開始上課啦!
我們通常把數學知識當作數學,但這其實是一種誤解。
學習數學,不應該以懂得多少數學公式為目標,而是要從鍛鍊解決問題的過程中,學習所用到的思維方法。有數學思維的人,不僅做事有條理,而且擅長獨立思考,更能多角度開闢思維點,進行逆向思考。這樣的人在學習中很容易做到舉一反三,對所學知識活學活用,成績自然不差。 我在這本書裡精選了20個對人類數學發展史產生重要影響的數學問題,透過故事的形式,讓大家瞭解每個問題解決背後的過程、相關科學家軼事,以及這些問題對應的數學定律在人類生活中的重要影響;讓人們去感受這些科學家在數學問題上閃耀著的智慧光芒,去探究數學發展史上人類探索的脈絡;讓人們學會用數學的眼光觀察現實世界,用數學的思維思考現實世界,用數學的語言表達現實世界。
Lesson 02 早期文明裡沒有0這個數字?
0的發明是數學世界的最特殊基石
思考:0在哪些結論中是特殊的存在呢?
有了數字和進位制,就能用少數幾個符號代表無限的數目了。人類文明發展到這個階段,就有了抽象概念的能力,在此基礎上開始創造算術,進而建立起整個數學和自然科學的世界。 但是,不知你是否注意到了,所有早期文明的計數系統中,都沒有0 這個數字。這使得計數和數學演算非常不方便。例如,我們用帶有0 的阿拉伯數字做加法「10+21」就很容易,你只要把這兩個數位寫成上下兩行,然後個位數和個位數相加,十位數和十位數相加即可。 但是,如果你列一個豎式計算「十+ 二十一」,就很麻煩了,因為你根本對不齊。 因此,無論是計數還是運算,0 這個數字都太重要了。
0 的由來
為什麼美索不達米亞、古埃及、古希臘都沒有人想到0 這個數字呢?這是因為人類發明數位和計數的目的是有東西要記,如果沒有東西,就不需要計數了。 人類發明0 這個數字是比較晚的事情,在已知史料當中,最早關於數位0 的明確記載是在9 世紀。當然,在此之前,它很可能已經被使用了好幾百年。今天在印度中央邦的瓜廖爾堡一座小寺廟的牆上,還能看到最早的數字0。 為什麼是印度人發明了數字0 ?對此,人們通常有兩種解釋。 一是和古代印度人的計數方式有關。印度人會把石頭放在沙土上,如果把石頭都拿光,沙土上就會出現一個石頭留下的圓形印記,這個空的圓形印記逐漸演變成了數字0。 二是和印度古老的吠陀文化有關。這種解釋更被廣泛接受。 大約從西元前1500 年開始到西元前1100 年,來自中亞草原的游牧部落不斷南下進入南亞次大陸。這些游牧部落自稱「亞利安人」,亞利安人在梵語中是「征服者」的意思。亞利安人在征服印度時,將自己的文化和當地文化相融合,形成了一種新的文化——吠陀文化。
吠陀是梵語中「知識」的意思。吠陀文化中,做學問和祭祀的人身居高位,人們的生活往往圍繞著祈禱和祭祀,日常行為規範則寫在《吠陀經》裡。《吠陀經》反映了亞利安人的宇宙觀、宗教信仰和人生態度。古代印度人相信,宇宙中的一切都有一個本原的主體,即本體,這個本體在不同的經卷中被描繪為不同的神。按照《吠陀經》的說法,宇宙結構的核心是空和幻,也就是說,宇宙本是空的,而我們看到的只是幻象,萬物皆源於空。 從吠陀時代開始,印度人以虔誠對待神的方式追求宇宙的真理,但是他們探求知識的方式和許多其他文明是完全不同的。美索不達米亞、古埃及都從觀察世界開始,總結出對世界的認識,他們的幾何學和天文學就是這麼產生的。到了古希臘文明時期,亞里斯多德總結了前人科學研究的方法論,整理出一整套透過觀察世界得到知識的方法。但是古代印度人則強調向內心,而不是向外部世界尋找問題的答案。