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2019-08-21 18:04 来源:今晚报

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数学(Mathematics)是利用符号语言研究数量、结构、变化以及空间等概念的一门学科,从某种角度看属于形式科学的一种。

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    中文名
    数学
    外文名
    Mathematics
    学科门类
    一级学科
    相关著作
    《数书九章》、《几何原本》
    研究内容
    现实世界空间形式和数量关系
    学科特点
    严谨、深刻、应用广泛
    学科应用
    科学、工程、生物学和经济学等

    1介绍

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    数学可以分成两大类,一类叫纯粹数学,一类叫应用数学。 纯粹数学也叫基础数学,专门研究数学本身的内部规律。中小学课本里介绍的代数、几何、微积分、概率论知识,都属于纯粹数学。纯粹数学的一个显著特点,就是暂时撇开具体内容,以纯粹形式研究事物的数量关系和空间形式。例如研究梯形的面积计算公式,至于它是梯形稻田的面积,还是梯形机械零件的面积,都无关紧要,大家关心的只是蕴含在这种几何图形中的数量关系。应用数学则着眼于说明自然现象,解决实际问题,是纯粹数学与科学技术之间的桥梁。大家常说现在是信息社会,专门研究信息的“信息论”,就是应用数学中一门重要的分支学科。

    基础数学的知识与运用总是个人与团体生活中不可或缺的一块。其基本概念的精炼早在古埃及、美索不达米亚及古印度内的古代数学文本便可观见。从那时开始,其发展便持续不断地小幅进展,至16世纪的文艺复兴时期,因为新的科学发现相作用而产生的数学革新导致了知识的加速发展,直至今日。今日,数学使用在不同的领域中,包括科学、工程、医学和经济学等。数学对这些领域的应用通常被称为应用数学,有时亦会激起新的数学发现,并导致全新学科的发展。数学家也研究纯数学,就是数学本身,而不以任何实际应用为目标。虽然许多研究以纯数学开始,但其过程中也发现许多应用之处。

    2数学概念

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    圆周率

    数量的学习起于数,一开始为熟悉的自然数及整数与被描述在算术内的有理和无理数。另一个研究的领域为其大小,这个导致了基数和之后对无限的另外一种概念:阿列夫数,它允许无限集合之间的大小可以做有意义的比较。第一个用科学方法寻求圆周率数值的人是阿基米德,得出精确到小数点后两位的π值。数学家刘徽在注释《九章算术》时用割圆术求得π的近似值。得出∏数学家、天文学家祖冲之通过艰苦的努力,他在世界数学史上第一次将圆周率(∏)值计算到小数点后七位,即3.1415926到3.1415927之间。π是一个无限不循环小数,也是一个无理数,是一个超越数。

    结构

    许多如数及函数的集合等数学物件都有着内含的结构。这些物件的结构性质被探讨于群、环、体及其他本身即为此物件的抽象系统中。此为抽象代数的领域。在此有一个很重要的概念,即向量,且广义化至向量空间,并研究于线性代数中。向量的研究结合了数学的三个基本领域:数量、结构及空间。向量分析则将其扩展至第四个基本的领域内,即变化。

    空间

    空间的研究源自于几何-尤其是欧式几何。三角学则结合了空间及数,且包含有非常著名的勾股定理。现今对空间的研究更推广到了更高维的几何、非欧几何及拓扑学。数和空间在解析几何、微分几何和代数几何中都有着很重要的角色。在微分几何中有着纤维丛及流形上的计算等概念。在代数几何中有着如多项式方程的解集等几何物件的描述,结合了数和空间的概念;亦有着拓扑群的研究,结合了结构与空间。李群被用来研究空间、结构及变化。

    基础

    为了搞清楚数学基础,数学逻辑和集合论等领域被发展了出来。德国数学家康托(Georg Cantor,1845-1918)首创集合论,大胆地向“无穷大”进军,为的是给数学各分支提供一个坚实的基础,而它本身的内容也是相当丰富的,提出了实无穷的存在,为以后的数学发展作出了不可估量的贡献。康托的工作给数学发展带来了一场革命。由于他的理论超越直观,所以曾受到当时一些大数学家的反对,庞加莱也把集合论比作有趣的“病理情形”,庞加莱还击康托是“神经质”,“走进了超越数的地狱”。对于这些非难和指责,康托仍充满信心,他说:“我的理论犹如磐石一般坚固,任何反对它的人都将搬起石头砸自己的脚”。集合论在20世纪初已逐渐渗透到了各个数学分支,成为了分析理论,测度论,拓扑学及数理科学中必不可少的工具。20世纪初世界上最伟大的数学家希尔伯特在德国传播了康托的思想,把他称为“数学家的乐园”和“数学思想最惊人的产物”。英国哲学家罗素把康托的工作誉为“这个时代所能夸耀的最巨大的工作”。

    逻辑

    数学逻辑专注在将数学置于一坚固的公理架构上,并研究此一架构的成果。就其本身而言,其为哥德尔第二不完备定理的产地,而这或许是逻辑中最广为流传的成果-总存在一不能被证明的真实定理。现代逻辑被分成递归论、模型论和证明论,且和理论计算机科学有着密切的关联性。

