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第7章 著名数学家的故事(5)

罗巴切夫斯基(1792-1856)俄国数学家,非欧几何的创始人之一。生于诺夫哥罗得即现在高尔基城。10岁进入中学,15岁进喀山大学,19岁获硕士学位,24岁任喀山大学数学教授。1826年2月6日罗巴切夫斯基在喀山大学提出了用法文写的论文《几何学原理简述及平行线定理的严格证明》。人们把这一天公认为是新几何的诞生日。1827年7月30日被选为喀山大学校长,一直连任到1846年。1829年《喀山通报》第一次登载了他的几何论述“关于几何学原理”。他的主要功绩是改变了欧几里得几何中的平行公理(即第五公设),提出了一种新的几何学,称为“双曲几何学”或罗巴切夫斯基几何学。但是它和传统的欧氏几何发生了矛盾,所以最初发表时不能被人理解,甚至被认为是荒谬的,因而在他生前这种几何思想未被人们重视。1856年2月24日罗巴切夫斯基逝世,1893年在他诞生100周年之际,为了纪念他在数学史上的杰出贡献,喀山大学树起了他的纪念像。1896年9月1日又在喀山大学对面树起了罗巴切夫斯基的纪念碑,将他的名字载入世界数学的光辉史册。

π之父——祖冲之

月球背面有一座环形山被称作“祖冲之环形山”,它是以最早精确计算圆周率的中国数学家祖冲之(429—500年)的名字命名的。

祖冲这,字文远,南北朝范阳遒县(今河北涞源县)人。现在我们常用的π值是3.1416,这个数字实际上比圆周率稍微大一点。远在1500年前,祖冲之就确定,圆周率在3.1415926和3.141527之间。西方人在1000多年以后,才获得这样精确的π值。祖冲之还提出了圆周率的近似值为355/113,约等于3.1415929,与π的真值相差不到万分之一,称为密率。它是三个奇数成对写出——113355,再折两段组成,优美、规整、易记,日本数学家称这个数据为“祖率”,由于这些成就,祖冲之被称为π之父。

祖冲之在天文历法方面也做了大量工作。认真观测太阳、月亮和星星在天空里运行的情况,作了大量详细的记录。他发现当时所采用的《元嘉历》里有许多错误并针对这些错误编制了一部新历法,叫《大明历》。《大明历》中改进了闰法,把《元嘉历》每19年7个闰月改为391年有144个闰月,使每220年误差一天改进为每1739年误差一天。为了改进为每1739年误差一天。为了改进因太阳在两个冬至之间位置有偏移而造成的岁差,祖冲之首次提出了历法中一个回归年(太阳在天球上连续两次通过春分点所需要的时间间隔)的日数为27.212223日,这些数字与近代测量结果非常接近。

祖冲之是一位博学多才的科学家,对于各种机械也有研究。他曾设计并制造了计时用的漏壶、指南车、水推磨和千里船等。

沈括和他的隙积术

沈括(公元1031~1095)是我国古代卓越的科学家,他出生于钱塘(杭州)。有一天,他和朋友在一家酒店喝酒时,看到院子里整整齐齐放着一堆酒坛。

“你猜,这堆酒坛有多少个?”朋友好奇地问,“一共有122个。”沈括沉思了一会儿回答。

后来,他的朋友把这堆酒坛搬开来,一个一个点了一下,果然一个不多,一个不少,恰好是122个,猜得真准呀!

