魏晉劉徽是我國古代杰出的數(shù)學(xué)家,他的突出貢獻(xiàn)是為《九章算術(shù)》作注,完善了中華數(shù)學(xué)的理論體系。在劉徽數(shù)學(xué)廣闊的原野上,有幾座神秘莫測的奇峰,雖歷經(jīng)千百年的風(fēng)雨滄桑,至今仍散射出神秘的光彩。劉徽數(shù)學(xué)簡潔明快、博大精深,它的前瞻性思維是人們所難以理解和想象的,一些成果直到今天還沒有為世人所普遍理解和接納。 本書分三卷,旨在探究劉徽數(shù)學(xué)中三個千古疑案,其一是《海島算經(jīng)》,其中九個幾何題竟組成了一套通用程序,成就了名為劉徽勾股的中華幾何學(xué)。其二是劉徽割圓術(shù)中蘊涵有無窮小分析思想和極限觀念,比微積分超前一千多年捅開了高等數(shù)學(xué)大門。其三是劉徽的逼近加速技術(shù),彌補了微積分方法的缺陷與不足,并且為創(chuàng)立未來的新數(shù)學(xué)提供了有益的啟示。 本書分別面對數(shù)學(xué)教育的中學(xué)、大學(xué)和研究生三個層次,試圖用中華先賢的大智慧為今日的數(shù)學(xué)教改輸送正能量。
1.介紹劉徽數(shù)學(xué)全面、獨到。本書分《從勾股定理到劉徽勾股》《從割圓術(shù)到微積分》《從劉徽加速到演化數(shù)學(xué)》三卷探究了劉徽數(shù)學(xué)的偉大成就。2.弘揚中華民族精神、增強文化自信。本書不是討論數(shù)學(xué)史,而是講作者的新見解和新發(fā)現(xiàn),充滿對中華文化的自信,是一本具有很高思想價值的圖書。
一、揪人心扉的錢學(xué)森之問 當(dāng)代中國杰出科學(xué)家浩若繁星,不勝枚舉。在人們心目中,錢學(xué)森先生當(dāng)屬德高望重的科學(xué)大師。先生早年放棄國外的優(yōu)厚待遇毅然回國效力,為祖國科學(xué)事業(yè)嘔心瀝血,做出了名垂青史的不朽功勛。 特別令人崇敬的是先生高尚的人格魅力。先生胸懷坦蕩,大公無私,憂國憂民而直言不諱。傳說晚年錢先生曾進(jìn)言國家領(lǐng)導(dǎo)人: 為什么我們的學(xué)校培養(yǎng)不出杰出的人才? 鋒芒畢露,一針見血!這就是揪人心扉的錢學(xué)森之問。 中華文明是唯一從未中斷過的人類文明,有著五千余年的輝煌歷史。中華古代數(shù)學(xué)為中華文明的進(jìn)展做出過突出的貢獻(xiàn)。只是*近四五百年,中國人在近代工業(yè)革命時期落伍了。由于落后中國人受盡了西方列強的欺凌壓迫,直至被逼到了關(guān)乎民族存亡的緊要關(guān)頭。中華民族萬眾一心歷經(jīng)百余年浴血奮斗,才又涅磐重生地傲立于世界的東方。然而西方列強亡我之心不死,當(dāng)前仍在虎視眈眈地仇視著中華民族的崛起,正在千方百計地打壓我們。面對這種嚴(yán)峻的現(xiàn)實,我中華民族必須盡快地強大起來,盡早地實現(xiàn)民族復(fù)興的偉大事業(yè)。二、數(shù)學(xué)教育倡導(dǎo)現(xiàn)代化 人們普遍流行一種看法,現(xiàn)行中學(xué)數(shù)學(xué)傳承古希臘數(shù)學(xué)的一套,歐幾里得公理化體系千年不朽,至今仍壟斷著中學(xué)幾何,F(xiàn)行的大學(xué)數(shù)學(xué),歷來是牛頓微積分一柱擎天,無法撼動。面對當(dāng)代日新月異的信息革命浪潮,數(shù)學(xué)教改已是勢在必行了。家家都有孩子。孩子是祖國的花朵,人類的未來。請想一想,現(xiàn)今的中學(xué)生,十余年后踏上社會將會面對怎樣的科技形勢?未來的科技精英應(yīng)當(dāng)具備怎樣的素質(zhì)?