對數(shù)的賞析

這個標(biāo)題讀起來可能會產(chǎn)生歧義,一種是對——數(shù)的賞析,另一種是對數(shù)——的賞析。前者中“對”是動詞,作用于“數(shù)的賞析”,后者“對數(shù)”是一個詞,類比前者,后者應(yīng)當(dāng)叫“對對數(shù)的賞析”。

今天本文說的是后者,數(shù)學(xué)講究簡潔美,還是叫做“對數(shù)的賞析”吧!

有了數(shù)之后,數(shù)就有了運(yùn)算,加減乘除大家都比較熟悉,1+1就是加法運(yùn)算,運(yùn)算的結(jié)果是2,加法運(yùn)算的結(jié)果,我們稱之為“和”。所以加減乘除對應(yīng)著和差積商,前者是運(yùn)算,后者是運(yùn)算的結(jié)果。

數(shù)學(xué)的東西有時候既要看結(jié)果,也要看過程,過程往往比結(jié)果更重要。

看結(jié)果是注重能力,看過程是關(guān)注素養(yǎng)。打個比方說,一個人辛辛苦苦勞動了一年,收入了一萬元,另一個人蒙上面搶銀行,一會兒掠奪到十萬元。單從能力上看,后者能力強(qiáng),錢多就是厲害,人們喜歡向錢看;如果從素養(yǎng)上看,一定是前者高,一年一萬,錢是少了點(diǎn),但是自己辛苦所得,心安理得,警察也不會找你。

還是討論數(shù)學(xué)。比如求幾個相同加數(shù)的和的簡便運(yùn)算,就是乘法。2乘3和3乘2的含義是不一樣的,前者是3個2相加,后者是2個3相加,雖然結(jié)果都是6,實(shí)際意義不同。數(shù)學(xué)來源于生活實(shí)際,并解決生活中的實(shí)際問題。

有人可能會提出疑問了,你說是欣賞對數(shù),怎么半天還沒有見到“對數(shù)”的影子,只見琵琶不露面。別急,還沒到它出來的時候。

剛才講到了乘法,求幾個相同因數(shù)的積的簡便運(yùn)算,稱為乘方,乘方的結(jié)果叫做冪。就是楊冪的“冪”,記做ax=N。其中a叫做底數(shù),x叫做指數(shù),N叫做冪,讀作a的x次方等于N,或者a的x次冪等于N。

最開始的時候指數(shù)是正整數(shù),為我們所普遍接受。在經(jīng)歷很長一段時間后,指數(shù)漸漸地?cái)U(kuò)充,從整數(shù)到分?jǐn)?shù),從有理數(shù)到無理數(shù),一路狂奔,直到實(shí)數(shù)甚至是復(fù)數(shù)。

有了乘方運(yùn)算,離對數(shù)就不遠(yuǎn)了。我們熟悉的是與乘方對應(yīng)的是開方,實(shí)際上,在ax=N中有三個量,a、x、N。在有意義的前提下,已知a、x,求N,就是乘方;如果知道x(大于1的正整數(shù))和N,求a,那就是開方了。

從實(shí)質(zhì)上看乘方與開方是一樣的,都是指數(shù)冪的問題,指數(shù)擴(kuò)充之后,乘方和開方就沒有本質(zhì)的區(qū)別了,正如規(guī)定非零數(shù)的倒數(shù)是該數(shù)的負(fù)一次方后,除法就化歸為乘法;減去一個數(shù)等于加上這個數(shù)的相反數(shù),減法也就轉(zhuǎn)化為加法。

許多的事情就是這樣,看起來是對立的互逆運(yùn)算,最后卻走向了統(tǒng)一,正所謂天下大事,分久必合,合久必分,貌合也許神離,對立卻會統(tǒng)一,有點(diǎn)哲學(xué)的味道。

有人說,數(shù)學(xué)是哲學(xué)的基礎(chǔ)。柏拉圖在他的學(xué)園入口寫到:不懂幾何者,禁止入內(nèi)。柏拉圖想告訴人們的是,不懂?dāng)?shù)學(xué)的,是很難進(jìn)入哲學(xué)殿堂的。

從某種意義上來看數(shù)學(xué)是高冷和孤獨(dú)的。高冷是大家的共識,孤獨(dú)是人們普遍的印象。數(shù)學(xué)老師的悲哀就在于數(shù)學(xué)的孤獨(dú)和高冷。因?yàn)槲覀円恢痹谂囵B(yǎng)數(shù)學(xué)的敵人,使他們害怕數(shù)學(xué)、厭惡數(shù)學(xué),對數(shù)學(xué)產(chǎn)生一種刻骨銘心的恨,最后和數(shù)學(xué)分道揚(yáng)鑣,只有少數(shù)人成為數(shù)學(xué)的朋友,不過在旁人看來不是天才就是瘋子,要么是神經(jīng)病。

而哲學(xué)是尷尬和憂郁的,這和哲學(xué)來源數(shù)學(xué)有關(guān),沒有數(shù)學(xué)的輔助,哲學(xué)就不可能達(dá)到理性的殿堂。stop,趕緊回來,有點(diǎn)跑偏了,這時候?qū)?shù)應(yīng)該出場了。

還是ax=N中那三個量,如果知道a和N,求x的值,我們就把x叫做以為a底N的對數(shù),記做x=logaN。

從這個角度來看,對數(shù)源出于指數(shù),這是瑞士數(shù)學(xué)家歐拉在1770年出版的一部著作中提出來的。然而,請注意,對數(shù)的發(fā)明是先于指數(shù)的!

