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第11章 数学教学的趣味知识推荐(7)

第五代电子计算机实际是智能计算机,具有模仿人脑思维过程的能力。从1979年起,日本等国组织了各方面的专家,开始了对这种计算机的研制,现已取得初步进展。

作为一种计算工具,电子计算机和一般计算工具相比,有以下几个特点:(1)运算速度快。运算速度高的电子计算机每秒能进行十几亿次运算。速度较慢的微型电子计算机,每秒钟也能进行10万次运算。(2)计算精度高。现代电子计算机计算的值可达到64位数。(3)具有“记忆”和逻辑判断能力。电子计算机可以记录程序、原始数据和中间结果,还能进行逻辑推理和定理证明。(4)能自动地进行控制,不必人工干预。

电子计算机的应用已迅速渗透到人类社会的各个方面。从宇宙飞船、导弹的控制、原子能的研究及人造卫星等尖端科技领域,到工业生产、企业管理、日常生活等都不同程度地应用了计算机。有人断言,现代社会的每一项活动中都有电子计算机的踪迹。

32.数的家族成员

1,2,3……

12,45,7916……

-3,-8-11……

2,π,e……

这各种各样的数,都有自己的“身份”,它们共同组成数的家族。

第一组成员是自然数。小时扳手指头数地的1,2,3……就是自然数。这也是我闪祖先最早认识的数,自然数称为正整数。

第二组成员是分数。5个人分3个苹果,古人最初是这样做的:把一个苹果分成相同的五份,每人取一份,即15,对另两个苹果做同样的分配,最后每人得到3个15,这就是我们所说的35。分数的记载最先出现在距今四千多年的古埃及纸草书中。

零的出现是比较晚的,从“无”到“零”的认识是一个漫长的过程。据说公元前二百年,希腊人已有零号的记载,但真正把零当作一个独立的数来使用是公元9世纪由印度人做出的。

负数在中国的西汉时期(约公元前2世纪)已经萌牙,并最先作为数学的研究对象出现在公元1世纪的《九章算术》中。

正整数(自然数)、零和负整数就构成全体整数。正分数和负分数构成全体分数。

整数和分数构成了有理数。当然,广义的分数中已经包括了整数,因为可以把整数看成分母是1的分数。

每个有理数都可以表示成两个整数的比。但是,公元前5世纪希腊数学家发现2不可能表示成两个整数之比,因而引起了一场极大的风波。后来把不能表示成两个整数之比的数称为无理数。现在我们知道无理数比有理数要多得多。

有理数和无理数统称为实数。在实数范围内,方程x2+1=0是无解的。于是,科学家引入了+bi的数就称为复数,而i=称为虚数单位。

除此之外,还有新的数。如果学习高等数学,会遇到四元数、各种超复数,以及类似的数学对象。随着数学的发展,数的家族将不断增加新的成员。

33.0的意思

0,通常表示什么也没有。但实际上零表示的意义非常丰富。

0不但可以表示没有,也可以表示有。电台、电视里报告气温是0℃,并不是指没有温度,而是相当于华氏表32度,这也是冰点的温度。0还可以表示起点,如发射导弹时的口令是:“9,8,7,6,5,4,3,2,1,0——发射”。0在数轴上作为原点,也是起点的意思。0还可以表示精确度。如在近似计算中,7.5与7.50表示精确程度不同。

在实数中,0又是正数与负数间的惟一中性数,具备下面一些运算性质:

a+0=0+a=a.

a-0=a.0-a=-a.

0×a=a×0=0,y0÷a=0,(a≠0)

0不能作除数,0也没有倒数;

0的绝对值和相反数都是0;

任意多个0相加和相乘都等于0。

在指数和阶乘运算中,还有:a°=1(其中a≠0)。

0在复数中,是惟一辐角没有定义的复数。0还没有对数。现代电子计算机用的二进制中,0还是一个基本数码。

在0发明之前,我们祖先记数的方法是繁琐而不完善的,要记一个大数就要将某些符号重写多次。在采用了印度一阿拉伯数码,而没有用0这个符号时,前人将一百万、三万、四百、五这几个数之和表示为:1345,这种表示就会产生误解,或是一百零三万四百零五,或是一千三百四十五。于是用打格的办法来区分:

