从记数法到复数域:数系理论的历史.doc

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从记数法到复数域:数系理论的历史课案

从记数法到复数域:数系理论的历史     一、 记数法、位置制和零   人类在进化的蒙昧时期,就具有了一种“识数”的才能,心理学家称这种才能为“数觉”(perception of number)。动物行为学家则认为,这种“数觉”并非为人类所独有。人类智慧的卓越之处在于他们发明了种种记数方法。《周易·系辞下》记载“上古结绳而治,后世圣人,易之以书契”。东汉郑玄称:“事大,大结其绳;事小,小结其绳。结之多少,随物众寡”。以结绳和书契记数的方法实际上遍及世界各地,如希腊、波斯、罗马、巴勒斯坦、伊斯兰和中美洲国家都有文献记载和实物标本。直到1826年,英国财政部才决定停止采用符契作为法定记数器。随着人类社会的进步,数的语言也在不断发展和完善。数系发展的第一个里程碑出现了:位置制记数法。所谓位置制记数法,就是运用少量的符号,通过它们不同个数的排列,以表示不同的数。引起历史学家、数学史家兴趣的是,在自然环境和社会条件影响下,不同的文明创造了迥然不同的记数方法。如巴比伦的楔形数字系统、埃及象形数字系统、希腊人字母数字系统、玛雅数字系统、印度—阿拉伯数字系统和中国的算筹记数系统。   最早发展的一类数系应该是简单分群数系(simple grouping system),如在公元前3400年埃及象形文字中就有实例,它是10进的,但却不是位置的。在公元前3000到2000年之间,巴比伦人发展了60进位的定位数系(positional numeral system),它采用了位置制,却不是10进的。而最重要和最美妙的记数法则是10进位位置制记数法。   法国著名数学家拉普拉斯(Laplace,1749 – 1827)曾经写道:   用十个记号来表示一切的数,每个记号不但有绝对的值,而且有位置的值,这种巧妙的方法出自印度。这是一个深远而又重要的思想,它今天看来如此简单,以致我们忽视了它的真正伟绩。但恰恰是它的简单性以及对一切计算都提供了极大的方便,才使我们的算术在一切有用的发明中列在首位;而当我们想到它竟逃过了古代最伟大的两位人物阿基米德和阿波罗尼斯的天才思想的关注时,我们更感到这成就的伟大了。   拉普拉斯的这段评论十分精彩,只可惜他张冠李戴,把这项发明归之于印度。现已有充分而确凿的史料证明,10进位位置制记数法最先产生于中国。这一点也为西方的一些数学史家所主张。李约瑟就曾指出“在西方后来所习见的‘印度数字’的背后,位置制已在中国存在了两千年。”不过,10进位位置制记数法的产生不能单纯地归结为天才的智慧。记数法的进步是与计算工具的改进相联系的。研究表明,10进位位置制记数之产生于中国,是与算筹的使用与筹算制度的演进分不开的。   “0”作为记数法中的空位,在位置制记数的文明中是不可缺少的。早期的巴比伦楔形文字和宋代以前的中国筹算记数法,都是留出空位而没有符号。印度人起初也是用空位表示零,后来记成点号“· ”,最后发展为圈号。印度数码在公元8世纪传入阿拉伯国家。13世纪初,意大利的商人斐波那契(Leonado Fibonacci, 1175 - 1250)编著《算经》(Liber Abacci,1202),把包括零号在内完整的印度数码介绍到了欧洲。印度数码和10进位位置制记数法被欧洲人普遍接受后,在欧洲的科学和文明的进步中扮演了重要的角色。 ?  Archimedes,BC287 - 212)的回答是:不。在《数沙术》中,阿基米德以万(myriad)为基础,建立新的记数法,使得任何大的数都能表示出来。他的做法是:从1起到1亿(原文是万万,myriad myriads, 这里按照中文的习惯改称为亿)叫做第1级数;以亿(108)为第2 级数的单位,从亿到亿亿(108)2叫做第2级数;在以亿亿为单位,直到亿亿亿(108)3叫做第3级数。直到第1亿级数的最后一数亿亿 。阿基米德算出充满宇宙的沙子的数目不过是1051,即使扩充到“恒星宇宙”,即以太阳到恒星的距离为半径的天球,也不过只能容纳1063个沙粒!   同样的问题也出现在中国古代。汉代以前,数皆10进,以10万位亿。韦昭解《国语·郑语》第十六:“计亿事,材兆物,收经入,行垓极”。注称“计,算也;材,裁也。贾唐说皆以万万为亿,郑后司农云:十万曰亿,十亿曰兆,从古数也。”《数术记遗》中则详细记载了对大数的一整套命名和三种进位方法。《数术记遗》称:   黄帝为法,数有十等,及其用也,乃有三焉。十等者亿、兆、京、垓、秭、壤、沟、涧、正、载;三等者,谓上、中、下也。其下数者。十十变之,若言十万曰亿,十亿曰兆,十兆曰京也。中数者,万万变之,若言万万曰亿、万万亿曰兆,万万兆曰京。上数者,数穷则变,若言万万曰亿,亿亿曰兆,兆兆曰京也。从亿至载,终于大衍。徐岳问曰:数有穷乎?   会稽(刘洪)答曰:吾曾游天目山中,

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