原来他是计算出来的,因为酒坛叠得很有规律:每一层都排成长方形,而且下一层比上一层长、宽各增加一个,这堆酒坛有4层,他数得最上面一层长为5个,宽为3个,以下每层依次为6×4个,7×5个,8×6个,合计5×3+6×4+7×5+8×6=122(个)。

一般地,假定共有n层,最上面一层为ab个,则以下每层依次为(a+1)(b+1)个,(a+2)(b+2)个,…,[a+(n-1)][b+(n-1)]个。所以这堆酒坛的总数为S=ab+(a+1)(b+1)+(a+2)(b+2)+…+[a+(n-1)][b+(n-1)]。

下面我们来进行推导:

ab=ab,(a+1)(b+1)=ab+1×(a+b)+12,(a+2)(b+2)=ab+2×(a+b)+22,……[a+(n-1)][b+(n-1)]=ab+(n-1)(a+b)+(n-1)2,∴S=nab+A(a+b)+B。

其中,A=1+2+…+(n-1)=n(n-1)2,B=12+22+…+(n-1)2=n(n-1)(2n-1)6。

∴S=nab+n(n-1)2(a+b)+n(n-1)(2n-1)6=n6[6ab+3(n-1)(a+b)+(n-1)(2n-1)]。

沈括认为通常求体积的各种公式,作为计算对象的形体都是实心的,但他的问题却是形体中间有空隙,因此就把这个方法称为隙积术了,不过,当时沈括把最上面一层的长和宽的个数分别记作a和b,最底下一层的长和宽的个数分别记作c和d,共n层,因此他得到的公式是S=n6[(2b+d)a+(b+2d)c]+n6+(c-a)我国古代一次方程组的研究。

大家知道,我国古代在数学方面有许多杰出的成就,仅以代数中的一次方程组来说,早在二千多年以前,我国最古老的数学经典著作《九章算术》中,就对它有过记载。在公元263年,三国时魏国刘徽编辑的《九章算术》中的第八章就是方程章,共有18个问题,全都是一次方程组的问题,其中二元的问题有8个,三元的问题有6个,四元的问题有2个,五元的问题有1个,属于不定方程(六个未知数五个方程)的1个。《九章算术》中所用的作法称为“方程术”。例如“方程章”中第7个问题:“今有牛五羊二值金十两,牛二羊三值八两,问牛羊各值几何。”

设牛羊各值金x、y两,这个问题相当于求下面方程组的解:

5x+2y=10,2x+5y=8,解得x=3421,y=2021。

在数学史中,大多数人认为是法国数学家别朱(1730~1783)在公元18世纪最早提出一次方程组的解法,而我国最在2 000多年前的《九章算术》中就己经掌握了系统的一次方程组的解法,比欧洲至少要早1 500年。由此可以看出,我国古代关于一次方程组的解法研究遥遥领先,它是我国古代数学最杰出的创造之一。

苏步青的故事

苏步青1902年9月出生在浙江省平阳县的一个山村里。虽然家境清贫,可他父母省吃俭用,拼死拼活也要供他上学。他在读初中时,对数学并不感兴趣,觉得数学太简单,一学就懂。

可量,后来的一堂数学课影响了他一生的道路。那是苏步青上初三时,他就读浙江省六十中来了一位刚从东京留学归来的教数学课的杨老师。第一堂课杨老师没有讲数学,而是讲故事。他说:“当今世界,弱肉强食,世界列强依仗船坚炮利,都想蚕食瓜分中国。中华亡国灭种的危险迫在眉睫,振兴科学,发展实业,救亡图存,在此一举。‘天下兴亡,匹夫有责’

,在座的每一位同学都有责任”。他旁征博引,讲述了数学在现代科学技术发展中的巨大作用。这堂课的最后一句话是:“为了救亡图存,必须振兴科学。数学是科学的开路先锋,为了发展科学,必须学好数学。”苏步青一生不知听过多少堂课,但这一堂课使他终身难忘。

杨老师的课深深地打动了他,给他的思想注入了新的兴奋剂。读书,不仅为了摆脱个人困境,而是要拯救中国广大的苦难民众;读书,不仅是为了个人找出路,而是为中华民族求新生。当天晚上,苏步青辗转反侧,彻夜难眠。在杨老师的影响下,苏步青的兴趣从文学转向了数学,并从此立下了。读书不忘救国,救国不忘读书”的座右铭。一迷上数学,不管是酷暑隆冬,霜晨雪夜,苏步青只知道读书、思考、解题,演算,4年中演算了上万道数学习题,现在温州一中(即当时省立十中)还珍藏着苏步青一本几何练习薄,用毛笔书写,工工整整。