    符号

    在现代的符号中,简单的表示式可能描绘出复杂的概念。此一图像即是由一简单方程所产生的。我们现今所使用的大部分数学符号都是到了16世纪后才被发明出来的。在此之前,数学被文字书写出来,这是个会限制住数学发展的刻苦程序。现今的符号使得数学对于专家而言更容易去控作,但初学者却常对此感到怯步。它被极度的压缩:少量的符号包含著大量的讯息。如同音乐符号一般,现今的数学符号有明确的语法和难以以其他方法书写的讯息编码。

    严谨

    数学语言亦对初学者而言感到困难。如何使这些字有着比日常用语更精确的意思。亦困恼着初学者,如开放和域等字在数学里有着特别的意思。数学术语亦包括如同胚及可积性等专有名词。但使用这些特别符号和专有术语是有其原因的:数学需要比日常用语更多的精确性。数学家将此对语言及逻辑精确性的要求称为“严谨”。严谨是数学证明中很重要且基本的一部分。数学家希望他们的定理以系统化的推理依着公理被推论下去。这是为了避免错误的“定理”,依着不可靠的直观,而这情形在历史上曾出现过许多的例子。在数学中被期许的严谨程度因着时间而不同:希腊人期许着仔细的论点,但在牛顿的时代,所使用的方法则较不严谨。牛顿为了解决问题所做的定义到了十九世纪才重新以小心的分析及正式的证明来处理。现在,数学家们则持续地在争论电脑辅助证明的严谨度。当大量的计量难以被验证时,其证明亦很难说是有效地严谨。因为时代的差别、也抹去了不少知识、但是数学永不磨灭、永远流传智慧。

    3历史

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    数学有着久远的历史。它被认为起源于人类早期的生产活动;中国古代的六艺之一就有“数”,数学一词在西方有希腊语词源μαθηματικ??(mathematikós),意思是“学问的基础”,源于μ?θημα(máthema,“科学,知识,学问”)。史前的人类就已尝试用自然的法则来衡量物质的多少、时间的长短等抽象的数量关系,如时间-日、季节和年。算术(加减乘除)也自然而然地产生了。古代的石碑及泥版亦证实了当时已有几何的知识。更进一步则需要写作或其他可记录数字的系统,如符木或于印加帝国内用来储存数据的奇普。历史上曾有过许多不同的记数系统。在最初有历史记录的时候,数学内的主要原理是为了做税务和贸易等相关计算,为了解数字间的关系,为了测量土地,以及为了预测天文事件而形成的。这些需要可以简单地被概括为数学对数量、结构、空间及时间方面的研究。到了16世纪,算术、初等代数以及三角学等初等数学已大体完备。17世纪变量概念的产生使人们开始研究变化中的量与量的互相关系和图形间的互相变换,微积分的概念也在此时形成。随着数学转向形式化,为研究数学基础而产生的集合论和数理逻辑等也开始慢慢发展。从古至今,数学便一直不断地延展,且与科学有丰富的相互作用,两者的发展都受惠于彼此。在历史上有着许多数学发现,并且直至今日都不断地有新的发现。据Mikhail B. Sevryuk于美国数学会通报2006年1月的期刊中所说,“存放于数学评论数据库中论文和书籍的数量自1940年(数学评论的创刊年份)现已超过了一百九十万份,而且每年还增加超过七万五千份。此一学海的绝大部份为新的数学定理及其证明。”

    4中国算学

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    数学古称算学,是中国古代科学中一门重要的学科。按中华历史的发展可以将算学分为以下五个时期:

    萌芽

    原始公社末期,私有制和货物交换产生以后,数与形的概念有了进一步的发展,仰韶文化时期出土的陶器,上面已刻有表示1234的符号。到原始公社末期,已开始用文字符号取代结绳记事了。西安半坡出土的陶器有用1~8个圆点组成的等边三角形和分正方形为100个小正方形的图案,半坡遗址的房屋基址都是圆形和方形。为了画圆作方,确定平直,人们还创造了规、矩、准、绳等作图与测量工具。据《史记·夏本纪》记载,夏禹治水时已使用了这些工具。商代中期,在甲骨文中已产生一套十进制数字和记数法,其中最大的数字为三万;与此同时,殷人用十个天干和十二个地支组成甲子、乙丑、丙寅、丁卯等60个名称来记60天的日期;在周代,又把以前用阴、阳符号构成的八卦表示八种事物发展为六十四卦,表示64种事物。公元前一世纪的《周髀算经》提到西周初期用矩测量高、深、广、远的方法,并举出勾股形的勾三、股四、弦五以及环矩可以为圆等例子。《礼记·内则》篇提到西周贵族子弟从九岁开始便要学习数目和记数方法,他们要受礼、乐、射、御、书、数的训练,作为“六艺”之一的数已经开始成为专门的课程。春秋战国之际,筹算已得到普遍的应用,筹算记数法已使用十进位值制,这种记数法对世界数学的发展是有划时代意义的。这个时期的测量数学在生产上有了广泛应用,在数学上亦有相应的提高。

