出版了《關於曲面的一般研究》,全面系統地闡述了空間曲面的微分幾何學,並提出內蘊曲面理論。高斯的曲面理論後來由黎曼發展。高斯一生共發表155篇論文,他對待學問十分嚴謹,只有十分成熟的作品才會發表出來。

以「高斯」命名的成果達110個,屬數學家之最。在高斯眾多的數學成果中值得稱道,那就是二次互反律、高斯分布。二次互反律解決了勒讓德符號的計算問題,從而在實際上解決了二次剩餘的判別問題。有人說:「二次互反律無疑是數論中最重要的工具,並且在數論的發展史中處於中心地位」。高斯分布(又名正態分布),是一個在數學、物理及工程等領域都非常重要的概率分布,在統計學的許多方面有著重大的影響力。其公式如下:

F·克萊因曾經說過,高斯為「3A+G」型選手,3A指的是算術、代數、分析,G指的是幾何,可見高斯在數學方面博大精深的造詣,有數學大師曾經編輯整理高斯經典文章及相關數學工作成果時,精選出了15個核心數學主題。

寫到這裡中考君想到了知乎上一個問答,如果給數學家劃分等級該怎樣劃分?有數學專業的網友把全世界的數學家劃分為了四類:

1.普通數學家,他們大多數在高校任教,偶爾寫寫論文,刷刷題目,教教學生;2.高級數學家,他們對自己所研究領域有一定的造詣和貢獻,比如各國的科學院院士們;3.頂級數學家,他們不但對個別研究領域做出了比較大的貢獻,而且還解決了一些重大難題,並開創出新的研究領域,比如那些菲爾茲獎獲得者(數學界的諾貝爾獎);4.傳說級數學家,這一級別的數學家已經不滿足於解決歷史上遺留的難題了,轉而開始給後世的數學家出題目,對他們來說,得個菲爾茲獎易如反掌,比如阿基米德、牛頓、高斯。有人評價高斯說:如果把18世紀以前的數學家想像為一系列高山峻岭。那麼,最後一個令人肅然起敬的巔峰就是高斯;如果把19世紀以後的數學家想像為一條條江河,那麼,其浩瀚的源頭就是高斯。

高斯的一生是不平凡的一生,幾乎在數學的每個領域都有他的足跡,非常多的人常用他的事跡和格言鞭策自己。100多年來,不少有才華的青年在高斯的影響下成長為傑出的數學家,並為人類的文化做出了巨大的貢獻。例如:狄利克雷、黎曼等等。

雖然高斯有著與生俱來的數學天分,但他的成就離不開他勤奮、嚴謹、虛心鑽研的人生態度,我們每個人的天分是不可改變的,但是懷揣著一顆對數學熱愛的心能幫助我們在追求更高境界的數學道路上走得更遠。

數學是一門極其嚴謹的學科,研究者應該有縝密的邏輯思維和嚴謹的科學態度。高斯做到了這一點。高斯在科學研究過程中會對某一個定理給予不同的證明,以求最簡。他曾說:絕不能以為獲得一個證明以後,研究便結束,或把尋找另外的證明當作多餘的奢侈品。有時候你開始沒有得到最簡單和最完善的證明,但就是這樣的證明才能深入到高級算術的真理中去,這正是吸引我們去繼續研究的主動力,並且最能使我們有所發現。學習數學就要像高斯那樣嚴謹、認真、追求完美。

同時,學習者更需要一個合適自己的、科學的程序或者說是學習方法,去做自己最感興趣的事情,而不是一味盲目地追求解題。高斯十二歲的時候已經開始懷疑元素幾何學中的基礎證明,當他十六歲的時候,就預測在歐式幾何外必然會產生一門完全不同的幾何學。同樣,高斯的事例啟示我們在學習的過程中要持有一種懷疑的態度,用發展的眼光看待問題,絕不能循規蹈矩。除此之外,高斯在毫不知情的情況下用一個晚上解決了困擾科學家們2000多年的問題,可見人的潛能是無限大的,要相信自己的能力。

天才是百分之九十九的汗水加上百分之一的靈感,對於平凡的我們來說可能沒有那得天獨厚的才智,但是卻可以用勤奮、科學的態度彌補那百分之一的不足。

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