今天,我們應(yīng)當(dāng)為孩子們準(zhǔn)備*好的精神食糧,應(yīng)當(dāng)經(jīng)常帶領(lǐng)孩子們到野外大自然中登高望遠(yuǎn),欣賞現(xiàn)代科技的大好風(fēng)光! 公元前3世紀(jì)左右,古希臘數(shù)學(xué)家歐幾里得完成了鴻篇巨制《幾何原本》。這部著作采取公理化的表述方式,把古希臘的幾何知識理論化、抽象化、系統(tǒng)化。這種邏輯體系長期被認(rèn)為是走向真理的必由之路,而且有助于訓(xùn)練人們的思維能力,因而歷經(jīng)兩千余年的傳承,至今仍是中學(xué)幾何課本的基本框架。 *近一個多世紀(jì)以來,西歐和北美相繼發(fā)生了數(shù)學(xué)教育改革運動,教改的矛頭首先針對歐氏幾何。然而,西方教改的種種方案是否合理,至今尚無定論。究竟歐氏幾何在數(shù)學(xué)教育中具有怎樣的意義?應(yīng)當(dāng)占據(jù)怎樣的地位?至今仍是數(shù)學(xué)教育領(lǐng)域里的一大前沿課題。 西方近代教改方案紛亂雜陳,他們雖然深切地感受到歐氏幾何的弊端,但找不到好的解決辦法,陷入棄留不定的兩難境地。出路在哪里呢?三、數(shù)學(xué)教育倡導(dǎo)民族化 深陷困境之中的西方數(shù)學(xué)家根本不了解或者拒絕接受東方的中華古算。他們想象不到,中華古算對現(xiàn)代數(shù)學(xué)的發(fā)展有著重要的啟迪與指導(dǎo)意義。 在人類文明史上,唯有我中華文明歷經(jīng)數(shù)千年持續(xù)發(fā)展沒有中斷。在復(fù)興中華的偉大征程中,我們應(yīng)當(dāng)認(rèn)真深挖中華古算的奇珍異寶,傳承中華先賢的大智慧。 唐代詩人有詩云:舊時王謝堂前燕,飛入尋常百姓家,感嘆滄海桑田的時代變遷。時代變了,舊時的陽春白雪有可能為今天的普羅大眾所理解,為什么不能盡早供中華學(xué)子欣賞呢? 有些人根本不了解或者一味抗拒中華古算,他們想象不到,中華數(shù)學(xué)保存有神奇美妙的數(shù)學(xué)原生態(tài)。 中華數(shù)學(xué)歷史悠久,遠(yuǎn)早于古希臘數(shù)學(xué)。早在三千多年前的公元前11世紀(jì),被數(shù)學(xué)史稱為《商高答周公問》的重要文獻(xiàn)中就證明了數(shù)學(xué)第一大定理勾股定理,在人類文明史中留下了超前智慧的印記。 在公元3世紀(jì),魏晉劉徽在《九章算術(shù)注》中,按照商高的這一數(shù)學(xué)思想,設(shè)計了重差術(shù)、割圓術(shù)等一系列神奇算法,創(chuàng)建了被陳省身先生稱為劉徽勾股的中華幾何學(xué)。這是一種相比歐氏幾何毫不遜色然而迥然互異的另一種幾何學(xué)。四、數(shù)學(xué)教育倡導(dǎo)簡單化 美國學(xué)者S.Wolfram被譽為科學(xué)奇才。上個世紀(jì)后期,Wolfram因成功研制數(shù)學(xué)軟件Mathematica而聲名顯赫。他于20世紀(jì)末閉門修煉十余年,一直在思考全新的學(xué)術(shù)結(jié)構(gòu),于本世紀(jì)初的2002年推出了鴻篇巨制《一種新科學(xué)》。 Wolfram認(rèn)為,傳統(tǒng)數(shù)學(xué)注定要失敗,因為它們過于偏重證明。他建議用電腦程序來表達(dá)一般的規(guī)律,并試圖在此基礎(chǔ)上建立一種新科學(xué),從而啟動一場科學(xué)革命。簡單的重復(fù)生成復(fù)雜,這是Wolfram新科學(xué)的基本信條。人們評價這一原則是與牛頓萬有引力相媲美的科學(xué)金字塔。 其實,Wolfram的這種說法不免過于簡單,新科學(xué)基于新數(shù)學(xué),新數(shù)學(xué)仰賴新思維。