    战国时期的百家争鸣也促进了数学的发展,尤其是对于正名和一些命题的争论直接与数学有关。名家认为经过抽象以后的名词概念与它们原来的实体不同,他们提出“矩不方,规不可以为圆”,把“大一”(无穷大)定义为“至大无外”,“小一”(无穷小)定义为“至小无内”。还提出了“一尺之棰,日取其半,万世不竭”等命题。而墨家则认为名来源于物,名可以从不同方面和不同深度反映物。墨家给出一些数学定义。例如圆、方、平、直、次(相切)、端(点)等等。墨家不同意“一尺之棰”的命题,提出一个“非半”的命题来进行反驳:将一线段按一半一半地无限分割下去,就必将出现一个不能再分割的“非半”,这个“非半”就是点。名家的命题论述了有限长度可分割成一个无穷序列,墨家的命题则指出了这种无限分割的变化和结果。名家和墨家的数学定义和数学命题的讨论,对中国古代数学理论的发展是很有意义的。

    形成

    数学秦汉是封建社会的上升时期,经济和文化均得到迅速发展。中国古代数学体系正是形成于这个时期,它的主要标志是算术已成为一个专门的学科,以及以《九章算术》为代表的数学著作的出现。《九章算术》是战国、秦、汉封建社会创立并巩固时期数学发展的总结,就其数学成就来说,堪称是世界数学名著。例如分数四则运算、今有术(西方称三率法)、开平方与开立方(包括二次方程数值解法)、盈不足术(西方称双设法)、各种面积和体积公式、线性方程组解法、正负数运算的加减法则、勾股形解法(特别是勾股定理和求勾股数的方法)等,水平都是很高的。其中方程组解法和正负数加减法则在世界数学发展上是遥遥领先的。就其特点来说,它形成了一个以筹算为中心、与古希腊数学完全不同的独立体系。

    《九章算术》有几个显著的特点:采用按类分章的数学问题集的形式;算式都是从筹算记数法发展起来的;以算术、代数为主,很少涉及图形性质;重视应用,缺乏理论阐述等。

    最后成书于东汉初年的《九章算术》,排除了战国时期在百家争鸣中出现的名家和墨家重视名词定义与逻辑的讨论,偏重于与当时生产、生活密切相结合的数学问题及其解法,这与当时社会的发展情况是完全一致的。《九章算术》在隋唐时期曾传到朝鲜、日本,并成为这些国家当时的数学教科书。它的一些成就如十进位值制、今有术、盈不足术等还传到印度和阿拉伯,并通过印度以及阿拉伯传到欧洲,促进了世界数学的全新发展。

    发展

    魏、晋时期出现的玄学,不为汉儒经学束缚,思想比较活跃;它诘辩求胜,又能运用逻辑思维,分析义理,这些都有利于数学从理论上加以提高。吴国赵爽注《周髀算经》,汉末魏初徐岳撰《九章算术》注,魏末晋初刘徽撰《九章算术》注、《九章重差图》都是出现在这个时期。赵爽与刘徽的工作为中国古代数学体系奠定了理论基础。赵爽是中国古代对数学定理和公式进行证明与推导的最早的数学家之一。他在《周髀算经》书中补充的“勾股圆方图及注”和“日高图及注”是十分重要的数学文献。在“勾股圆方图及注”中他提出用弦图证明勾股定理和解勾股形的五个公式;在“日高图及注”中,他用图形面积证明汉代普遍应用的重差公式,赵爽的工作是带有开创性的,在中国古代数学发展中占有重要地位。刘徽约与赵爽同时,他继承和发展了战国时期名家和墨家的思想,主张对一些数学名词特别是重要的数学概念给以严格的定义,认为对数学知识必须进行“析理”,才能使数学著作简明严密,利于读者。他的《九章算术》注不仅是对《九章算术》的方法、公式和定理进行一般的解释和推导,而且在论述的过程中有很大的发展。刘徽创造割圆术,利用极限的思想证明圆的面积公式,并首次用理论的方法算得圆周率为 157/50和 3927/1250。刘徽用无穷分割的方法证明了直角方锥与直角四面体的体积比恒为2:1,解决了一般立体体积的关键问题。在证明方锥、圆柱、圆锥、圆台的体积时,刘徽为彻底解决球的体积提出了正确途径。东晋以后,中国长期处于战争和南北分裂的状态。祖冲之父子的工作就是经济文化南移以后,南方数学发展的具有代表性的工作,他们在刘徽注《九章算术》的基础上,把传统数学大大向前推进了一步。他们的数学工作主要有:计算出圆周率在3.1415926~3.1415927之间;提出祖暅原理;提出二次与三次方程的解法等。