1345空的地方表示空位。但这又使运算变得很麻烦。采用0后,就可以简洁地写成:1030405。因此,没有采用0之前,可以说记数法是不完整的。

0是数学中最有用的符号之一,但它的发明是来之不易的。古埃及虽建造了宏伟的金字塔,但不会使用0;巴比伦人发明了楔形文字,也不会使用0;中国古代用筹运算时,怕定位发生错误,开始用□代表空位,为书写方便逐渐写成○。公元2世纪希腊人在天文学上用○表示空位,但不普遍。比较公认的是印度人在公元6世纪最早用黑点(·)表示零,后来逐渐变成了0。

34.小数的经历

有了小数之后,记数就更方便了。如圆周率近似值3.1416,若用分数表示,就得写成39271250,很麻烦,何况还有更多位的小数和更复杂的运算。有位着名的美国数学史家说:“近代计算的奇迹这般的动力来自三项发明,印度记数法、十进分数和对数。”这里所说的十进分数就是指小数。

在西方,一般认为小数是比利时数学家斯蒂文发明的。但最早使用现代意义的小数点的是德国数学家克拉维斯,他在1593年使用了小数点。但是直到19世纪末,小数的记号仍很混乱。就是在现代,小数点也分为欧洲大陆派和英美派两种记法,前者采用逗号“,”,后者则坚持用圆点“.”。

实际上,早在斯蒂文发明小数点之前很久,中国、印度和中亚就已经使用十进分数了,也即小数。

公元3世纪,我国魏晋时期刘徽的《九章算术注》中,有三处运用了十进分数的思想。到了南北朝时期,在历法中大量使用了下列记法:

十一万八千二百九十六二十五(11896.25)

九十八三(98.3)

百一十九119.12

这种写法和西方直到19世纪仍在流行的小数记法2.5或2.5,几乎是完全相同的。

到了宋元时期,更有下列记法:

(324506,1247年)

(0.25,1247年)

(-0.5,1248年)

这些记法都远远胜过三百多年后斯蒂文的记法。

中亚的阿尔卡西是世界上除中国人之外第一个应用十进分数的。他的用法体现在他1427年的《算术之钥》一书中。

不论在东方还是西方,对小数的认识都经过了几百年甚至上千年的演变。

35.虚数

“虚数”这个名词,听起来好像“虚”,实际上却非常“实”。

虚数是在解方程时产生的。求解方程时,常常需要将数开平方。如果被开方数不是负数,可以算出要求的根;如果是负数怎么办呢?

譬如,方程x2+1=0,则x2=-1,x=±-1。那么-1有没有意义呢?在很久之前,大多数数学家认为负数没有平方根。到了16世纪中叶,意大利数学家卡尔丹发表了《大法》这一数学着作,介绍了三次方程的求根公式。他不仅讨论了正根和负根,还讨论了虚数根。如解x3-15x+4=0这一方程时,依据他的求根公式,会得到:

x=-2+-121其中-121就是负数的平方根。卡尔丹写出了负数的平方根,但他认为这也仅仅是形式表式表示而已。说明他对负数平方根的性质并不了解。1637年,法国数学家笛卡尔开始用“实数”、“虚数”两个名词。1777年,瑞士数学家欧拉开始用符号i=-1表示虚数的单位。而后人将实和虚数结合起来,写成a+bi形式(a、b为实数),称为复数。

由于虚数闯进数学领域时,人们对它的实际用处一无所知,在实际生活中似乎也没有用复数来表达的量,因此,在很长一段时间里,人们对虚数产生了种种怀疑和误解。笛卡尔称“虚数”的本意是指它是虚假的;莱布尼兹在公元18世纪初则认为:“虚数是美妙而奇异的神秘隐蔽所,它几乎是既存在又不存在的两栖物”。欧拉尽管在许多地方用了虚数,但又说一切形如-1、-2的数学式都是不可能有的,纯属虚幻的。

欧拉之后,挪威一个测量学家维塞尔,提出把复数a+bi用平面上的点(a,b)来表示。后来,高斯提出了复平面的概念,终于使复数有了立足之地,也为复数的应用开辟了道路。现在,复数一般用来表示向量(有方向的数量),这在水力学、地图学、航空学中的应用是十分广泛的。虚数越来越显示出其丰富的内容,真是:虚数不虚!