知識階層透過不斷修行,對「虛無」進行冥想,獲得對世界的認識。 虛無在印度文化中是一個開放的概念,不同於我們通常理解的「沒有」,它更像是世界萬物的起始點。後來的佛教和印度教都將虛無這個概念作為其教義的一部分。包括今天大家練習的瑜伽,也是為了激勵冥想,讓練習者清空思想和滌蕩心靈。 當今的印度神話學家德杜特•帕塔納克(DevduttPattanaik)有一次在演講中陳述了亞歷山大大帝和一位印度修行者的對話。身為世界征服者,亞歷山大看著一位赤裸的修行者,正坐在岩石上盯著天空發呆。於是就問他:「你在做什麼?」 「我在感知虛無。你在做什麼?」修行者回應。 「我在征服世界。」亞歷山大說。 他們都笑了,因為他們都覺得對方是荒廢生命的傻瓜。 對生活在希臘文明圈的亞歷山大來說,現實的世界才是真實的,擁有是很重要的事,而對那位印度修行者來講,透過探究虛無,他可以瞭解整個世界。
在印度文化中,0不僅必須存在,而且是產生其他數位的重要工具。 古代印度著名數學家和天文學家婆羅門笈多早在7世紀就總結了和0相關的基本規則,例如:
1+0=1 1-0=1 1×0=0
但是,當婆羅門笈多用0去除1的時候,就遭遇到了難題。什麼數字乘以0會等於1?印度數學家發明了一個新的數學概念:無窮大。
無窮大的概念最初來自12世紀的印度數學家婆什迦羅,他是這樣解釋0和無窮大的關係的: 如果你將一個瓜切成兩半,你就有兩塊瓜,但是每塊瓜只有原來的一半;如果你將它切成三份,就有三塊瓜;一直切下去的話就會是越來越多、越來越小的塊。最終,你會得到無窮多的塊數,但是每塊的大小就是0。 因此,婆什迦羅就得出一個結論,1除以無窮大就是0,或者說1除以0就是無窮大。 你看,在印度數學家的眼裡,0已經不僅僅代表「沒有」了,它早就是一個重要的數學工具了。
0與負數
從0出發再往前走,印度數學家就得到了負數的概念。如果我們用1去減1,就得到了0,那麼1減去2會得到什麼呢?顯然地,我們的答案會比「沒有」更少。西元628年,婆羅門笈多完成了《婆羅門修正體系》,在書中正式提出了負數的概念,以及負數四則運算的各種規則。中國人在更早的漢朝就知道了負數的存在,只是沒有將負數的各種運算規則講得很清楚。
阿拉伯數字的由來
數字0的出現是人類數學史上一次認知上的飛躍,伴隨0一同出現的還有今天大家都在使用的阿拉伯數字系統。它最大的優點就是在0的幫助下,個、十、百、千、萬的進位變得非常容易。沒有阿拉伯數字,我們今天做算術會非常麻煩。 阿拉伯數字雖然被冠以阿拉伯的名字,其實也是印度人發明的。今天,人們一般認為,阿拉伯數字系統的原型可以追溯到西元前印度發明的婆羅米文字,但是那些文字和今天的阿拉伯數字相去甚遠。西元630年,阿拉伯帝國建立,並且將勢力擴張到印度地區,阿拉伯人到了印度後,見識到印度人先進的計數方法,便將其引入。最初引入阿拉伯的印度數位並不包括0。
到西元773年,一位印度天文學家攜帶婆羅門笈多的著作來到巴格達,將其翻譯成阿拉伯文。阿拉伯數學家研究了印度的數學著作後,寫出了《印度的計算法》一書,告訴大家印度人發明的這十個數字如何使用、如何重要。那時候,阿拉伯文明比較先進,周邊的文明都向它學習,這種源於印度的計數方法便逐漸傳到了歐洲和北非。歐洲人從阿拉伯人那裡學會了這種很方便的計數方法,以訛傳訛,就叫成了「阿拉伯數字」。後來隨著文藝復興,歐洲的文明逐漸崛起,世界上其他文明又向歐洲人學習,「阿拉伯數字」的叫法也就被大家熟知了。
早期的阿拉伯數字和今天我們看到的樣子還是有差別的,經過幾百年的演變,到16世紀,才完全變成今天的樣子。