指數(shù)概念的明確晚于對數(shù),直到1637年法國數(shù)學(xué)家笛卡爾才開始使用指數(shù)符號。而在此以前,蘇格蘭數(shù)學(xué)家納皮爾在研究天文學(xué)的過程中,為了簡化計(jì)算在1619年發(fā)表了《奇妙的對數(shù)定理說明書》,從而發(fā)明了對數(shù)。

對數(shù)的發(fā)明是數(shù)學(xué)史上的重大事件,天文學(xué)界幾乎用近乎狂喜的心情迎接這一發(fā)明。18世紀(jì)法國大數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家拉普拉斯評價為“用縮短計(jì)算時間延長了天文學(xué)家的壽命”。

恩格斯把對數(shù)的發(fā)明、解析幾何的創(chuàng)始和微積分的建立并稱為17世紀(jì)數(shù)學(xué)的三大成就,伽利略也說過:“給我空間、時間及對數(shù),我就可以創(chuàng)造一個宇宙。”

阿基米德有句名言:“給我一個支點(diǎn),我可以撬動整個地球!”沒有人能給他那個支點(diǎn),而納皮爾卻給了伽利略發(fā)明了對數(shù)。

納皮爾于1550年生于蘇格蘭的愛丁堡。他家是蘇格蘭的貴族,他13歲入圣安德盧斯大學(xué)學(xué)習(xí),后來留學(xué)歐洲,1571年回到家鄉(xiāng)。納皮爾是一位地主,他曾在自己的田地里進(jìn)行肥料施肥試驗(yàn),研究過飼料的配合,還設(shè)計(jì)制造過抽水機(jī)。

納皮爾的興趣十分廣泛,一方面熱衷于政治和宗教斗爭,一方面投身于數(shù)學(xué)研究。他在球面三角學(xué)的研究中有一系列突出的成果。研究對數(shù)的最初目的,就是為了簡化天文問題的球面三角的計(jì)算,他也是受了等比數(shù)列的項(xiàng)和等差數(shù)列的項(xiàng)之間的對應(yīng)關(guān)系的啟發(fā)。

納皮爾在兩組數(shù)中建立了這樣一種對應(yīng)關(guān)系:當(dāng)?shù)谝唤M數(shù)按等差數(shù)列增加時,第二組數(shù)按等比數(shù)列減少。于是,后一組數(shù)中每兩個數(shù)之間的乘積關(guān)系與前一組數(shù)中對應(yīng)的兩個數(shù)的和,建立起了一種簡單的關(guān)系,從而可以將乘法歸結(jié)為加法運(yùn)算。

為此,納皮爾畫了兩條線段,設(shè)AB是一條定線段,CD是給定的射線,令點(diǎn)P從A出發(fā),沿AB變速運(yùn)動,速度跟它與B的距離成比例地遞減。同時,令點(diǎn)Q從C出發(fā),沿CD作勻速運(yùn)動,速度等于P出發(fā)時的值,納皮爾發(fā)現(xiàn)此時P、Q運(yùn)動距離有種對應(yīng)關(guān)系,他就把可變動的距離CQ稱為距離PB的對數(shù)。

對數(shù)這個詞是納皮爾創(chuàng)造的,原意為“比的數(shù)”,他把對數(shù)稱為人造的數(shù)。

有趣的是同一時刻瑞士的一個鐘表匠比爾吉也獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了對數(shù),他用了8年時間編出了世界上最早的對數(shù)表,但他長期不發(fā)表它。有的人做有些事就是為了喜愛,和功名利祿無關(guān),愛我所愛就夠了。直到1620年,在開普勒的懇求下才發(fā)表出來,這時納皮爾的對數(shù)已聞名全歐洲了。

納皮爾的對數(shù)著作引起了倫敦的一位數(shù)學(xué)家布里格斯的注意,他于1616年專程到愛丁堡看望納皮爾,建議把對數(shù)作一些改進(jìn),使1的對數(shù)為0,10的對數(shù)為1等等,這樣計(jì)算起來更簡便,也將更為有用。次年納皮爾去世,布里格斯獨(dú)立完成了這一改進(jìn),就產(chǎn)生了使用至今的常用對數(shù)。

發(fā)明對數(shù)后,納皮爾說起了他當(dāng)時的動機(jī):“沒有什么比大數(shù)的乘、除、開平方或開立方運(yùn)算更讓數(shù)學(xué)工作者頭疼、更阻礙計(jì)算者的了。這不僅浪費(fèi)時間,而且容易出錯。因此,我開始考慮如何消除這些障礙。經(jīng)過長期的思索,我終于找到了一些漂亮的簡短法則……”

長期的思索,非常難得。如今還能有幾個人保持思考的狀態(tài),還能有自己的思想。我思故我在,數(shù)學(xué)是思維的體操,而我們許多時候缺乏的就是思維,尤其是理性思維,很多時候連一點(diǎn)兒思考都沒有,只有拼命地做題、刷題,不在題海里淹死,就在題海里嗆死。

最早傳入我國的對數(shù)著作是《比例與對數(shù)》,它是由波蘭的穆尼斯和我國的薛鳳祚在17世紀(jì)中葉合編而成的。當(dāng)時在lg2=0.3010中,2叫真數(shù),0.3010叫做假數(shù),真數(shù)與假數(shù)對列成表,故稱對數(shù)表。后來改稱假數(shù)為對數(shù)。

于是,對數(shù)就走大搖大擺地走進(jìn)了數(shù)學(xué),成為數(shù)學(xué)的驕傲。

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