    据推测,祖冲之在刘徽割圆术的基础上,算出圆内接正6144边形和正12288边形的面积,从而得到了这个结果。他又用新的方法得到圆周率两个分数值,即约率22/7和密率355/113。祖冲之这一工作,使中国在圆周率计算方面,比西方领先约一千年之久;祖冲之之子祖暅总结了刘徽的有关工作,提出“幂势既同则积不容异”,即等高的两立体,若其任意高处的水平截面积相等,则这两立体体积相等,这就是著名的祖暅公理。祖暅应用这个公理,解决了刘徽尚未解决的球体积公式。隋炀帝好大喜功,大兴土木,客观上促进了数学的发展。唐初王孝通的《缉古算经》,主要讨论土木工程中计算土方、工程分工、验收以及仓库和地窖的计算问题,反映了这个时期数学的情况。王孝通在不用数学符号的情况下,立出数字三次方程,不仅解决了当时社会的需要,也为后来天元术的建立打下基础。此外,对传统的勾股形解法,王孝通也是用数字三次方程解决的。唐初封建统治者继承隋制,656年在国子监设立算学馆,设有算学博士和助教,学生30人。由太史令李淳风等编纂注释《算经十书》,作为算学馆学生用的课本,明算科考试亦以这些算书为准。李淳风等编纂的《算经十书》,对保存数学经典著作、为数学研究提供文献资料方面是很有意义的。他们给《周髀算经》、《九章算术》以及《海岛算经》所作的注解,对读者是有帮助的。隋唐时期,由于历法的需要,天算学家创立了二次函数的内插法,丰富了中国古代数学的内容。算筹是中国古代的主要计算工具之一,它具有简单、形象、具体等优点,但也存在布筹占用面积大,运筹速度加快时容易摆弄不正而造成错误等缺点,因此很早就开始进行改革。其中太乙算、两仪算、三才算和珠算都是用珠的槽算盘,在技术上是重要的改革。尤其是“珠算”,它继承了筹算五升十进与位值制的优点,又克服了筹算纵横记数与置筹不便的缺点,优越性十分明显。但由于当时乘除算法仍然不能在一个横列中进行。算珠还没有穿档,携带不方便,因此仍没有普遍应用。

    唐中期以后,商业繁荣,数字计算增多,迫切要求改革计算方法,从《新唐书》等文献留下来的算书书目,可以看出这次算法改革主要是简化乘、除算法,唐代的算法改革使乘除法可以在一个横列中进行运算,它既适用于筹算,也适用于珠算。

    繁荣

    960年,北宋王朝的建立结束了五代十国割据的局面。北宋的农业、手工业、商业空前繁荣,科学技术突飞猛进,火药、指南针、印刷术三大发明就是在这种经济高涨的情况下得到广泛应用。1084年秘书省第一次印刷出版了《算经十书》,1213年鲍擀之又进行翻刻。这些都为数学发展创造了良好的条件。从11~14世纪约300年期间,出现了一批著名的数学家和数学著作,如贾宪的《黄帝九章算法细草》,刘益的《议古根源》,秦九韶的《数书九章》,李冶的《测圆海镜》和《益古演段》,杨辉的《详解九章算法》《日用算法》和《杨辉算法》,朱世杰的《算学启蒙》《四元玉鉴》等,很多领域都达到古代数学的高峰,其中一些成就也是当时世界数学的高峰。祖冲之从开平方、开立方到四次以上的开方,在认识上是一个飞跃,实现这个飞跃的就是贾宪。杨辉在《九章算法纂类》中载有贾宪“增乘开平方法”、“增乘开立方法”;在《详解九章算法》中载有贾宪的“开方作法本源”图、“增乘方法求廉草”和用增乘开方法开四次方的例子。根据这些记录可以确定贾宪已发现二项系数表,创造了增乘开方法。这两项成就对整个宋元数学发生重大的影响,其中贾宪三角比西方的帕斯卡三角形早提出600多年。把增乘开方法推广到数字高次方程(包括系数为负的情形)解法的是刘益。《杨辉算法》中“田亩比类乘除捷法”卷,介绍了原书中22个二次方程和 1个四次方程,后者是用增乘开方法解三次以上的高次方程的最早例子。秦九韶是高次方程解法的集大成者,他在《数书九章》中收集了21个用增乘开方法解高次方程(最高次数为10)的问题。为了适应增乘开方法的计算程序,秦九韶把常数项规定为负数,把高次方程解法分成各种类型。当方程的根为非整数时,秦九韶采取继续求根的小数,或用减根变换方程各次幂的系数之和为分母,常数为分子来表示根的非整数部分,这是《九章算术》和刘徽注处理无理数方法的发展。在求根的第二位数时,秦九韶还提出以一次项系数除常数项为根的第二位数的试除法,这比西方最早的霍纳方法早500多年。