中学毕业时,苏步青门门功课都在90分以上。17岁时,苏步青赴日留学,并以第一名的成绩考取东京高等工业学校,在那里他如饥似渴地学习着。为国争光的信念驱使苏步青较早地进入了数学的研究领域,在完成学业的同时,写了30多篇论文,在微分几何方面取得令人瞩目的成果,并于1931年获得理学博士学位。获得博士之前,苏步青已在日本帝国大学数学系当讲师,正当日本一个大学准备聘他去任待遇优厚的副教授时,苏步青却决定回国,回到抚育他成长的祖任教。回到浙大任教授的苏步青,生活十分艰苦。面对困境,苏步青的回答是“吃苦算得了什么,我甘心情愿,因为我选择了一条正确的道路,这是一条爱国的光明之路啊!”这就是老一辈数学家那颗爱国的赤子之心。

富兰克林的遗嘱与拿破仑的诺言

同学们,你知道本杰明·富兰克林是何许人吗?

富兰克林利用放风筝而感受到电击,从而发明了避雷针。这位美国著名的科学家死后留下了一份有趣的遗嘱:

“……一千英磅赠给波士顿的居民,如果他们接受了这一千英磅,那么这笔钱应该托付给一些挑选出来的公民,他们得把这些钱桉每年5%的利率借给一些年轻的手工业者去生息。这些款过了100年增加到131 000英磅。我希望那时候用100 000英磅来建立一所公共建筑物,剩下的31 000英磅拿去继续生息100年。在第二个100年末了,这笔款增加到4 061 000荚磅,其中1 061 000英磅还是由波士顿的居民来支配,而其余的3 000 000英磅让马萨诸塞州的公众来管理。

过此之后,我可不敢多作主张了!”

同学们,你可曾想过:区区的1 000英磅遗产,竟立下几百万英磅财产分配的遗嘱,是“信口开河”,还是“言而有据”呢?事实上,只要借助于复利公式,同学们完全可以通过计算而作出自己的判断。

维纳的故事

维纳(1894-1964年)是最早为美洲数学赢得国际荣誉的大数学家,关于他的轶事多极了。维纳早期在英国,有一次遇见英国著名数学家李特尔伍德(Littlewood)时说:“噢,还真有你这么个人。我原以为Littlewood只是哈代(Hardy)为写得比较差的文章署的笔名呢。”维纳本人对这个笑话很懊恼,在自传中极力否认此事。此故事的另一种版本说的是朗道(Edmund Laudau):朗道是怀疑李特尔伍德的存在性,为此专程去英国亲自看了这个人。

维纳后来赴美国麻省理工学院任职,长达25年。他是校园中大名鼎鼎的人物,人人都想与他套点近乎。有一次一个学生问维纳怎样求解一个具体问题,维纳思考片刻就写出了答案。实际上这位学生并不想知道答案,只是问他“方法”。维纳说:“可是,就没有别的方法了吗?”思考片刻,他微笑着随即写出了另一种解法。维纳最有名的故事是有关搬家的事。一次维纳乔迁,妻子熟悉维纳的方方面面,搬家前一天晚上再三提醒他。她还找了一张便条,上面写着新居的地址,并用新居的房门钥匙换下旧房的钥匙。第二天维纳带着纸条和钥匙上班去了。白天恰有一人问他一个数学问题,维纳把答案写在那张纸条的背面递给人家。晚上维纳习惯性地回到旧居。他很吃惊,家里没人。从窗子望进去,家具也不见了。掏出钥匙开门,发现根本对不上齿。于是使劲拍了几下门,随后在院子里踱步。突然发现街上跑来一小女孩。维纳对她讲:“小姑娘,我真不走运。我找不到家了,我的钥匙插不进去。”小女孩说道:“爸爸,没错,妈妈让我来找你。”

