数是数学研究的对象之一,是代数学的"先行官",是代数学的"火车头"。负数概念的引入,数系扩充到有理数的范围;实数概念的引入,数系扩充到实数的范围。生活实际的需要,数学本身的发展,需要产生新的数。
数学深刻地影响着哲学。唯物主义哲学家泰勒斯、唯心主义哲学家毕达哥拉斯、创立理念论的柏拉图等等。古希腊的哲学家崇尚数学、重视数学。
"万物皆数"是毕达哥拉斯学派的信念,认为数是万物的本源,"数"与"和谐"是他们的主要哲学思想。柏拉图认为,存在一个物质世界、一个精神世界,一个诸如正义、智慧、善、美的理念世界,只有通过心灵才能达到对这些永恒理念的理解。"几何学使灵魂趋向于真理,进而创造出哲学精神"。
从逻辑学的始祖、写出"三段论"推理方式名著《工具论》的亚里士多德,到倡导归纳法并写出《新工具》的培根,再到唯理论哲学派别的代表人物笛卡尔、莱布尼茨,数学与哲学在思考:怎样认知真理?运用何种方法?是演绎法还是归纳法?
19世纪代数学最重大的事件之一是四元数的发现,它是由爱尔兰数学家哈密顿(1805-1865)于1843年在皇家科学院宣讲的,形如a bi cj dk,其中a,b,c,d为实数。
哲学家如此重视数学,而数学又始终影响着哲学。数与形、变与不变、相等与不等、偶然与必然、连续与离散、演绎与归纳、抽象与具体……没有数学与哲学,我们什么也看不懂。
辩证法认为矛盾是事物发展的动力。在数学发展的历史过程中,充满着矛盾。正与负、加与减、有理数与无理数、连续与离散、有限与无限、抽象与具体、直观与逻辑、存在与构造等。
当矛盾激化影响数学的根基时,就会产生数学危机。最早把数的概念提到突出地位的是毕达哥拉斯学派,他们很重视数学,企图用数来解释一切。他们认为宇宙间的各种关系都可以用整数或整数之比来表示,但是当√2被发现后,就导致了第一次数学危机。
通过修正、补充及理论的创新,数学家们消除矛盾、解决危机,给数学带来了新的发展。
错误有时也美得残酷。公元前第五世纪,古希腊毕达哥拉斯(Pythagoras)学派倒霉的希勃索斯(Hippasus)发现了一个惊人事实,一个边长为一的正方形的对角线长度不是有理数。无理数的存在说明了数轴上存在不能用有理数表示的"空隙",和毕达哥拉斯学派的"万物皆为数(有理数)"的哲理大相径庭。学派领袖惶恐、愤怒以后,可怜的希勃索斯被百般折磨,判了极刑。从此毕达哥拉斯学派把守住这一秘密当成学派的头等大事。
但根号2很快就引起了数学思想的大革命。科学史上把这件事称为"第一次数学危机",也让数学向前大大发展了一步。历史证明谁都会犯错,连那些大数学家也不例外,然而这个错误带来的结果似乎残酷了些。
公元前5世纪,古希腊人点燃了无理教的火种,照亮了实数的广阔天地,但人类在很长一段时间内不能分享这甘美的"人类智慧之果"
直到19世纪后期,著名数学家魏尔斯特拉斯、戴德金、康托尔的杰出贡献为无理数、实数理论的建立打下了坚实的基础。
随着无理数概念的引入,把数系扩张到了实数的范围。诗人高笑曾写过《√2的自白》。
√2的自白
毕达哥拉斯声名高贵,只承认整数分数的地位。
用不着和权势者争辩,
戴着无理的帽子也全不理会实数没有我就不完备,
我自代表着优秀的一类。
默默地填补着有理数间的空白,
让事实宣布高贵者的愚昧!
例1. √2的有理逼近。
解析:√2的有理逼近的基本方法有:夹逼法、方程法等。
估计√2在1和2之间,设√2=1 a。
变式.造一种方法,用有理数逼近√2。
√2,π是常见的无理数,但可以用有理数的形式表示如下。
例2.纸是人们学习和工作不可或缺的物品,而纸的尺寸是怎样确定的呢?
印刷厂工人把一张长方形的标准纸(如图①),对折1次,分为两半,每一半都是原来的1/2,称为对开(即2开);对折2次,得2^2=4张,每一张都是原来的1/4,称为4开;对折3次,得2^3=8张,每一张都是原来的1/8,称为8开……对折5次,得2^5=32张,每一张都是原来的1/32,称为32开。
一张国际标准尺寸的纸,应符合下列两个条件:
(1)它的面积为1平方米;(2)经过若干次对开,所得各种大小不同的长方形形状都相同(即长和宽之比都相等)。这张国际标准尺寸纸的长和宽到底各是多少呢?(精确到1毫米)。
由此可见,国际标准纸的长为1189毫米,宽为841毫米,面积为1平方米,长与宽之比为x:y=1189:841~7:5。
我国32开用的标准纸长为1168毫米,宽为850毫米,面积为1168×850~0。993(平方米),差不多为1平方米,长与宽之比为1168:850~7:5,这就是说,我国32开用的标准纸与国际标准纸是相符的。
要证一个数是有理数,常证这个数能表示成几个有理数的和、差、积、商的形式;要证一个数是无理数,常用反证法,即假设这个数是有理数,设法推出矛盾。
"若言琴上有琴声,
放在匣中何不鸣?
若言声在指头上,
何不于君指上听?"
这是苏轼的《琴诗》,这样的判断与数学中的反证法有相同的意境。
黄金分割就是
,约等于1.618。这个数字的幂次会越来越接近整数,比如它的17,18,19次方:
这其实是原因的,因为黄金分割比属于无理数里比较特别的一种称为PV数,这种数字在"三维世界的黄金比例-塑料常数"中也提到过,请大家自行查阅。
两个实数的比例如果是有理数,我们称这两个实数有理相关。在力学上,震动频率的有理相关会引起共振,而共振会带来系统的不稳定。举个小例子,如果人在木桥上走动的频率与木桥晃动的固有频率有理相关,就会引起危险的共振现象。
再举个例子,太阳系在火星和木星之间有众多的小行星,形成一个小行星带。已发现并确认的就有几十万颗。这些小行星在太空中的分布和它们的轨道稳定性有密切关系。如果小行星绕太阳的运动周期和木星的周期比例是有理数,这就形成共振,它们之间的相互影响就会很大,这些影响往往会导致小行星轨道的不稳定.
记得在大学的高数课堂上,记得任课老师曾郑重的说过,无理数比有理数多。我当时很诧异,老师也仅是点到为止,没有展开来讲。直到接触到《泛函》,才在课本上看到了无理数比有理数多的详细的数学证明,才知道无理数比有理数还不是多一点,而是多得多。
那么无理数为啥比有理数多呢,假如你不知道那个数学证明,你会如何判断谁多谁少呢?我觉得这是一个哲学命题,可以进行适当的哲学思考。世界既是秩序的,也是混沌的,和谐有序的秩序都诞生于混沌之中,而且秩序都是局部的,不是全局的。
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