数学的起源与早期发展
冬瓜炖肉-
数学的起源与早期发展
当人们发现一对雏鸡和两天之间有某种共同的东西(数字
2
)时,数学就诞生了。
――伯特兰罗素
1
数与形概念的产生
如同古代世界的许多伟人一样,
数学史上的先驱人物也消失在历史的迷雾中。
然而,
数学每
前进一步,都伴随着人类文明
的一次进步。亿万年前,那些居住在岩洞里的人就有了数的概念,
在为数不多的事物
中间增加或取出几个同样的事物,
他们能分辨出多寡
(不少动物也具有这类意
识)。慢慢
地,人类就有了明确的
数的概念:
1
,
2
,
3
,…
…正如部落的头领需要知道有多少成员,
牧羊人也需要知道他拥有多少只绵羊。
在有文字记载以前
,
记数和简单的算术就发展起来了。
打猎的人知道
,
把
2
枚箭矢和
3
枚箭
矢放在一起就
有了
5
枚箭矢。
就像不同种族称呼家庭主要成员的声音大同小异一样
,
人类最初的
计数方法也是相似的
,
最早可
能是手指计数
,
一只手上的五个指头可以被现成地用来表示五个以
内事物的集合。两只手上的指头合在一起
,
不超过
10
个元素的集合就有办法表示。
例如
,
当数
羊的只数时
,
每有一只羊就扳一个手指头。
后来
,
才逐渐衍生出三种有
代表性的记数方法――石
子记数(有的是用小木棍)
、结绳记数和刻痕记数(土坯、木头、石块或兽骨上)
,
这样
不仅可以
记录较大的数字
,
也便于累计和保存。
在古希腊的荷马史诗
《奥德赛》
中有这样一则故事:
当主人公奥德修斯刺瞎了独眼巨人波吕
斐摩斯仅有的
一只眼睛以后
,
那个不幸的盲老人每天都坐在自己的山洞里照料他的羊群。
早晨羊
儿外出吃草
< br>,
每出来一只
,
他就从一堆石子
里捡出一颗。晚上羊儿返回山洞
,
每进去一只
< br>,
他就
扔掉一颗石子。当他把
早晨捡起的石子全都扔光时
,
他就确信
所有的羊儿返回了山洞。
说来有点残酷
,
一些美洲印第安人通
过收集被杀者的头皮来算计他们杀敌的数目
,
洲的原始猎人通过积累野猪的牙齿来算计他们杀死野猪的数目。
当指头不敷运用时
,
就出现了石子记数等
,
以便表示同更多的集合元素的对应。
但记数的石
子堆很难长久保
存信息,于是又有结绳记数和刻痕记数。我国《周易•系辞下》有“上古结绳而
< br>
治
,
后世圣人
,
易之以书契”的说
法。
“结绳而治”即结绳记事或结绳记数, “书契”就是在物体
上刻痕
,
以后逐渐发展成为文字。
p>
结绳记事、记数
,
并不限于中国
,
世界各地都有
,
p>
如希腊、波斯、罗马、巴勒斯坦以及伊斯
兰国家都有记载或实
物标本。纽约美国自然史博物馆就藏有古代南美印加部落用来记事的
绳结
,
在一根较粗的绳子上拴系涂有颜色的细
绳
,
再在细绳上打各种各样的结
,
不同的颜色和结的位置、
形状表示不同的事物和数目。结好的绳有一个专名叫
“基普”
。日本的琉球群岛的某些小岛至今
还保留这种结绳记数的古老方法。
(课件展示古印加人的结绳)
在物体
上刻痕记数
,
最迟在旧石器时代的晚期已经出现。
发现一根幼狼胫骨
,
长约
18
厘米
,
上有很深的人工刻痕
,
时间据考大约在
道
,
分为两
组
,
第一组
25
道
,
第二组
30
道
,
每
一组刻痕又按五个一群排列。
后来
,
就产生了各种各样的语言
,
包括对应于
大小不同的数的语言符号。再后来
,
又经历了
< br>
数万年的发展后
,
直
到距今大约五千多年前
,
才出现了书写记数以及相应的记数系统。
早期记数
系统有:
①公元前
3400
年左右的古
埃及象形数字;
②公元前
2400
年左右的巴比伦楔形数字;
③ 公元
前
1600
年左右的中国甲骨文数字;④公元前
而一些非
1937
年在捷克摩拉维亚的洞穴中
3
万年前。刻痕共
55
500
年左右的希腊阿提卡数字;⑤公元前
(课件展示古埃及的象形
数字。)埃及有四种文字
,
最古老的是象形文字。后来经过简化
