吳國平:人人都說數學不美,它只是「美」那麼簡單

2021-01-11 吳國平數學教育

數學美是什麼?你認為數學美嗎?

面對這樣的問題,很多人可能會有一點懵,數學跟美能扯上關係嗎?如果我們提到美術、音樂等等這些,可能大家一下子就能想到美的地方,但如果讓大家在數學中去發現美,可能就會顯得「強人所難」。

數學是什麼?

數學是研究數量、結構、變化以及空間模型等概念的一門學科,透過抽象化和邏輯推理的使用,由計數、計算、量度和對物體形狀及運動的觀察中產生。

數學在人類歷史發展和社會生活中,數學也發揮著不可替代的作用,也是學習和研究現代科學技術必不可少的基本工具。

很多人都知道數學對於我們社會發展的重要性,以及現代數學的發展,可以說已經影響到我們生活的方方面面。但很多人一提起數學,再大的印象還是停留在做題解題,數學的抽象性等上面,忽略或沒有發現數學在很多方面的優點,如數學的美。

數學美的表現形式是多種多樣的:

從數學內容看,有概念之美、公式之美、體系之美等;

從數學的方法及思維看,有簡約之美、類比之美、抽象之美、無限之美等;

從狹義美學意義上看,有對稱之美、和諧之美、奇異之美等。

如果這些還是無法讓你感到數學美,那我們來一起看看一個真實例子:

向日葵裡的種子排列方式是一種典型的數學模式,如果大家能夠仔細觀察向日葵花盤,你就會發現兩組螺旋線,一組順時針方向盤旋,另一組則逆時針方向盤旋,並且彼此相嵌。

如下圖所示:

在向日葵上面,我們發現排序的序列是以螺旋狀從花盤中心開始體現出來。有兩條曲線向相反方向延展,從中心開始一直延伸到花瓣,每顆種子都和這兩條曲線形成特定的角度,放在一起就形成了螺旋形。

如下圖所示:

雖然在不同的向日葵品種中,種子順、逆時針方向和螺旋線的數量或許有所不同,但都不會超出34和55、55和89或者89和144這3組數字,每組數字就是斐波納契數列中相鄰的兩個數。

向日葵中心種子的排列圖案符合斐波那契數列,也就是1、2、3、5、8、13、21、34、55、89、144…序列中每個數字是前兩個數字的總和。

斐波那契數列是一種特殊數列,我們把這樣一組數列1,1,2,3,5,8,13,21,34……從第3項起每項為前兩項之和,就稱之為斐波納契數列。

根據斐波那契數列我們可以畫出斐波那契螺旋線,以斐波那契數為邊的正方形拼成的長方形,然後在正方形裡面畫一個90度的扇形,連起來的弧線就是斐波那契螺旋線。

如下圖所示:

自然界中存在許多斐波那契螺旋線的圖案,可以說是自然界最完美的經典黃金比例。

如下圖所示:

如果我們去分析仙人掌的形狀、葉片厚度和一系列控制仙人掌情況的各種因素,會發現仙人掌的斐波納契數列結構特徵能讓仙人掌最大限度地減少能量消耗,適應其在乾旱沙漠的生長環境。

如下圖所示:

同時隨著攝影技術、建築技術不斷發展,很多藝術家和攝影家、建築設計師發現,只要拍照時候,焦點對準符合斐波那契螺旋線,拍出來的照片或建築,絕對是完美的。

如下圖所示:

蝴蝶是自然最美的動物之一,它那翅膀上的顏色和圖案,不僅是多姿多彩,而且還呈現出各種不同的幾何圖形,非常讓人著迷。

如下圖所示:

幾何是數學王國裡最讓人著迷的地方之一,它的簡單幾筆就可以勾勒出最美的畫面,更不用說複雜的幾何圖形勾勒出來的藝術品。說到幾何的美學,我們不得不提分形藝術。分形藝術包含數學多種概念和方法相互衝擊和融合而成,它所呈現的無窮變化和美感引發人們去探索,即使一個人不懂得其中深奧的數學哲理,也會為之感動。

分形一詞,其原意具有不規則、支離破碎等意思,分形與傳統幾何結合得到分形幾何,自然界普遍存在著不規則現象,是一門以非規則幾何形態為研究對象的幾何學,因此分形幾何又稱為描述大自然的幾何學。

分形藝術代表作品1:

分形藝術代表作品2:

分形藝術代表作品3:

很多人都認為數學是死板、嚴謹的,是少部分人才能讀懂、欣賞,但分形藝術從某種角度上講恰恰「拋棄」了傳統幾何給人帶來呆板、嚴肅的感覺,使枯燥的數學不再僅僅是抽象的哲理,而是具體感官能感受到,同時也讓數學不僅僅是揭示自然規律的存在,可以像藝術一樣的進行創作,分形藝術讓數學變得藝術,變得更美。

只要我們努力去學習數學知識,學會運用數學知識去解決問題,認真發現生活中關於數學的蛛絲馬跡,你就會發現數學的美。

數學其實並不是不美,而是缺少被發現,如果你有心,會發現數學的美並沒那麼簡單。就像我們去驚嘆孔雀美麗的尾部羽毛絢麗的顏色,但很少有人會發現上面精美對稱的幾何圖案。

數學的美,猶如優美的詩歌,動聽的音樂,美麗的畫卷等等。

數學的美,需要我們從多重視角去審視,用心去感受和體會。

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