对数发明的起源简介(为什么会被誉为十七世纪的三大数学发明之一)(1)

2017年高考已经结束,无论结果如何,只要努力就行,祝愿所有都能取得理想成绩。

俗话说条条大路通罗马,高考是很多人实现梦想的地方,但实现梦想不只高考这么一条路,只要肯努力,一定会慢慢实现自己的梦想。

高考数学作为高考当中一门重要科目,很多时候能起到拉分作用,自然而然受到考生特别关注。同时高考数学里面包含众多数学知识点和数学思想方法,也是让很多考生头疼的地方。如对数知识,看似简单,但需要牵扯大量计算和公式运用,也是一些考生容易失分。

今天我们不说对数知识点,而是来聊聊对数的历史。

大家都知道如果a的x次方等于N(a>0,且a不等于1),那么数x叫做以a为底N的对数(logarithm),记作x=logaN。其中,a叫做对数的底数,N叫做真数。那么对数为何会成为中学数学重要内容之一,成为每个人必学的数学知识内容呢?我们就一起来简单了解一下。

对数发明的起源简介(为什么会被誉为十七世纪的三大数学发明之一)(2)

对数的运算,在初等数学里面可以说是高级运算。在16世纪和17世纪时候,欧洲因科技的发展促进社会不断发展,同时随着天文、航海、工程、贸易、军事等各方面不断发展,对科技等各方面也提出更高的要求,需要更先进的技术,如改进数字计算方法就成了当务之急。

在16世纪和17世纪相交时期,随着科技不断发展,人们的认知也越来越理性,这也促进哥白尼的“太阳中心说”的流行,间接导致天文学成为当时的热门学科。研究天文学需要很多学科作为支持,如数学是其中重要一门,但由于当时数学知识的局限性,天文学家们不得不花费很大的精力去计算那些繁杂的“天文数学”。因此,有时候只是为了计算一个数字,天文学家们却需要浪费了若干年甚至毕生的宝贵时间。

苏格兰数学家约翰·纳皮尔也是当时的一位天文爱好者,在研究天文学的过程中,因很多时候数据过于庞大,计算不方便,不说增加工作量,经常很容易出错。因此,他为了简化研究天文学过程中的计算量,增加工作效率,潜心研究大数字的计算技术,发明了对数这个概念。纳皮尔这一发现,不仅直接促进天文学界的发展,更是数学史上的重大事件。

对数发明的起源简介(为什么会被誉为十七世纪的三大数学发明之一)(3)

不过值得注意的是纳皮尔所发明的对数,跟现代数学中的对数理论还是有点差异,这是为什么呢?

这里有个很有意思的现象,从现代数学角度来讲,如果问大家对数和指数什么关系?对数和指数谁先出现?一般人都能会回答指数先出现,它们是互逆关系,这是因为在现代数学课本里,学习对数是通过指数引导出来。其实在纳皮尔那个时代,指数这个概念还没出现,或者是具体概念还没形成。因此,纳皮尔研究对数并不是通过指数来引出,而是通过研究直线运动得出对数这一概念。

指数符号是在1637年由法国数学家笛卡儿最开始先使用,直到18世纪,才由瑞士数学家欧拉发现了指数与对数的互逆关系。对数的发现先于指数,这也是数学史上比较珍贵一段趣闻。

没有指数的指引,在这样的背景下纳皮尔去发现对数的运算,是一件非常困难的事情。为了简化在天文学研究过程中遇到困难,纳皮尔发明了一种计算特殊多位数之间乘积的方法让我们来看看下面这个例子:  (1)0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14,…  (2)1,2,4,8,16,32,64,126,256,512,1024,2048,4096,8192,16384,…  这两行数字之间的关系是极为明确的:

第(1)行表示2的指数,第(2)行表示2的对应幂。

对数发明的起源简介(为什么会被誉为十七世纪的三大数学发明之一)(4)

如果我们要计算第二行中两个数的乘积,可以通过第一行对应数字的和来实现。如计算64×256的值,就可以先查询第一行的对应数字:64对应6,256对应8;然后再把第一行中的对应数字加起来:6+8=14;第一行中的14,对应第二行中的16384,所以有:64×256=16384。从这里我们就可以看出,纳皮尔的这种计算方法,实际上已经完全是现代数学中“对数运算”的思想了。

经过多年的实践探索,理论认证,纳皮尔在1614年出版了名著《奇妙对数定律说明书》,向世人详细说明了对数作用、运算规律等等。因此,纳皮尔也被誉为“对数缔造者”。

之后纳皮尔的朋友布里格斯通过研究《奇妙的对数定律说明书》,深感对数这一发现的伟大,同时也感到按照书中对数在实际中运用起来不是很方便,不便于推广和应用。因此,布里格斯就与纳皮尔讨论之后,使1的对数为0,10的对数为1,这样就得到了以10为底的常用对数。1624年,布里格斯出版了《对数算术》,公布了以10为底包含1~20000及90000~100000的14位常用对数表。

对数发明的起源简介(为什么会被誉为十七世纪的三大数学发明之一)(5)

后人根据对数运算原理,还发明了对数计算尺。300多年来,对数计算尺一直是科学工作者,特别是工程技术人员必备的计算工具,直到20世纪70年代才让位给电子计算器。

对数的出现,很好的证明数学来源于生活,同时又服务于生活,促进生产力的发展。恩格斯在他的著作《自然辩证法》中曾经把笛卡儿的坐标、纳皮尔的对数、牛顿和莱布尼兹的微积分共同称为十七世纪的三大数学发明。

法国著名的数学家、天文学家拉普拉斯这么评价:对数,可以缩短计算时间,在实效上等于把天文学家的寿命延长了许多倍。

伽利略说:给我空间、时间及对数,我就可以创造一个宇宙。

,