,
500
年左右的中国筹算数码;⑥公元前
3
00
年左右的印度婆罗门数字⑦以及年代不详的玛雅数字。
<
/p>
成为僧侣文,再进一步简化成通俗文字。还有一种科普特文是公元后
2
—
3
世
纪时用希腊字母拼
写的埃及文字。
象形数字用一根垂直棒或一竖表示
1
,
一根足械或轭表示
10
,
一卷轴或一圈绳表
示
100
,
一朵莲花
表示
1000
。
10
,
000
是一个手指头
,
有时向左弯
,
p>
有时向右弯。
100
,
000
有好
几种写法
,
有时像青蛙或鱼
,
有时
像小鸟。
1
,
000
,
000
是一个跪着的人
,
象征埃及管空间之神。
< br>
当在一个数中出现某个数码的若干倍时
,
就将它的
符号重复写若干次
,
这说明古埃及人的记数系
6
统是叠加制而不是位值制。这些数字常见于陶片、石头、木头
或纸草上,在坟墓内、庙宇的墙上
及方尖塔上都可以
看到。
早在公元前
4
、
5
千年,两河流域(今伊拉克境内)的苏美尔人就
创造了楔(
xie
)形文字,用木笔在软泥板上刻写,形状
像楔子。后来
传给巴比伦人。他们用垂直的楔形来表示
形表示
10
,如
Y
。
(课件展示中国甲骨文数字)
这是殷周时代刻在龟甲兽骨上的数字,
最初出土于河南安阳小
屯村的殷墟,
距今
3
千多年。殷墟是我国商代后期的
都城。
公元前
1300
年商王盘庚建都与安阳
,
史称
殷墟”。
更加接近现代位值制的是中国的算筹记数法。算筹是用于计算的小竹棍
< br>
1
,如。用末端二个横向楔
(
也有木质、骨质、象牙或金属材料的算筹
)
,和筷子差不多长,它是中国人
<
/p>
创造的计算工具•春秋战国时代,算筹的使用已相当普遍,书中多有记载,
如“孟子持筹而算之”
(
《
十
发》
)
,“善计者不用筹策”
(
《老子》
)
,等等
.
用筹进行计算称为筹算•据文献记载,用算筹表示数有纵横
两
种摆法。
(
图
2561
摆成
iiii
,
中第一行为纵式,第二行为横式
)
记数时与十进位值制相配合,采用从左到
右(或从上到下)纵横相间的摆法,
遇零则空位•例如<
/p>
308
摆成川
III
•筹算加减法与珠算类似,从左到右逐位相加或相减•筹算乘
除法的步骤稍微复杂一些
.
算筹在中
国数学史上占有非常重要的地位,在长达两千年的时间里,一
直是中国的主要计算工具,直到元明时
代才逐渐被珠算所代替。中国古代数
学家也称为筹人。
印度文明可远溯到公元前
2000
年,但他们在公元前
800
年以前是没有数学的。大约在公元
<
/p>
前
3
世纪以后,
印度出现了数的记号,典型的的是婆罗门数字。
(课件展示婆罗门数字)婆罗门
数字的出色之处是它给
1
到
9
的每个数都有单独的记号,还没有零和进位记
法。
哥伦布到达以前的美洲,有两个文化中心:一个是南美洲
的印加,广泛使用结绳记数,前面
介绍了。另一个是
中美洲的玛雅。玛雅人分布在现今墨西哥南部的尤卡坦半岛、危地马拉、伯利
兹、洪都拉斯西部一带。玛雅文化的
开始可以上溯到公元
前
是公兀
3
—
9
世纪。他们创造了一种象形文字,
1000
年获更早,但真正繁荣的时期
最初刻在石碑和建筑物的墙上。
大约
从
9
世纪起,
。
16
世纪西班牙
将无花果的树皮压制成“纸”,用红、蓝。黄、吕、黑等颜色在上面写成“书”
入侵,将这些珍贵的文献焚毁殆尽。玛雅人创造了一种
一个代表零符号
-
--------------------
就
可以表示任何数字。
进位制”上。
这些记数系统采用不同的进制,
其
中巴比伦楔形数字采用六十进制、
外,其他
均采用十进制。
记数系统的出现使人类文明向前迈进了一大步
,
在几个古老的文明地
区发展起来。
<
/p>
与算术的产生相仿,最初的几何知识是从人们对形的直觉中萌发出来。
本身提取几何形式,并且在器皿制作、建筑设计、及绘画装饰中加以再现。
(课件展示埃及前王朝时期陶器与西安半坡遗址及出土陶器。