避開新思維和新數(shù)學(xué)的新科學(xué)不過是空中樓閣而已。 新科學(xué)、新數(shù)學(xué)和新思維三位一體,密不可分,三者必須共同設(shè)計。 數(shù)學(xué)的目的是追求簡單。伽利略說,宇宙這本大書是用數(shù)學(xué)語言寫成的。這個論斷基于兩方面的判斷:宇宙的規(guī)律是簡單的;描述宇宙規(guī)律的數(shù)學(xué)語言是簡單的。 翻開《愛因斯坦文集(第一卷)》(商務(wù)印書館,1976年),愛因斯坦語重心長地教導(dǎo)后輩:要以*適當(dāng)?shù)姆绞疆嫵鲆环喕、易于領(lǐng)悟的世界圖像。要尋找一個能把觀察到的事實聯(lián)結(jié)在一起的思想體系,這個體系將具有*大可能的簡單性。 總而言之,我們一定要銘記先輩大師們的教導(dǎo),以各種優(yōu)秀文化、先進(jìn)思想滋潤哺育學(xué)生,培養(yǎng)造就出一大批出類拔萃的國家棟梁與數(shù)學(xué)精英,為復(fù)興中華的偉大事業(yè)貢獻(xiàn)力量!
王能超,華中科技大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院教授、計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士生導(dǎo)師、并行計算研究所原所長。我國并行算法設(shè)計的先驅(qū)者之一。1960年北京大學(xué)計算數(shù)學(xué)專業(yè)畢業(yè),1964年復(fù)旦大學(xué)微分方程專業(yè)研究生畢業(yè),師從谷超豪先生(國家*高科學(xué)技術(shù)獎獲得者)。曾任全國計算數(shù)學(xué)教學(xué)研究會理事長、湖北省計算數(shù)學(xué)學(xué)會理事長等。承擔(dān)國家863高技術(shù)項目、國家自然科學(xué)基金項目、國防科工委項目多項。發(fā)表學(xué)術(shù)論文50多篇,出版學(xué)術(shù)專著有《數(shù)值算法設(shè)計》、《同步并行算法設(shè)計》、《算法演化論》、《萊布尼茨:從差和分到微積分》、《探秘古希臘數(shù)學(xué)》(數(shù)學(xué)文化小叢書,十二五國家圖書出版規(guī)劃項目)、《中華神算(上、下冊)》等。編寫出版了工程數(shù)學(xué)、大學(xué)本科與研究生三個層次的數(shù)值分析(計算方法)的全國通用教材,1978年在人民教育出版社出版通用教材《計算方法與算法語言》,引領(lǐng)并創(chuàng)建了計算方法、數(shù)值分析課程的教學(xué)體系;《數(shù)值分析》(合編)與《數(shù)值分析簡明教程》兩本教材于1988年同時獲國家*優(yōu)秀教材二等獎,《數(shù)值分析》累計銷售近50萬冊,并獲得全國優(yōu)秀暢銷書獎。后期陸續(xù)出版了《計算方法:算法設(shè)計及其MATLAB(第2版)》(十一五*規(guī)劃教材)、《簡易數(shù)值分析》等教材。王教授對中國古代數(shù)學(xué)有深入研究,發(fā)現(xiàn)了中華數(shù)學(xué)許多大智慧,其研究成果得到專家學(xué)者的高度贊揚,出版學(xué)術(shù)性科普著作《千古絕技割圓術(shù):探究數(shù)學(xué)史上一樁千古奇案》(榮獲第四屆全國優(yōu)秀科普作品獎三等獎,被列入*、團中央中小學(xué)生科普讀物推薦書目)、《劉徽數(shù)學(xué)割圓術(shù):奇效的劉徽外推》等。
上卷 從勾股定理到劉徽勾股
引論一 演繹數(shù)學(xué)話滄桑(3)