    元代天文学家王恂、郭守敬等在《授时历》中解决了三次函数的内插值问题。秦九韶在“缀术推星”题、朱世杰在《四元玉鉴》“如象招数”题都提到内插法(他们称为招差术),朱世杰得到一个四次函数的内插公式。用天元(相当于x)作为未知数符号,立出高次方程,古代称为天元术,这是中国数学史上首次引入符号,并用符号运算来解决建立高次方程的问题。现存最早的天元术著作是李冶的《测圆海镜》。从天元术推广到二元、三元和四元的高次联立方程组,是宋元数学家的又一项杰出的创造。留传至今,并对这一杰出创造进行系统论述的是朱世杰的《四元玉鉴》。朱世杰的四元高次联立方程组表示法是在天元术的基础上发展起来的,他把常数放在中央,四元的各次幂放在上、下、左、右四个方向上,其他各项放在四个象限中。朱世杰的最大贡献是提出四元消元法,其方法是先择一元为未知数,其他元组成的多项式作为这未知数的系数,列成若干个一元高次方程式,然后应用互乘相消法逐步消去这一未知数。重复这一步骤便可消去其他未知数,最后用增乘开方法求解。这是线性方法组解法的重大发展,比西方同类方法早400多年。勾股形解法在宋元时期有新的发展,朱世杰在《算学启蒙》卷下提出已知勾弦和、股弦和求解勾股形的方法,补充了《九章算术》的不足。李冶在《测圆海镜》对勾股容圆问题进行了详细的研究,得到九个容圆公式,大大丰富了中国古代几何学的内容。

    数学已知黄道与赤道的夹角和太阳从冬至点向春分点运行的黄经余弧,求赤经余弧和赤纬度数,是一个解球面直角三角形的问题,传统历法都是用内插法进行计算。元代王恂、郭守敬等则用传统的勾股形解法、沈括用会圆术和天元术解决了这个问题。不过他们得到的是一个近似公式,结果不够精确。但他们的整个推算步骤是正确无误的,从数学意义上讲,这个方法开辟了通往球面三角法的途径。中国古代计算技术改革的高潮也是出现在宋元时期。宋元明的历史文献中载有大量这个时期的实用算术书目,其数量远比唐代为多,改革的主要内容仍是乘除法。与算法改革的同时,穿珠算盘在北宋可能已出现。但如果把现代珠算看成是既有穿珠算盘,又有一套完善的算法和口诀,那么应该说它最后完成于元代。宋元数学的繁荣,是社会经济发展和科学技术发展的必然结果,是传统数学发展的必然结果。此外,数学家们的科学思想与数学思想也是十分重要的。宋元数学家都在不同程度上反对中国古代哲学的象数神秘主义。秦九韶虽曾主张数学与阴阳五行同出一源,但他后来认识到,“通神明”的数学是不存在的,只有“经世务类万物”的数学;莫若在《四元玉鉴》序文中提出的“用假象真,以虚问实”则代表了高度抽象思维的思想方法;杨辉对纵横图结构进行研究,揭示出洛书的本质,有力地批判了象数神秘主义。所有这些,无疑是促进数学发展的重要因素。

    衰落

    中国从明代开始进入了封建社会的晚期,封建统治者实行极权统治,宣传唯心主义哲学,施行八股考试制度。在这种情况下,除珠算外,数学发展逐渐衰落。

    传入16世纪末以后,西方初等数学陆续传入中国,使中国数学研究出现一个中西融合贯通的局面;鸦片战争以后,近代数学开始传入中国,中国数学便转入一个以学习西方数学为主的时期;到19世纪末20世纪初,近代数学研究才真正开始。从明初到明中叶,商品经济有所发展,和这种商业发展相适应的是珠算的普及。明初《魁本对相四言杂字》和《鲁班木经》的出现,说明珠算已十分流行。前者是儿童看图识字的课本,后者把算盘作为家庭必需用品列入一般的木器家具手册中。随着珠算的普及,珠算算法和口诀也逐渐趋于完善。例如王文素和程大位增加并改善撞归、起一口诀;徐心鲁和程大位增添加、减口诀并在除法中广泛应用归除,从而实现了珠算四则运算的全部口诀化;朱载墒和程大位把筹算开平方和开立方的方法应用到珠算,程大位用珠算解数字二次、三次方程等等。程大位的著作在国内外流传很广,影响很大。1582年,意大利传教士利玛窦到中国,1607年以后,他先后与徐光启翻译了《几何原本》前六卷、《测量法义》一卷,与李之藻编译《圜容较义》和《同文算指》。1629年,徐光启被礼部任命督修历法,在他主持下,编译《崇祯历书》137卷。《崇祯历书》主要是介绍欧洲天文学家第谷的地心学说。作为这一学说的数学基础,希腊的几何学,欧洲玉山若干的三角学,以及纳皮尔算筹、伽利略比例规等计算工具也同时介绍进来。数学在传入的数学中,影响最大的是《几何原本》。《几何原本》是中国第一部数学翻译著作,绝大部分数学名词都是首创,其中许多至今仍在沿用。徐光启认为对它“不必疑”、“不必改”,“举世无一人不当学”。《几何原本》是明清两代数学家必读的数学书,对他们的研究工作颇有影响。

