改变世界百大科技三二 古埃及古巴比伦古希腊数学:古代的思维体操

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当文明发展到一定程度时,数字和数学必然会来到人间。

在多数人的眼中,数学便如同立于各种奇异符号、公式之上的高岭之花,是高智商人群的思维游戏。其实,作为一种“思想的体操”,早期的数学起源于人类的日常生活中。

数学(Mathematics),来源于希腊语μάθημα,有学习、学问、科学之意,古希腊学者视其为哲学的起点。而在原始社会时期,数学最简单的形式——计数和简单的算术,在有文字记载以前就发展起来了。

大约在300万年前,处于原始社会的人类就用在绳子上打结的方法来计数,并以绳结的大小来表示野兽的数量,数的概念就是这样逐渐发展起来的。

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奇普,印加帝国时所使用的计数工具

到了一万二千年前,两河流域出现了农业、畜牧业,人们开始定居。自然而然,在生产实践中对数学的需求越来越多。在公元前3200年的埃及第一王朝,以及公元前3000年的古巴比伦王国时期,人类便有了对数的记录。古埃及人在石板上雕刻象形文字,而巴比伦人则是用芦苇在尚未干透的泥板上戳刻楔形文字。它们两者的数学既有不少相同之处,又有各自的特点:埃及注重实用,而两河流域的数学难度更大、理论水平更高。想要了解数学的起源,我们先把目光投向古埃及

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历史上的埃及农业发达,农产品丰饶

那时,尼罗河下游每年定期发大水,洪水冲刷带来了淤泥和肥料。这些泛滥平原,是埃及最肥沃的土地,埃及人在这里播种,然后无需更多管理,就能静待收获。然而,大自然的恩赐也带来了一个小小的问题,即一到汛期土地必被淹没。当时古埃及的农业制度,是国王分配同样大小的正方形土地给每一个人,耕种的人每年提取收获的一部分交租。如果洪水冲垮了他们所耕种的土地,他们报告给国王,国王就会派人前来调查并将损失的那一部分测量出来,这样,他们就可以相应地少交一些租。

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修建金字塔

此外,法老大兴土木修建金字塔,但埃及人在建造金字塔时,必须计算土方和需要的石块数量,以及计划相应的运输,这些都需要数学的支撑。

于是,在不断的生产实践中,埃及人逐渐有了对面积和体积的“定义”,并创造了乘与除的“算法”和如何求解“方程”。甚至在对土地的测量中,最终产生了几何学以数字为例:

各种语言中都有表示“数”的文字,比如“百”“千”等数量词,而“五百七十”则清楚表示了数的大小,但这种仅是文字而不是数字。数字是用于表示数目大小的“专用符号”,要能参与运算,而5000年前的埃及数字还非常原始。

在埃及,数字“1”的表示就是一竖,数的写法本身也是加法,从而相加相减无师自通。但这种数字是“自然十进制”,它就好比人有十个手指,每次用手数到十后就数不下去了,只有做个记号才能继续数,这里做个记号实际上是“进位”。显然“自然十进制”与我们今天使用的、含有“0”和“位数”的十进制有本质区别。

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古埃及数字

数字的出现不仅因为记录的需要,更是为了方便计算。那时,在埃及的数学运算过程中,就诞生了加减乘除和开根号。乘法是加法的自然延伸,除法出自减法,除法中出现了除不尽的情况,所以埃及人又发明了分数。至今发现的埃及莎草纸文书中,就含有大量的数学内容。

而居住在古巴比伦苏美尔人在数学上也很有建树,不仅掌握了分数、加减乘除四则运算的方法,还知道如何解一元二次方程当然,还有两项最重要的发明不能不提及:一项是十进位法及十六进位法,另一项就是计算出了π的值近似3。

但遗憾的是,4000年前古埃及和古巴比伦数学主要是解决生产劳动中出现的具体问题,还没有“理论”。英语“GEOMETRY(几何)”出自希腊语,意思是土地测量。在公元前7世纪,希腊人全盘继承了埃及和两河流域的数学、几何知识,并将数学发展成为一门科学。围绕着数学,他们形成了几个著名的学派:毕达哥拉斯学派伊奥尼亚学派智者学派柏拉图学派及其他学术中心。

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毕达哥拉斯雕像,现藏罗马卡比托利欧博物馆

毕达哥拉斯学派企图用数来解释一切,他们以发现勾股定理闻名于世,又由此导致不可通约量的发现。这个学派还有一个特点,就是将算术和几何紧密联系起来。此外,他们还发现了五种正多面体。在天文方面,首创地圆说,认为日、月、五星都是球体,浮悬在太空中。

伊奥尼亚学派则致力于将数学和宗教联系起来,想通过数学去探索永恒的真理。

智者学派以教授文法、逻辑、数学、天文、修辞、雄辩等科目为业。这个学派的安提丰提出用“穷竭法”去解决化圆为方的问题,是近代极限理论的雏形。

而柏拉图学派主张通过几何的学习培养逻辑思维能力,将抽象的逻辑规律体现在具体的图形之中。如欧多克索斯创立了比例论,是欧几里得的先驱,亚里士多德也是形式逻辑的奠基者。

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古希腊数学家欧几里得,此画为拉斐尔的作品《雅典学院》

到公元前3世纪,欧几里得几何原本问世,人类科学史上第一部里程碑式的巨作终于大功告成。毫无疑问,欧几里得是站在了巨人的肩膀上。

数学是一门严谨、逻辑性很强的科学,它不仅是学习和研究现代科学必不可少的基本工具,还是推动人类社会发展以及科学技术进步的重要因素之一。

古希腊文明毁灭后,阿拉伯人将他们的文化保存下来并加以发展,后来又传回欧洲,数学重新得到繁荣,并最终导致了近代数学的创立;

到了19世纪,纯数学从自然观察所要求的局限中解放出来,被应用到工业、航天等领域,发挥着至关重要的作用,几次工业革命的背后都离不开数学等基础科学的理论支撑;

现在,数学发展成多个分支,它们使用在工程、医学、经济学和金融学等不同领域中,不断激起新的数学发现,并导致全新学科的诞生。

就纵度而言,数学在各自领域上的探索还将继续深入……


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