卓爾不凡的古希臘數(shù)學(xué)(3)
數(shù)學(xué)第一大定理勾股定理(4)
歐氏幾何的公理化體系(6)
勾股定理的畢達(dá)哥拉斯證法(6)
克萊因說千年數(shù)學(xué)走了個大圓圈(9)
引論二 演算數(shù)學(xué)放異彩(11)
五六千年前的紅山祭壇(11)
圓與方的交響曲(12)
世代傳承兩千余年的劉徽勾股(13)
劉徽勾股正本清源(14)
第1章 遠(yuǎn)古商高舉勾股(15)
1.1千古奇文《商高答周公問》(15)
1.2矩尺內(nèi)含三四五模板(17)
1.3求證勾股定理的無字天書(22)
1.4相似勾股的單矩測量系統(tǒng)(25)
第2章 中古陳子品重差(31)
2.1陳子倡導(dǎo)智類之明(31)
2.2雙矩測量系統(tǒng)的陳子模型(32)
2.3陳子公設(shè)遭非議(34)
第3章 近古劉徽探海島(35)
3.1劉徽重建重差學(xué)說(35)
3.2百家爭鳴探海島(35)
3.3重差模型再梳理(37)
3.4破解《海島算經(jīng)》的幾個案例(39)
結(jié)語神龍見首不見尾(48)
中卷 從割圓術(shù)到微積分
引言 破解李約瑟之問(53)
第1章 千古絕技割圓術(shù)(54)
1.1劉徽是怎樣割圓的(54)
1.2圓面積的邏輯演繹(58)
1.3割圓術(shù)開極限論之先河(62)
1.4割圓術(shù)直通微積分(68)
第2章 從差和分到微積分(70)
2.1被歷史塵埃掩埋了的萊布尼茨體系微積分(70)
2.2差和分的模式態(tài)(72)
2.3差和分的離散態(tài)(74)
2.4差和分的極限態(tài)(75)
第3章微積分運算的設(shè)計(78)
3.1從差分到微分(78)
3.2導(dǎo)函數(shù)與原函數(shù)(80)
3.3定積分與不定積分(81)
3.4新體系的新特色(83)
第4章微積分的思維方式(86)
4.1最古老的科學(xué)豐碑(86)
4.2當(dāng)微積分遇到了中華易學(xué)(87)
結(jié)語 不畏浮云遮望眼(90)
下卷 從劉徽加速到演化數(shù)學(xué)
引言 演化數(shù)學(xué)的思維方式(95)
萊布尼茨不可思議的新發(fā)現(xiàn)(95)
伏羲寶鑰的演化生成(96)
易理的二分演化機制(97)
第1章 逼近加速重差術(shù)(99)
1.1一飛沖天的劉徽神算(99)
1.2祖沖之綴術(shù)之謎(103)
1.3劉徽的逼近加速技術(shù)(106)
1.4混沌計算的加速算法(107)
第2章 大數(shù)據(jù)的生成與描述(112)
2.1大自然的演化方式(112)
2.2大數(shù)據(jù)的編碼策略(113)
2.3倍增數(shù)列的編碼方案(118)
第3章 理想的互聯(lián)結(jié)構(gòu)超立方(123)
3.1互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(123)
3.2什么是超立方(124)
2.3超立方結(jié)構(gòu)的易圖繪制(128)
第4章 Walsh函數(shù)的演化生成(131)
4.1怪異的Walsh函數(shù)(131)
4.2 Walsh函數(shù)的代數(shù)化(134)
4.3 Walsh二分演化系統(tǒng)(137)
4.4 Hadamard陣的復(fù)制技術(shù)(144)
4.5百年絕唱三首數(shù)學(xué)詩(146)
跋語 新科學(xué)·新思維·新數(shù)學(xué)(149)
新時代呼喚新科學(xué)(149)
新科學(xué)仰賴新思維(152)
新思維孕育新數(shù)學(xué)(154)
參考文獻(xiàn)(156)