    其次应用最广的是三角学,介绍西方三角学的著作有《大测》《割圆八线表》和《测量全义》。《大测》主要说明三角八线(正弦、余弦、正切、余切、正割、余割、正矢、余矢)的性质,造表方法和用表方法。《测量全义》除增加一些《大测》所缺的平面三角外,比较重要的是积化和差公式和球面三角。所有这些,在当时历法工作中都是随译随用的。1646年,波兰传教士穆尼阁来华,跟随他学习西方科学的有薛凤柞、方中通等。穆尼阁去世后,薛凤柞据其所学,编成《历学会通》,想把中法西法融会贯通起来。《历学会通》中的数学内容主要有比例对数表,《比例四线新表》和《三角算法》。前两书是介绍英国数学家纳皮尔和布里格斯发明增修的对数。后一书除《崇祯历书》介绍的球面三角外,尚有半角公式、半弧公式、德氏比例式、纳氏比例式等。方中通所著《数度衍》对对数理论进行解释。对数的传入是十分重要,它在历法计算中立即就得到应用。清初学者研究中西数学有心得而著书传世的很多,影响较大的有王锡阐《图解》、梅文鼎《梅氏丛书辑要》(其中数学著作13种共40卷)、年希尧《视学》等。梅文鼎是集中西数学之大成者。他对传统数学中的线性方程组解法、勾股形解法和高次幂求正根方法等方面进行整理和研究,使濒于枯萎的明代数学出现了生机。年希尧的《视学》是中国第一部介绍西方透视学的著作。清康熙皇帝十分重视西方科学,他除了亲自学习天文数学外,还培养了一些人才和翻译了一些著作。1712年康熙皇帝命梅彀成任蒙养斋汇编官,会同陈厚耀、何国宗、明安图、杨道声等编纂天文算法书。1721年完成《律历渊源》100卷,以康熙“御定”的名义于1723年出版。其中《数理精蕴》主要由梅彀成负责,分上下两编,上编包括《几何原本》、《算法原本》,均译自法文著作;下编包括算术、代数、平面几何平面三角、立体几何等初等数学,附有素数表、对数表和三角函数表。由于它是一部比较全面的初等数学百科全书,并有康熙“御定”的名义,因此对当时数学研究有一定影响。雍正即位以后,对外闭关自守,导致西方科学停止输入中国,对内实行高压政策,致使一般学者既不能接触西方数学,又不敢过问经世致用之学,因而埋头于究治古籍。乾嘉年间逐渐形成一个以考据学为主的乾嘉学派。

    随着《算经十书》与宋元数学著作的收集与注释,出现了一个研究传统数学的高潮。其中能突破旧有框框并有发明创造的有焦循、汪莱、李锐、李善兰等。他们的工作,和宋元时代的代数学比较是青出于蓝而胜于蓝的;和西方代数学比较,在时间上晚了一些,但这些成果是在没有受到西方近代数学的影响下独立得到的。与传统数学研究出现高潮的同时,阮元与李锐等编写了一部天文数学家传记—《畴人传》,收集了从黄帝时期到嘉庆四年已故的天文学家和数学家270余人(其中有数学著作传世的不足50人),和明末以来介绍西方天文数学的传教士41人。这部著作全由“掇拾史书,荃萃群籍,甄而录之”而成,收集的完全是第一手的原始资料,在学术界颇有影响。1840年鸦片战争以后,西方近代数学开始传入中国。首先是英人在上海设立墨海书馆,介绍西方数学。第二次鸦片战争后,曾国藩、李鸿章等官僚集团开展“洋务运动”,也主张介绍和学习西方数学,组织翻译了一批近代数学著作。其中较重要的有李善兰与伟烈亚力翻译的《代数学》《代微积拾级》;华蘅芳与英人傅兰雅合译的《代数术》《微积溯源》《决疑数学》;邹立文与狄考文编译的《形学备旨》《代数备旨》《笔算数学》;谢洪赉与潘慎文合译的《代形合参》《八线备旨》等等。《代微积拾级》是中国第一部微积分学译本;《代数学》是英国数学家德·摩根所著的符号代数学译本;《决疑数学》是第一部概率论译本。在这些译著中,创造了许多数学名词和术语,至今还在应用,但所用数学符号一般已被淘汰了。戊戌变法以后,各地兴办新法学校,上述一些著作便成为主要教科书。在翻译西方数学著作的同时,中国学者也进行一些研究,写出一些著作,较重要的有李善兰的《尖锥变法解》《考数根法》;夏弯翔的《洞方术图解》《致曲术》《致曲图解》等等,都是会通中西学术思想的研究成果。由于输入的近代数学需要一个消化吸收的过程,加上清末统治者十分腐败,在太平天国运动的冲击下,在帝国主义列强的掠夺下,焦头烂额,无暇顾及数学研究。直到1919年五四运动以后,中国近代数学的研究才真正开始。

    5数学各个领域

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    基础与哲学

    为了搞清楚数学基础,数学逻辑和集合论等领域被发展了出来。数学逻辑专注于将数学置在一坚固的公理架构上,并研究此一架构的结果。就其本身而言,其为哥德尔第二不完备定理的产地,而这或许是逻辑中最广为流传的成果-总存在一不能被证明的真实定理。现代逻辑被分成递归论、模型论和证明论,且和理论计算机科学有着密切的关连性,千禧年大奖难题中的P/NP问题就是理论计算机科学中的著名问题。

