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1 # 五彩祥雲
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2 # 中學數學深度研究
數的產生和發展離不開生活和生產的需要。自然數是在人類的生產生活實踐中產生的。與之相比,負數的產生則是經歷了一個更為漫長的過程。
中國是世界上首先使用負數的國家
戰國時期,李悝(約公元前455—前395)在《法經》中說:“衣五人終歲用千五百不足四百五十”,其意思是說,5個人一年開支1500錢,入不敷出,尚“不足四百五十”,即還差450錢。這裡的“不足”就是負數的意思。
負數概念最早出現在中國的《九章算術》中,裡面提出了正負數加減法則,但未說明什麼是正負數。
據史料記載,早在兩千多年前,中國就有了正負數的概念,掌握了正負數的運演算法則。人們計算的時候用一些小竹棍擺出各種數字來進行計算。這些小竹棍叫做“算籌”算籌也可以用骨頭和象牙來製作。
中國三國時期的學者劉徽在建立負數的概念上有重大貢獻。劉徽首先給出了正負數的定義,他說:“今兩算得失相反,要令正負以名之。”意思是說,在計算過程中遇到具有相反意義的量,要用正數和負數來區分它們。 劉徽第一次給出了正負區分正負數的方法。他說:“正算赤,負算黑;否則以邪正為異”意思是說,用紅色的小棍擺出的數表示正數,用黑色的小棍擺出的數表示負數;也可以用斜擺的小棍表示負數,用正擺的小棍表示正數。
據有關資料顯示,負數的產生與其他數學概念的形成相類似。負數是為了表示並計算現實生活中具有相反意義的量。當生活中用單一的數概念無法準確地描述兩種迥然不同的量時,人們自然想到了擴充原有的數概念以適應新的需要。
有關這方面內容的文字記載據說最早出現在《九章算術》中。關於負數的引入,書中以賣(收入錢)為正,買(付出錢)為負;餘錢為正,不足錢(虧錢)為負;在關於糧谷計算的問題中,益實(增加糧谷)為正,損實(減少糧谷)為負。
我們來看兩個生活中的例子吧。
但是相反意義量的存在並不是負數產生的充分條件。換句話說,有了負數,確實有利於表示相反意義的量;但並不是說沒有負數,就不能表示相反意義的量,如果我們在同一個數的前面註上兩個反義詞,問題不也就解決了嗎?
是的,在《九章算術》中的直除法消元,必然會出現零減去正數的情況,要使運算進行下去,必須引進負數。
因此,正負是相對的。在列方程時可以根據消元的方便確定各行的符號。正負是兩種不同的運算,加上一個正數等於減去一個負數,加上一個負數等於減去一個正數,這樣,運算便可暢行無阻。
《九章算術》中引入這些實際的例子很好地說明了古代先哲是如何提出負數的。或許對你理解負數是如何誕生的也有所啟發。
負數在國外出現的理由及發展狀況
儘管中國古人首先發現並應用了負數,但客觀地說,演算法中使用負數和在邏輯上真正理解負數是兩個層面的事情。負數的數學意義,首先是西方數學家們建構起來的。
在西方,人們認識負數比認識無理數還困難。被譽為代數學鼻祖的希臘數學家丟番圖(246-330)雖知道把“負負得正,正負得負”的乘法法則運用於(x-1)(x-2)一類的乘法,但他認為2x<10是荒謬的。
在公元1150年(比《九章算術》成書晚1千多年),印度在公元7世紀才採用負數,公元628年,印度的《婆羅摩修正體系》一書中,把負數解釋為負債和損失,是西方最早在數學上使用負數的是一本印度數學文獻。它的出現是為了表示負資產或債務。在很大程度上,歐洲數學家直到17世紀才接受負數的概念。
13世紀初,義大利數學家斐波那契解釋負數為“欠款”。15世紀,法國數學家許凱在1484年對解方程中多次出現的負數解用賒欠等詞語解釋了它們的意義。
著名的德國數學家史提非在1544年說負數是“無稽的”或“虛偽的零下。16世紀法國數學家韋達解方程時仍然不要負數。1545年,義大利的卡當著《大法》,成為歐洲第一部論述負數的著作。