半坡遗址,位于距陕西省西安市十余里的半坡村。考古学家使用碳
在距今
5000
年左右,属于新石
器时代的聚落遗址。
)
20
进位值制记数法,数字表达与算盘的
类似的原理今天被应用在电脑的
“二
算珠有异曲同工之妙。玛雅人创
造了零点符号,像半开的眼睛,也像一只贝壳。他们使用三个符
号:一点、一横、
玛雅数字采用二十进制
在此基础上初等算术便
史前人首先从自然界
14
测出半坡遗址的年代
遗址总面积约
10
万平方米,是一片不规则的
p>
圆形。遗址的主体部分是通常所见的居住区,居住区内有房基、窖
穴和饲养家畜的圈栏。房屋有
地面和半地穴式两
种,
全部为单间。可以看出建筑技术已有了相当的水平。
石器是半坡人使用的
主要生产工具。
半坡遗址居住区的东面是制陶区。从出土的陶器看,陶器坯子主要是手制。
经验的几何知识随着人们的实践活动而不断扩展。据希腊历史学家,被尊称为“历史之父” 的希罗多德(越公
元前
484
—前
425
)的研究,古埃及几何学产生于尼
罗河泛滥后土地的重新丈
量。尼罗河定期泛滥,通常自
7
月
中旬开始,淹没全部谷地。
11
月洪水逐渐退落,土地上遗留
着肥沃的淤泥。正月,埃及人在松软的土壤里播种,
能获得丰富
的收成。古埃及测量土地人员有
一个专名,叫做“司绳”或者“拉绳者
”,“拉绳者”指的就是当时的
几何学家。
(课件展示底比
斯墓中灰泥墙上的拉绳者图,约公元前
1415
年)
7
古印度几何学的起源则与宗教实践密切相关,
公元前
8
世纪至
5
世纪形成的
《绳法经》
就是
关于祭坛与
寺庙建造中的几何问题及求解法则的记载。
古代中国,
几何学起源更多地与天文观测
相联系
。数学经典《周髀算
经》就是一部讨论西周初年(公元前
数学方法的著作。
(后面详细介绍)
1100
年左右)天文测量中所用
2
河谷文明与早期数学
历史学家往往把兴起于埃及、
美索不达米亚、
中国和印度等地域的古代文明称为
“河谷文明” 。
早期数
学,就是在尼罗河、底格里斯河与幼发拉底河、黄河与长江、印度河与恒河等河谷地带首< p>
先发展起来的。其中古埃
及与美索不达米亚的数
学在年代上更为久远,只是在公元前均告衰微,
崛起稍晚点的
中国与印度数学则延续到纪元
之后并在中世纪臻于高潮。
这里先介绍古埃及与美索
不达米亚数
学,古代中国与印度数学我们放到中世纪一并讲
述。
2.1
埃及数学
⑴背景
埃及是文化发达最早的几个地区之一。
埃及文明源自何处至今未知,
但它肯定在公元前
4000
年之前就已存
在。正如希腊史学家希罗多德(
Herodotus
)所说,埃及是受尼罗河恩施的。这条
河把南方的水一年一度地泛滥
到沿河两岸之后留下沃土。
他们的大多数人自古以来就一直靠耕种
这片沃土为生。这国家的其余部分都是荒漠。
在今天埃及这块地方,古代有两个王国,一个在北方,一个在南方。早在旧石器时代,那里
就有居民。埃及的
历史,从公元前
3100
年左右美尼斯统一南、北埃及建立第一王朝起,到公元
前
332
年亚历山大大帝灭最后一个
埃及王朝止,
前后绵延约三千年。
埃及文化在公元前
2500
年
左右到达最高点,当时的统治者建
立了至今闻名的
金字塔。公元
600
年左右,埃及的历史和数
学就附属于希腊文明了。
⑵埃及古文字
公元前
3000
< br>年左右,埃及已有可考的文字记录。最古老的文字是象形文字,每个文字记号
是某件东西的图
形。
人类最初用实物或图画来表示某种思想,
这种办法在今天还可以看到它的痕
迹
,例如在饭馆前面挂一个幌
子,表示卖某种食物。图画经过长期的演变,形成象形文字。
象形
文字我们前面介绍过。象形文字和图画的区别在
于象形文字有固定的形状和读音,而图画没有。
如图为埃及象形文字。(课件展示)
象形文字有很大的局限性,写起来相当麻烦。约公元前
2500
年被简化成一种便于书写的僧
侣文,
僧侣文多
为僧侣所用。僧侣文是拼音的,每个音节由一个会意文代表,而整个文字则由一
