數的幾次大發展:古埃及人好傻,古代中國人聰明

2020-12-05 史路雨絲

本文所說的數包括自然數、分數、負數(對應正數)、無理數(對應有理數)、虛數(對應實數)等,除了複數可能需要高數(小編讀的時候,現在不知道了)知識以外,其它初、高中都學過,幾乎可以說人人都懂。但在整個人類歷史進程來說,這幾個數的發現,卻是相當的艱難,有些數在很長時間內不為人們所接受,甚至還鬧出了人命。

自然數的發現

0和正整數叫自然數,因為生產和生活的需要,正整數的發現幾乎是水到渠成,所以相對容易。有人說最早的數可能就1和2,也有人說最早的數應該是1到10,畢竟人的雙手是十個指頭。正因為不同的經歷,所以自然數的表現形式就有很多種。

就進位來說,當今最流行的是2進位(計算機方面)、60進位(計時,角度)、10進位,但是歷史上也出現過七進位、八進位、十六進位等非主流的進位,中國古代就有十六進位。就位來說,中國人很早就在算籌中體現,每加位表示一個進位,算籌後來發展成為珠算盤。

古羅馬人有一種沒有位概念的表示方法,他們發明了七個符號,I(1),V(5),X(10),L(50),C(100),D(500),M(1000),其它數只需要用這七個符號組合就行,以大數為準,左邊為減,右邊為加,像IX(9),VI(6),CM(900),MC(1100),MMM(3300),符號上面加一橫則表示此數的1000位。現在英語中還有類似的表示。

雖然正整數發現比較早,0卻直到6世紀末才被印度人首次使用。在此之前,包括中國在內都以空位來代替0,但這樣做,風險很大,多個0少個0,差別可不只有一點點,後來中國的商人想出了用銅錢來代替零,卻也僅此而已。

還要說明一下,在中國古代,零這個詞雖然很早就出現了,而且也有現代0的部分意思,像一百零一,但跟現在的0還是有區別,古代的零更多的是零頭,零碎的意思,而並非零的本意空和無。

從整數到分數

中國歷史上最早的分數記載,要追溯到三千多年前的周朝,周王室規定,大諸侯的都城不能超過京師的三分之一,中的不能超過五分之一,小的不能超過九分之一。《九章算術》裡對分數也有記載,古代的算籌,計算和表示分數很方便,比西方要早太多,特別是分數的除法就是乘上被除數的倒數,則比西方早一千多年。

說起分數的計算,古埃及對於分數的處理相當奇特,他們的分數只有幾分之一,沒有幾分之幾,像2/7,需要表示為1/4和1/28,這裡可能還看不出不好,真正讓人痛苦的是它的計算。5/7+5/21,得先把5/7和6/21分解成幾分之一加幾分之一的形式,再把這些幾分之一相加,關鍵是相加後的數,如果不是幾分之一,還得再分成幾個幾分之一,想想都痛苦,太折磨人,現在想起來埃及人真傻呢?有幾分之一怎麼就想不到幾分之幾呢?

歐洲的數學可能都是學埃及的,七世紀的歐洲,有一位大師級的數學家,花了幾個月的時間,解出了八個分數相加的結果,轟動一時。到了17世紀,能教分數的老師,在當時都是最優秀的。

從正數到負數

負數的出現一方面是生產和生活的需要,A給十個蘋果給B,B的蘋果增加了,A自然就減少了。另一方面,因為減法的出現,為了計算的需要,負數就不得不露臉。

中國古代對負數比較包容,《九章算術》裡就用黑籌表示負數,紅籌表示正數,更早在公元前二百多年,負數就在生活中有體現。但是在歐洲,負數則為數學家所厭惡,他們認為負數是荒謬的數,很多人不承認有負數存在,甚至連0-4這種算法,都認為是胡言亂語。

從有理數到無理數

無理數按現存的歷史來說,出現得比負數還早,它產生於公前前五百多年前的畢達哥拉斯學派。無理數的發現有點悲情英雄的感覺,該派學者希伯索斯通過勾股定理,發現有一類數不能用整數比表示,這對於認為世間一切都能用整數表示的畢達哥拉斯學派來說,無疑是巨大的災難,這派學者為了維護自己的權威,防止災難的出現,直接把希伯索斯推到河裡淹死,希伯索斯可能是第一個為知識而死的人。這次事件也是歷史上著名的第一次數學危機。

《九章算術》裡對無理數也有記載,無理數被稱為「開之不盡」的數,在生活中則以「求其微數」近似表示。真正意義上詮釋無理數(無限不循環小數),則已經是一千年後,微積分時代的事。

從實數到虛數

無理數發現以後,生活中基本就夠用。但生活中夠用,並不表示數學家夠用,負數的開方怎麼操作呢?

當初提出這個根式的數學家把a+bi(b!=0,i的平方為-1)稱為虛數,對應的則為實數,就跟當初不認可負數一樣,數學家們認為它是個虛無縹緲的數。

雨絲覺得,虛數相對於實數,跟無理數,負數,分數等不同,它有點像數維度的擴張,整個實數是一維數,加入虛數的複數則是二維數(向量),後面還有三維數,四維數等。如果說前面數的變化是量變,則實數到複數則是質變。自此以後,數的發展有如脫韁的馬,完全跟上了幾何的發展,真正實現了有幾何的地方就有數。

題外話:就數學來說,《九章算術》的內容真的很詳細,實數的所有內容都有涉及,要超過西方很多年,不得不佩服古人的智慧,可惜後人不上進,只知道守著老祖宗的東西,不知道創新發展,慢慢也就落後,太可惜了。(註:圖片來源於網絡,內容為史路雨絲原創。參考資料:《數學真諦》)

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