法國數學家吉拉爾在《整數算術》中正式用“+”、“-”表示加、減,並注意到負數不單是一種減數,還是小於零的數,比零小也就是“小於一無所有”,因而負數是“荒謬的數”。”這樣的表示方法被廣泛接受,並沿用至今。
特別是1637年,法國數學家笛卡爾發明瞭解析幾何學,建立了座標點,將平面點與負數、零、正陣列成的實數對應起來,使負數得到了解釋,從而加速了人們對負數的承認。
直到1712年,連萊布尼茲也承認這種說法合理。英國數學家瓦里承認負數,同時認為負數小於零而大於無窮大(1655年)。他對此解釋到:因為a>0時,英國著名代數學家德。摩根 在1831年仍認為負數是虛構的。
但直到19世紀,德國數學家魏爾斯特拉斯等人為整數奠定了邏輯基礎以後,負數才在現代數學中獲得鞏固的地位。
一點感慨
從上面可以看出,負數的引進,是中國古代數學家貢獻給世界數學的一份寶貴財富。單、但東方數學的發展滿足於解決問題,所以對負數的認識只限於它的四則運算,直至近代也沒有更多的的突破。西方對負數的探討雖然起步較晚,但理性思辨的傳統,使得他們從一開始就聚焦於方程負數解的討論上,並最終完成了對負數的數學抽象。
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3 # 學好數學並不難
隨著人類歷史的發展,有一些比0更不可思議的數字開始在歐洲流行起來了,它們是一些比0還小的數字,被稱作負數。要知道,0的存在就已經很讓人抓狂了,怎麼會有比0還小的數字呢?是什麼人吃錯了藥,非要使用這樣的數字呢?商人!那他們使用負數有什麼好處呢?賺錢!什麼?賺錢?負數為什麼會讓商人多賺錢呢?要想知道這一點,我們首先就要弄明白,商人是怎麼賺錢的:
大家都知道,所謂商人,就是靠倒賣東西賺錢的人,他們以很便宜的價格把貨物從產地買進來,再以昂貴的價格在市場上賣出去,從中賺取差價。一個商人要想賺錢,首先必須要擁有一筆啟動資金,先用這筆錢買來貨物,然後再賣出去才能賺錢。假設一開始這個商人只有10萬元,那麼,他就只能先買進10萬元的貨物,如果他把這些貨物賣出以後能收入15萬元,那麼,他買賣一次貨物,就能賺5萬元錢。我們再假設他買賣一次貨物需要1個月的時間,這就意味著他1個月的時間就能把10萬變成15萬,讓自己的資產翻1.5倍。那麼,如果他一開始就有100萬呢?他就可以一次進100萬元的貨物,而1個月後,他的資產翻1.5倍,就會變成150萬。換句話說,商人賺錢的多少,是受他的成本控制的,越是有錢的商人,賺錢越快。可是這件事跟負數有什麼關係?說來說去,我們得到的結論不就是一句廢話嗎,誰不知道越有錢的人賺錢越容易呢。
不對!剛才的這些內容啊,都是理論分析,如果你去市場上觀察你會發現:商人能進的貨,遠遠比他手裡的現金要多,一個手裡只有10萬現金的商人,就能做著100萬的生意。為什麼?因為他在這個市場上經營的時間長了,跟客戶和供貨商的關係特別好,於是他們彼此之間產生了相互的信任關係,因此大多數生意都是在相互賒欠的情況下完成的。雖然我手裡只有10萬現金,但是我還有很多客戶,他們欠著我80萬的賬款,同時,我的倉庫中還有10萬的貨物,在這種情況下,我就可以毫不費力的從進貨商那裡再賒來90萬的貨物,等我把貨物賣出去,把錢賺到手以後,再慢慢的還給他們。在一個穩定成熟的市場上,商人之間比拼的不僅是誰手中的現金多,更是誰的信用更好,信用多的人就能夠賒欠更多的貨款,所以他的生意就能做的更大。一個毫無信譽的人,手裡有20萬現金,他就只能同時做20萬的生意,而一個信譽良好的人,手裡有10萬現金,卻可以同時做100萬的買賣。那麼,欠債經營這件事是不是臨時的呢,一個商人如果靠著欠債賺回100萬了,我是不是就可以不用欠別人的錢了呢,不是的,如果他有100萬現金,他就有資格欠別人1000萬了,他也就可以同時開始做1000萬的生意了。
從上面的分析中可以看到,債務是一個商人信用的表現,依靠債務,商人可以擴大自己的生意規模,讓自己多賺十倍的利潤。因此欠債在商業活動中是一種常見的現象。那麼,我們要如何在賬面兒上同時體現出來現金和負債呢?有人說,我可以透過欠款兩個字來表示,也有人說,我可以用不同顏色表示,比如用黑色的字表示收入,紅色的字來表示負債。這些辦法當然可以,但是,更為簡便的辦法是直接使用負數。負數是比0還小的數,它代表的含義與正數的含義相反。就在商人們開始大量的使用負數的時候,在一些數學家的筆下,負數也出現了:
我們都知道,加法是具有交換律的,比如3+5的結果和5+3的結果是一樣的,這一點在人類發現加法的時候,就已經知道了,因為加法代表的就是兩個數的和,而相加的結果與兩個數字出現的順序是無關的。但是,人們也知道,與加法相反的減法顯然是不符合交換律的,5-3顯然和3-5有著本質的區別。但是,如果你的算式中多了一個數字,比如,如果你的算式是7-3+2,你就會發現,無論是先-3,還是先+2,結果總是不變的,7-3+2=6,7+2-3也是=6的。當然,這樣的算式還可以t有無限多個,算式也可以無限的長,只要你不把減號後面的數挪到第一個數字的位置上去,無論你怎麼移動後面加減的數字,最終的得數總是不變的。這就奇怪了,為什麼減法有時候可以交換,有時候不能交換呢?為什麼第一位的數字就這麼特殊呢?其實不只是第一個位置特殊,人們發現:類似2+5-3這樣的算式也是特殊的,它的結果等於4,但-3卻不可以隨便的移動,如果你把-3移動到中間,變成了2-3+5,前面的2-3,也就沒有意義了。這個矛盾引發了一些數學家的思考,大家普遍認為,如果我們做一個規定,規定小數減去大數等於一個負數,那麼,這個算式自然就有意義了,比如如果規定2-3=-1,那麼-1+5就等於5-1,結果同樣是等於4。於是,負數就作為一種臨時運算的中間結果被保留了下來。值得注意的是,雖然負數的實際應用早就產生了,但是幾乎所有的數學家都堅持認為負數是沒有任何實際意義的,它只是一種為了運算方便而增加的臨時概念。這種觀點一直延續到近代,在笛卡兒建立座標系的時候,還是把負數當假數,甚至連18世紀的尤拉也深信不疑,一直到了19世紀,摩爾根等人還說:負數的存在是“十分荒謬”的。
那麼,是什麼原因讓大家普遍接受了負數呢?其實,是一種全新的世界觀。過去,我們之所以認為最小的數字是0,那是因為我們認為這個世界上,一切跟數字相關的量都是有起點和終點的。比如人的年齡即不可能小於0,又不可能是無限大。同時,任何一方土地,無論它多麼廣闊,它也是有邊界的,如果我們設定一塊土地的最左側表示0,那麼從左到右的測量下去,總會有一個數字表示土地的長度和寬度。但是,隨著我們對整個宇宙的認識的不斷深入,人類的視野逐漸開闊起來,我們總是能發現距離我們更加遙遠的星系,在這個過程中,人類逐漸感受到,整個宇宙空間似乎是沒有邊界的,與之對應的時間似乎也是沒有起點、沒有終點的。像時間和空間這樣沒有起點的量,我們就沒有辦法用0表示它誕生的時刻,或者它開始的地方。因此,我們就只能從中取一個表示0的點,而後用正數和負數分別表示兩個不同方向的量。比如,我們用0年表示公元元年,在此之後的年份就用正數表示,而在此之前的年份用負數表示。再比如,地球的經度,我們也只能人為約定格里尼治天文臺的經度為0,自此向東用正數表示,自此向西用負數表示。另外,一開始我們認為,像溫度這樣的量,也是沒有最小值的,因此,我們就約定水結冰的溫度為攝氏0度,高於0度的用正數表示,低於0度的用負數表示。儘管後來我們發現溫度是存在最小值的,它的最小值被稱為絕對0度,然而由於絕對0度的環境太不常見了,所以我們還是保持了原來的習慣。
這樣一來,負數的存在就有了與之對應的實際含義,於是負數的概念就被世人廣泛接受了。
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負數是數學術語,比0小的數叫做負數,負數與正數表示意義相反的量。負數用負號(Minus Sign,即相當於減號)“-”和一個正數標記,如−2,代表的就是2的相反數。於是,任何正數前加上負號便成了負數。一個負數是其絕對值的相反數。在數軸線上,負數都在0的左側,最早記載負數的是中國古代的數學著作《九章算術》。在算籌中規定"正算赤,負算黑",就是用紅色算籌表示正數,黑色的表示負數。兩個負數比較大小,絕對值大的反而小。