36.无限大与无限小

人们一般碰到的数,无论是实数还是复数,都有确定的量值,换句话说是有限的。这反映了我们通常碰到的事物是有限的,总可以用这些数计量。

人类的长期的认识过程中,又逐渐产生两个新的概念。最早的时候,人们将整个宇宙理解为地球,航海学的测量又测得地球半径为6370公里,对人们来说,那是一个非常大的数。16世纪,哥白尼的“日心说”又将宇宙扩大到以太阳为中心的太阳系,太阳系的半径为60亿公里,约是地球半径的94万倍,地球与之相比只是沧海一粟了。18世纪,人们的视野扩展到银河系,银河系的直径相当于9.3312×1017公里,这个数字更是大得惊人。随着科学技术的发展,人们借助射电望远镜,又将宇宙范围扩展到星系团、超星系团,以至总星系。这些星系的半径都在数百万光年(光年即光走一年的路程,约9.3312×1017公里)以上,这个数字简直是无法把握的。总星系之上当然还有更大的宇宙,永远不会穷尽。这样就出现了无限大的概念,数学上记为∞。它的含义是比任何数都大的数,这个数当然是虚拟的,不是一个确定的数。

在微观世界,人类的认识也从分子认识到原子,从原子认识到原子核。原子核的直径约10-13厘米,原子核还可以分解为质子、中子,它们的直径更小。这一分解过程也可以无穷尽地进行下去。这样就带来了无限小的概念。

无限大、无限小的含义已经涉及数的变化趋势了,这是从确定量到变量的过渡中产生的数,是微积分的基础。

37.将循环小数化成分数

将循环小数化成分数,是解决有关循环小数的基本方法。怎样才能将循环小数化成分数呢?这要请我们的老朋友——9来帮助解决问题。我们知道,在数列计算中,有一个无穷等比数列的求和公式s=a1-q。其中a是这个数列的第一项,q是公比。下面要用这个公式来研究化循环小数为分数的方法。先观察下面两个循环小数:0.666……=0.6,0.242424……=0.24。它们都是从小数点后的第一位开始循环的,叫做纯循环小数。为了便于计算,先将它们写成分数的和的形式:

0.666……=0.6+0.06+0.006+……

=610+6100+61000+610000+……

0.242424……=0.24+0.0024+0.000024+……

=24100+241000+241000000+……

这就变成了无穷递缩等比数列的形式。0.6666……的公比是110,而0.242424……的公比是1100。根据求和公式得:

0.66……=6101-110=610-1=69,

0.2424……=241001-1100=24100-1=2499。

由此可以看出,要把纯循环小数化为分数,只要把一个循环节的数化为分子,让分母由9组成,循环节有几位数字,分母是几个9就行了。例如:

0.4444……=0.4=49

0.5656……=0.56=5699,

0.31233123……=0.3123=31239999=3471111。

下面再来看看以下两个循环小数:

0.2888……=0.28,0.3545454……=0.354它们都不是从小数点的第一位开始循环的,这叫混循环小数。用分数的和可表示为:

0.2888……=210+8100+81000+810000+……

0.35454……=310+541000+54100000+……

这种和的形式,从第二项起,构成了一个分别以110,1100为公比的无穷递缩等比数列。由求和公式得:

0.2888……=210+81001-110=210+8100-10=210+890=2×9+890=26〖〗90=1345。

0.35454……=310+5410001-1100=310+541000-10=310+54990=3×99+54900=351990=39110。

由此可以看出:把混循环小数化为分数,先去掉小数点,再用第二个循环节以前的数字减去不循环部分的数字,将得到的差作为分子;分母由9和0组成,9的个数等于一个循环节的位数,9的后面写0,0的个数等于不循环部分的位数。例如:

0.2777……=0.27=27-290=2590=5〖〗18。

0.31252525……=0.3125=3125-319900=15474950。

数学的变化虽是无穷的,在研究了大量的现象或大量的例题后,应学会从特殊的问题中,总结出一般规律的思考方法。这种由特殊情况归纳出一般情况的方法称为经验归纳法。

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