    离散数学

    离散数学是指对理论计算机科学最有用处的数学领域之总称,这包含有可计算理论、计算复杂性理论及信息论。可计算理论检验电脑的不同理论模型之极限,这包含现知最有力的模型-图灵机。复杂性理论研究可以由电脑做为较易处理的程度;有些问题即使理论是可以以电脑解出来,但却因为会花费太多的时间或空间而使得其解答仍然不为实际上可行的,尽管电脑硬件的快速进步。最后,信息论专注在可以储存在特定媒介内的数据总量,且因此有压缩及熵等概念。做为一相对较新的领域,离散数学有许多基本的未解问题。其中最有名的为P/NP问题-千禧年大奖难题之一。一般相信此问题的解答是否定的。

    应用数学

    应用数学思考将抽象的数学工具运用在解答科学、工商业及其他领域上之现实问题。应用数学中的一重要领域为统计学,它利用概率论为其工具并允许对含有机会成分的现象进行描述、分析与预测。大部份的实验、调查及观察研究需要统计对其数据的分析。(许多的统计学家并不认为他们是数学家,而比较觉得是合作团体的一份子。)数值分析研究有什么计算方法,可以有效地解决那些人力所限而算不出的数学问题;它亦包含了对计算中舍入误差或其他来源的误差之研究。

    6数学奖项

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    菲尔兹奖

    由国际数学联盟的国际数学家大会颁发的奖项。每四年颁奖一次,颁给有卓越贡献的年轻数学家,每次最多四人得奖。得奖者须在该年元旦前未满四十岁,是年轻数学家可以获得的最大奖项。它是据加拿大数学家约翰·查尔斯·菲尔兹的要求设立的。菲尔兹奖被视为数学界的诺贝尔奖。

    沃尔夫奖

    由沃尔夫基金会颁发,该基金会于1976年在以色列创立,1978年开始颁奖。创始人里卡多·沃尔夫是外交家、实业家和慈善家。而沃尔夫数学奖是沃尔夫奖的一个奖项,它和菲尔兹奖被共同誉为数学家的最高荣誉。

    阿贝尔奖

    由挪威王室向杰出数学家颁发的一种奖项,每年颁发一次。2001年,为了纪念2002年挪威著名数学家尼尔斯·亨利克·阿贝尔二百周年诞辰,挪威政府宣布将开始颁发此种奖金。奖金的数额大致同诺贝尔奖相近。设立此奖的一个原因也是因为诺贝尔奖没有数学奖项。2001年挪威政府拨款2亿挪威克朗作为启动资金。扩大数学的影响,吸引年轻人从事数学研究是设立阿贝尔奖的主要目的。

    7相关报道

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    据人民网2016718日消息称:英国教育部上周宣布,根据改革计划,将在全英8000所小学推广采用中国传统数学教学方法。负责改革的国务大臣尼克·吉布称,这种数学教学方法应该成为英国学校的固定标准。英国教育部表示,政府斥资用于相关教学方法的改革,学校目前可自愿申请这一改革计划并获得资金支持。

    中国式教学取代因材施教

    8000所小学推广采用中国传统数学教学方法,这一数字占到英国小学总数的一半。不仅如此,英国还建立了35所专业数学教学中心,作为普及“中式教育”的平台。

    英国教育部介绍,按照这项新计划,英国儿童从5岁开始就要进行计算练习,孩子们“必须先通过不断重复来掌握各个概念,然后再学习其他新的内容”。计算练习除了保障正确率之外,还要不断加快运算的速度,让孩子们做到“熟能生巧”。

    这与英国原有的教学方式迥然不同。此前英国的教学模式注重“因材施教”,小学班级往往根据学生能力分组,每个小组教授不同难度的内容。而按照新方法的要求,大多数班级都将实施整体教学。但按照新计划的要求,过去“以儿童为中心”的教学模式将被取代,重复练习、板书习题将成为英国小学数学课堂的日常。

    除了学生外,英国小学教师也将接受培训,来适应使用新的教科书,学习如何采用中国式数学教学方法。为保障教学质量,英国每所小学将安排两名教师受训,通过专业书籍的学习和实践,来体会“中国式数学教学办法”。

    “具体的培训形式不止一种,除了选拔教师在数学教学中心接受培训外,我们还将会继续实行此前的交换计划,会邀请中国教师到英国来,也会安排英国教师到中国上海进行学习。”英国教育部新闻官迈克尔对记者说。据介绍,目前,已有140名小学教师接受了相关培训。

    自愿申请暂不会涉及其他学科

    迈克尔表示,英国政府希望在接下来的4年间,通过这4100万英镑的资金支持,来鼓励那些希望采用中式数学教学法的学校有机会这么做,但目前,该项政策主要采取的是自愿原则,而非强制。

    据介绍,有意向采用中式教学法的学校,可以向政府申请这笔资金,但具体划拨数额还要根据学校的师生数量来定。迈克尔表示,由于计划宣布不久,目前尚不清楚会有多少学校采取实际行动,但教育部门希望最终能够实现8000所学校这一目标。若推行效果理想,则范围还将进一步扩大。“我们有足够的信心,这项计划一定能够获得成功。”