有一次维纳的一个学生看见维纳正在邮局寄东西,很想自我介绍一番。在麻省理工学院真正能与维纳直接说上几句话、握握手,还是十分难得的。但这位学生不知道怎样接近他为好。

这时,只见维纳来来回回踱着步,陷于沉思之中。这位学生更担心了,生怕打断了先生的思维,而损失了某个深刻的数学思想。但最终还是鼓足勇气,靠近这个伟人:“早上好,维纳教授!”维纳猛地一抬头,拍了一下前额,说道:“对,维纳!”原来维纳正欲往邮签上写寄件人姓名,但忘记了自己的名字……。

数学家的文学修养

著名数学家徐利治先生把自己的治学经验概括为:培养兴趣、追求简易、重视直观、学会抽象、不怕计算等五个方面。最近他在南京讲学时又特意补上一条—喜爱文学,并谆谆教导后学,不可忽视文学修养。在不少人看来,数学和文学似乎是磁铁的两极,前者靠理性思维,后者属形象思维,两者互相排斥。然而历史上许多大数学家都有较好的文学修养,笛卡尔对诗歌情有独钟,认为“诗是激情和想象力的产物”,诗人靠想象力让知识的种子迸发火花。

为马克思所敬仰的数学家莱布尼兹,从小对诗歌和历史怀有浓厚的兴趣。他充分利用家中藏书,博古通今,为后来在哲学、数学等一系列学科取得开创性成果打下坚实基础。数学王子高斯在哥廷报大学就读期间,最喜好的两门学科是数学和语言,并终生保持对它们的爱好。

他大学一年级从图书馆所借阅的25本书中,人文学科类就占了20本。正当作数学家还是语言学家的念头在脑中徘徊时,19岁的高斯成功地解决了正17边形的尺规作图问题而坚定了从事教学研究的信念。继高斯之后的伟大数学家柯西从小喜爱数学,当一个念头闪过脑海时,他常会中断其他事,在本上算数画图。

他的数学天赋被数学家拉普拉斯和拉格朗日发现。据说拉格朗日曾预言柯西将成为了不起的大数学家,并告诫其父不要让孩子过早接触数学,以免误入歧途,成为“不知道怎样使用自己语言”的大数学家。庆幸的是,柯西的小学是在家里上的,在其父循循善诱下,系统学习了古典语言、历史、诗歌等。具有传奇色彩的是,柯西政治流亡国外时,曾在意大利的一所大学里讲授过文学诗词课,并有《论诗词创作法》一书留世。柯西的文学功底由此可见一斑。G。波利亚年轻时对文学特别感兴趣,尤其喜欢德国大诗人海涅的作品,并以与海涅同日出生而骄傲,曾因把其作品译成匈牙利文而获奖。1921年来中国讲学的罗素是当代著名的哲学家、数理逻辑学家,著名的“理发师悖论”的发现者。但他也是一个文学家,有多篇小说集出版发行。令许多专业作家大跌眼镜的是,非科班出身的他于1950年获得诺贝尔文学奖。

再看着国内的数学家。华罗庚能诗善文,所写的科普文章居高临下,通俗易懂,是值得后人效法的楷模。苏步青自幼热爱旧体诗词,读过许多文史书籍。他把诗词作为自己的业余爱好,靠它来调剂生活。许宝综自幼即习古典文学, 10岁后学作古文,文章言简意丰,功底非同寻常。李国平不仅是中国的“复分析”奠基人之一,也是一位优秀的诗人,其诗集《李国平诗选》1990年由武汉大学出版社出版发行,序言则是苏步青的一首颂诗:“名扬四海句清新,文字纵横如有神。气吞长虹连广宇,力挥彩笔净凡尘。东西南北径行遍,春夏秋冬人梦频。拙我生平偏爱咏,输君珠玉得安贫。”传为数坛佳话。

数学和文学是相通的。学习数学的人要注重文学修养,有志于数学的年轻人尤其不要忽视这一点。

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