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數(shù)學(xué)基礎(chǔ)概念的“另類思考”——代數(shù)的產(chǎn)生

 政二街 2019-07-20

實數(shù)有了之后,現(xiàn)實當(dāng)中又產(chǎn)生了虛數(shù)的概念。虛數(shù)的概念產(chǎn)生于負(fù)數(shù)開偶次方。比如說根號-1,哪個數(shù)的平方是-1呢?實數(shù)中沒有,于是我們創(chuàng)造了一個數(shù)i,說這個i的平方就是-1,其他與實數(shù)的運算兼容,虛數(shù)與實數(shù)的混合稱為復(fù)數(shù)。后來發(fā)現(xiàn)虛數(shù)是一種新的量,它不只是人腦的想當(dāng)然,而是有現(xiàn)實的對應(yīng)物的。

數(shù)學(xué)基礎(chǔ)概念的“另類思考”——代數(shù)的產(chǎn)生

圖一 復(fù)數(shù)與分形

如果說虛數(shù)的產(chǎn)生只是一次偶然,那么在現(xiàn)實中確實有許多的新現(xiàn)象,迫使我們超越傳統(tǒng),發(fā)明新的數(shù)和量。比如說,用力拉車,這個力不僅僅涉及大小問題,還涉及方向問題。為了描述這樣的量,便產(chǎn)生的“向量”的概念,現(xiàn)實生活中產(chǎn)生了很多很多類似的概念。例如,在搞交流電的計算時,我們發(fā)現(xiàn)這個電流不僅有大小,還有相位,我們便發(fā)明了“相量”來描述它。神奇的是,這個相量其實便是虛數(shù)的另一種表達(dá)方式,它們遵循完全相同的運算法則。在不同的領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)相同的形式,這是數(shù)學(xué)的勝利,是人類智慧的勝利。

數(shù)學(xué)基礎(chǔ)概念的“另類思考”——代數(shù)的產(chǎn)生

圖二 復(fù)數(shù)與交流的關(guān)系

在虛數(shù)的基礎(chǔ)上,數(shù)學(xué)家物理學(xué)家哈密頓又發(fā)明了四元數(shù),它是研究-i的開平方問題?,F(xiàn)實世界要解決的數(shù)量關(guān)系非常復(fù)雜,數(shù)量關(guān)系越多越復(fù)雜我們需要的運算形式越多。不僅僅需要加減乘除法需要乘方開方,我們還需要更多的計算形式。由于現(xiàn)實當(dāng)中數(shù)量出現(xiàn)的種類不同,那么我們還要給它做不同的定義,于是數(shù)量的表達(dá)方式也不同了。

數(shù)學(xué)基礎(chǔ)概念的“另類思考”——代數(shù)的產(chǎn)生

圖三 數(shù)量運算

數(shù)量的表現(xiàn)形式越來越多樣,我們的數(shù)學(xué)要想不停留在具體問題上,就必須解決通式問題!比如,有這樣一個長方形,長5米,寬2米,面積是多少呢?面積就等于5*2=10平米。又有一個長方形,它是長8米和寬2米,那么面積就是8*2=16平米。那么給出任意一個長方形,它的面積應(yīng)該是什么呢?我們就可以設(shè)定它的長為a,寬為b,面積就寫成a*b,這樣不管長寬是多少,都遵循這個關(guān)系,這就是個通式。這個就是代數(shù)。不停留在具體問題上而用通式去描述,就是代數(shù)。

數(shù)學(xué)基礎(chǔ)概念的“另類思考”——代數(shù)的產(chǎn)生

圖四 代數(shù)與算法

代數(shù),就是用一種未知的東西來代替任意的東西,從而建立起量之間的關(guān)系,這種關(guān)系它適合所有的同類問題。我們從小學(xué)開始,研究什么是數(shù),然后各種各樣的運算,然后到了初中開始有代數(shù)式,然后研究代數(shù),后來又出現(xiàn)了方程,又出現(xiàn)方程組和高次方程,其實這都不過是基本代數(shù)關(guān)系的演化結(jié)果,從而更方便地解決實際問題。

數(shù)學(xué)就是這樣的,把它是怎么回事,怎么從現(xiàn)實當(dāng)中來的,之間有怎么樣的來龍去脈關(guān)系,這些問題想明白了,數(shù)學(xué)就不抽象了。

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