些会意文组成。
书写的方式是用颜
料写在纸草上。
纸草是盛产于尼罗河三角洲的水生植物,
形状
像芦苇,可以制造各种用具,
如编筐、织绳等,嫩
芽可吃。
古代埃及人把纸草的茎逐层撕成薄片,
压平后一张张粘起来就可以当纸用。纸草可以任意接长。
10
世
纪,中国的造纸术传入埃及,纸
草被中国纸所取代。
因纸草会干裂成粉末,
所以除了铭刻在石头上的象形文字
外,
古埃及的文件
很少保存下来。
象形文字除了简化成僧侣文之外,
在公元前
7
世纪时还发展成一种通俗文。
僧侣文主要用于
抄写宗教文
献,而通俗文字则用于其他方面。
2
—
3
世纪,埃及人信奉基督教,在翻译《圣经》
时又创造一种用希腊文字母拼写的埃及文,叫做科普特文。
象形、僧侣、通俗、科普特都是埃及的古代文字。
7
世纪以后,阿拉伯人占领埃及,这个地
区改奉伊斯兰
教,完全使用阿拉伯文,直到今天。象形文字大概在
3
世纪被废弃以致全部遗忘。
1798
年,拿破仑率军进攻埃及。拿破仑是科学的爱好者,
在军事进攻的同时,他组织了科
学考察团,其中有
著名的数学家蒙日(
Gaspard Monge,1746
—
1818
)和傅立叶(
Jean
Baptiste Fourier,1768
—
1830
),对
埃及进行了全面的考察。
1799
年,拿破仑的士兵在离亚历山大
48
公里的罗赛塔村发现一块黑色玄武岩的石碑,长
114
厘米,宽
72
厘米(如图
2
—
3
)。碑上刻
有用三种文字记
述的铭文,上面是象形文字,中间是通俗文字,下面是希腊文(如图<
/p>
2
—
4
)。
铭文刻于公元前
196
年,内容是托勒密五世的践位庆典。拿破仑吃了败仗,此物归英国不列颠
博物馆所有。
这块
< br>石碑使精通希腊文的学者找到了解读埃及古文字的钥匙。
如图为罗塞塔石碑和
罗塞塔石碑上的铭文。(课件展示)
埃及古文字的解读,主要归功于
19
世纪法国文字学家商博良(
J_llion
,
1790_1832
)英国物
理学家杨(
Thomas Young
,
1773-1829
)。商博良的经历颇具传奇色彩。
传说他在
11
岁时遇到数学家傅立
叶,傅立叶给他看带有象形文字的纸草和石头,并肯定地说:<
/p>
没有人能认识这些古怪的字。
这孩子说:
我长大了
8
一定能认识它。
他从此就和古文字结下不解之
缘,
13
岁能阅读希腊文、拉丁文和埃及文。
17
岁进入法国东南部
的格勒诺布尔
大学。经过
20
多年的钻研,
终于揭开象形文字之谜。
可惜英年早逝,
年仅
42
岁。
而另一位古文
字的探索者杨,
在
1813
—
1814
年率先对通俗文字作了分析,
为商博良的解读开辟了道路。
而拿破仑可以说是
埃
及学到最早倡导者。
⑶金字塔
宇航员在月球上观察地球,
陆地上的建筑物只能清楚地看到中国的万里长城和埃及的金字
塔。这是
人类在地球上创造的两大奇迹。
金字塔是古埃及法老的坟墓,
确是埃及古代人民智慧的
结晶。(课件展示金字
塔)
金字塔的构思反映古埃及人的信仰。他们相信高山、大漠、长河都是神圣的
,
法老王被宣扬
为自然神。于是通过审美就把高山、大漠、长河的形象的典型特征赋予王权的纪念碑
,
在广阔的
大漠中金字塔显得
雄伟壮观。
它的形象和尼罗河的风光十分协调
,
大漠孤烟,
长河落日
,
非常壮阔。
现存的各种类型的金字塔约有
80
座,最大的一座是第
4
王朝法老胡夫(约公元前
2589
—
前
2566
)的金
字塔。位于开罗附近
的吉萨,原高
146.5
米,因损坏及下沉现高
137
米,基底正
方形每边长
233
米(现长
227
米)。根据近代的测量,发现大金字塔底边长度的误差仅仅是
1.6
厘米,即全长的
1
/
14000
。基底直角的误差只有
12
或直角的
1
/
27000
。如果没有相当的几何
和测量知识,很难想象能作出如此精确的长度和角度。数学史家
M.