    据迈克尔介绍,在正式宣布实施这一计划之前,英国已有部分学校试行了中式教学法,并且收效不错,所以此番才会有意扩大试行范围。

    英国学生数学成绩退步引担忧

    长期以来,英国学生的数学能力确实令人担忧。经济合作与发展组织(OECD)曾对全球65个国家大约50万名15岁学生在阅读、数学和科学科目进行测试。2010年,该组织公布的国际学生能力评估计划(Pisa)测试结果显示,中国上海排名第1,中国香港第4,英国排名20。而2013年的测试结果更是令英国媒体担忧:中国上海再次居首,中国香港第3,英国则跌出了前20,仅排名第26位。

    BBC评论指出,根据OECD的考试结果,英国十几岁女生的数学能力比上海同年龄段女生的数学能力至少落后大约3年。这种效应在毕业求职上也有所反映,英国工业联合会2013年的一项调查显示,30%的英国企业对毕业生计算能力不满意,2/3的企业雇主希望学校提高数学和科学教育质量。

    2014年,来自45所英国小学的60名教师前往上海进行了学习。同时,59名中国数学教师前往英国的48所小学进行了为期4个月的交流,并进行了示范教学。

    为客观评估交换效果,英国教育部委托谢菲尔德哈莱姆大学出具了一份《中英数学教师交换计划研究报告》,对这次交换计划的实际效果进行评估。报告认为,在参与交流项目的48所英国小学中,大多数学校学生数学成绩均得到了显著提升,且学生的学习态度也有较大改善。正是这一报告,给了教育部极大的信心。

    目前改革计划只针对数学,暂不涉及到其他学科,且该计划主要着眼于教学方式,至于是否会完全按照中国学校的做法,包括严格限制学生的作息时间,则由学校自己决定。

    英国的教育改革之路

    英国学校目前的教学方式,与上世纪60年代进行的一场教育改革有关。1965年至1975年,英国中学教育出现一场“教育大革命”:在全英国普及综合学校。综合学校的宗旨是:为所有儿童提供教育机会,而不是采用此前的中学入学考试、在1112岁时就把儿童分为有前途和没前途的两种人。

    1965年,工党政府开始推广综合学校。到1975年,在英格兰,90%的中学均为综合学校;在苏格兰和威尔士,几乎所有中学都是综合中学。

    按照综合教育的理念,受教育者无论能力水平高低,无论社会阶层,无论贫富,无论信仰和种族,均应享受平等的教育机会。在这种理念下,英国大多数综合学校采用一种包含个人选择的统一教学大纲,即教学大纲可以兼容个人选择,而非强制个人去适应固定教学大纲。

    批评人士仍对中式教育存疑

    在《我们的孩子足够坚强吗?》纪录片中,5位中国老师来到汉普郡的博亨特中学,开办“中国学校”。在4周内给50名英国中学生上课,然后,让“中国学校”的学生与“英国学校”的同龄学生一起考试。最终,中国实验班学生的分数比英国班学生高出10%

    英国教育部推广中式教学,并不意味着中式教学法在英国得到认可。仍有批评人士认为,这种激进的教学方式只注重让学生掌握计算公式和方法,却没有教给他们如何把数学知识应用到实际生活中去,不利于学生对数学学科的理解。

    事实上,即使是长期亲身实践中式教育的中国教师,态度上也较为谨慎。BBC纪录片的主角之一、中国教师杨军接受采访时表示,中式教学确实更倾向于死记硬背,动手能力差。相对来说,中国学生确实缺少一些创造力。英国学生则个人主义非常严重,集体主义精神太差,哪怕是地上的一张纸,如果不是自己掉的都不愿捡起。杨军也表示,如果自己现在回到学校教书,可能会在两种方式之间找到一个平衡。

    英国算术基金会负责人迈克·埃利科克说:“孩子们当然需要掌握数学基本思想,这样他们才能在此基础上感受到自信。但他们不用通过练习和重复来实现这一点。事实上,这是建立‘数字感’并用其解决实际问题的过程。好的数学教学方法就是正确实现这种平衡。”

    中国教育科学研究院研究员储朝晖认为,尽管英国此番决定引进中式教育,但并不意味着中式教育法“战胜”了英式教育法。英国此次引进中式教育法,只是作为对原有教育模式的一种补充,而非彻底抛弃原有的教育模式,其目的是增加其教学的多样性,以集中获得两种教育模式的优势。但从根本上来说,中式教育法无法完全取代英国原有的教育模式,因为两国的文化背景、家庭环境、社会背景等方面有太多不同。

    储朝晖说,两种教育方法的区别就在于,英国老师更加注重课堂上跟学生的互动,而中式教学主要目标就是要把知识点教给学生,因此这种单向的教学模式,可能会帮助学生更扎实地掌握知识点。

    储朝晖表示,就中国而言,我们也应借此机会考虑增加自身的教学模式多样性,而不是盲目地认为中式教育就一定比英式的好。

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