康托尔(
1829
—
1920
)猜测
古埃及人已知用
3
< br>:
4
:
5
的关系来作出直角。
(课件展示狮身人面像)
在仅次于胡夫金字塔的哈夫拉金字塔的东面,
伏着一尊巨大的狮身
人面像,
它
面朝着东方,
似乎在向初升的太阳行注目礼。
它和金字塔共同显示了法老生前的无上
权威以及死后的灵魂不灭。
狮身长
240
英尺,高
66
英尺,人面部是哈夫拉法老的理想肖像。这
是人类第一件巨型雕像,仅人面部就有
5
米
长,耳朵有
3
米。
⑷埃及数学的史料
现在我们对古埃及数学的认识,
主要是根据两本用僧侣文写成的纸草书:
莱茵德纸草书和莫
斯科纸草书。
(课件展示
《莱茵德纸草书》
,上为全景下为局部。
人教出版社
《数学史选讲》
课本有此书。
)
《莱
因德纸草书》〔
Rhind
Papyrus
〕最初发现于埃及底比斯古都废墟,
莱茵德购得,所以以他的名字命名。他死后归伦敦大英博物馆所有。该纸草书全长
1858
年被苏格兰收藏家
525
厘米,
宽
33
厘米,中间有少量缺失。缺失碎片
1922
年在纽约一私人收存的医学纸草书中被发现,现
藏于美国布鲁克林
博物馆。
《莱茵德纸草书》是公元前
1650
年左右的埃及数学著作,属于世界
上
最古老的数学著作之一。作者是
书记官阿姆士。内容似乎是依据了更早年代〔公元前
p>
1849
年
「公元前
1801
年〕的教科书,是为
当时的包括贵族、祭司等知识阶层所作。全书分成三部分,
一是算术;二是几
何;三是杂题,共有
84
题。记载着埃及人在生产、生活中遇到的实际问题。
例如,对劳动者酬金的分配;面积和
体积的
计算;不同谷物量的换算等等。其中,也含有纯数学
知识问题。例如,分数的难题计算等等。
莫斯科纸草书,是由俄国贵族戈列尼雪夫
1893
年在埃及购得的,所以又叫戈列尼雪夫纸草
书。
1912
年转
藏于莫斯科普希金精细艺术图书馆。这部纸草书长约
550
厘米、宽
8
厘米,共记
载着
25
个问题。这部纸草书产
生年代约为公元前
1890
年,也是用僧侣文写成的。
这两部纸草书是古埃及最重要的传世数学文献。
除此之外,还有一些零星的资料:
卡呼恩纸
草书和柏林纸草书、阿赫米
姆木板文书以及克索斯时代的羊皮书一卷等。
⑸埃及的算术与代数
古埃及人使用的是十进记数制,并且有数字的专门符号。
p>
示
1000
,弯曲的手指表示
10000
,
—只青蛙或一条鳕鱼表示
当在一个数中出现某个数码的若干倍时,
统是叠加制而不是位值制。
古埃及人
已有了分数的概念。埃及数学最显著的特点是使用单分数。
殊的记号来表示单位分数即分子为
埃及象形文字用一种特
就表示该整数的
(课件展示)我们前面介绍过,用
一根垂直棒或一竖表示
1
倒置的窗或骨表示
10
,形似大写字母
C
的套索表示
100
,一朵莲
花表
100000,
而跪着的人像则表示
1000000
。
就将它的符号重复写若干次,这说明古埃及人的记数系
1
的分数:在整数上方简单地画一个长椭圆,
帀
=
吉
吊
p>
=
吉
倒数。如
。除了几个特殊分数之外,埃及人将所有分数都表示为一些单位
9