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数学来源于实践,其发展受实践的影响。虽然它也是一种理想的创造物,但决非是胡思乱想、脱离现实。它是常识的精微化。所谓“常识的精微化”,是指对常识的精练细微化,实质也是加工抽象化。下面从数学规定、数学符号、数学活动和数学思想等方面加以粗浅说明。
一、数学规定
规定是对处理某一事项所制定的办法。人类社会有许多规定,其目的是为了人类的生存、生活和工作的需要。如国家的法律、城市交通法规、学生行为规范,等等。规定在数学中也很普遍,它是数学工作的需要,也符合人类认识的常理。
例1:对于“x=arcsiny”,其中一个y对应着无穷多个x,考虑其周期性,规定它的主值区间- ,就可使y与x建立一一对应的关系,这对于我们研究问题就方便了。
例2:在推导椭圆方程时,首先要建立“标准位置”(这本身也符合常理),得出的 =2a是椭圆上点的轨迹方程,而将其化为 1则更好,又作出规定:b2=a2-c2(b>0)后,其形式为 =1,其中a、b、c都具有了明确的几何意义,且形式最简单,便于对椭圆性质的研究。如果规定b>0,则短半轴长为|b|,就不如前面的方便了。
像数学中经常出现的“一般形式”、“最简形式”、“标准形式”、“基本形式”等规定,使数学表达最简单、最方便,这也是对人类认识的优化或优选。
例3:合并同类项以后的多项式称为最简多项式,这使多项式的表达简单、确定,也符合常理。如要购买早点:8根油条4只大饼,决不会说成“4根油条2只大饼再4根油条2只大饼”,这是一样的道理。
二、数学符号
数学的一切进步都是对引入符号的反映,在使用和传播的过程中又不断地加以改进,其间也是对日常认识的精微化。
例4:零号(0)的演变。我国古书缺字都用□来表示,数字间的空位,自然也可以用□来表示。在书写的时候,字体常写成行书,而方块也就容易划成圆圈了。于是,“〇”被作为零号。“零”这个字,原来并不表示空无所有的〇。根据《说文解字》中的解释,“零”是作“零头”,如“零丁”、“零星”、“零碎”都是这个意思。105读作“一百零五”,原来是指一百之外还有一个零头五。后来〇也就读作零了,符号〇则演变为扁圆的“0”。
例5:根号的演变。1480年前后,德国人用一个点(.)来表示平方根。如.5是5的平方根。到十六世纪初,小点带上一条尾巴变成“ノ”,可能是写快时带上的。如5的平方根写成ノ5后又变为√5。但为了区分类似5+a的平方根减去x和5+a-x的平方根,于是产生了 即现在的记号 。
综观数学符号的演变过程,大多是基于人们的认识需要,而逐步精微化的。
三、数学活动
数学活动已涉及到社会生活、生产等各个方面。
例6:概率论是研究随机现象数量规律的数学分支。在自然界和人类社会中,存在着大量的随机现象,并在多次重复的随机试验中又往往呈现出明显的数量规律性。如掷一均匀的硬币,可能出现正面或反面,在连续多次掷的过程中,出现正面的频率(出现次数与投掷次数的比)随着投掷次数的增加逐渐稳定于 ;测量一物体长度,由于仪器及观察受环境的影响,每次测量结果可能有差异,但其连续多次测量结果的平均值,将随着测量次数的增加而逐渐稳定于一常数,并且各测量值大都落在此常数的近旁,越远则越少,因而其分布状况呈现“中间大两头小”及某种程度的对称性(即近似于正态分布)。这些现象的精微化就是“大数律”及“中心极限定理”。概率论的发展史,充分说明了理论与实际之间的密切关系,许多研究方向的提出,归根到底是有其实际背景的,是对常识的精微化。
例7:黄金分割是普遍存在的自然现象。例如雅典的巴特农神殿,就是以黄金比例分割建造的神庙;古希腊时代米洛斯的维纳斯,从头顶到肚脐的高度与肚脐到脚底高度之比也十分接近黄金数;古埃及的胡福大金字塔,其高度与底边长度也符合这个比例;无论哪个民族的成年人的驱干部分(即除头、手、腿外),长与宽的平均比值是非常接近黄金数的。又如音乐会上的报幕员,站在舞台上的黄金分割点的位置时最美观,音响效果最佳;二胡上的“千斤”放在黃金分割点位置时,音色最佳、最悦耳。由此可见,黄金分割律也是基于人们的常识。
四、数学思想
数学思想是数学的基本观念,是对数学知识、方法的本质的认识。这些思想很多就是人们在生活、生产中自然需要考虑的问题或一种希望。
例8:优化思想或观念。所有“最大、最小、最高、最低、最长、最短、最省、最好”等有关问题,无一不是优化问题,优化的观念几乎是人类所拥有的一种本能:买东西讲求物美价廉;旅行中讲究合理选择交通工具和旅行路线,使费用最省或所用时间最少;工厂里希望合理安排生产,获得最大利润,等等。不仅人类,整个自然界也充斥着这一现象:皂膜实验、橡皮筋实验、蜂房问题等。因而,这种思想是极为普遍的社会现象。
例9:建模思想或观念。模型是指对需要研究的事物的某些性质的模拟物。如地球仪是地球表面的模型;相片是物体的形象模型;温度计中的水银柱是温度的模拟物,等等。作为基本的数学模型的数和形的形成,正是对常识的精微化的过程。如人们在生活和生产实践中首先产生了有和无的概念,逐渐形成多和少的概念,同时遇到了同样多的事物的集合,并从中选出一个大家最熟悉的、使用又方便的集合作为它们的具体模型。如五个人用五个手指表示,两棵树用两只耳朵表示等。这里的五个手指、两只耳朵就作为各种不同集合的数目的模型。随着生产、交换及语言的发展,由这些具体模型通过抽象过渡到数学模型——自然数,并用符号表示它们。几何概念的建立也经历了类似的过程。
以上我们从四方面对“数学是常识的精微化”作了粗浅的分析。认识这一观点,有助于提高我们对数学思想方法大众化观点的认识,也有助于我们培养学生运用数学的意识,对提高我们的教学质量是有益的。■
注:“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
一、数学规定
规定是对处理某一事项所制定的办法。人类社会有许多规定,其目的是为了人类的生存、生活和工作的需要。如国家的法律、城市交通法规、学生行为规范,等等。规定在数学中也很普遍,它是数学工作的需要,也符合人类认识的常理。
例1:对于“x=arcsiny”,其中一个y对应着无穷多个x,考虑其周期性,规定它的主值区间- ,就可使y与x建立一一对应的关系,这对于我们研究问题就方便了。
例2:在推导椭圆方程时,首先要建立“标准位置”(这本身也符合常理),得出的 =2a是椭圆上点的轨迹方程,而将其化为 1则更好,又作出规定:b2=a2-c2(b>0)后,其形式为 =1,其中a、b、c都具有了明确的几何意义,且形式最简单,便于对椭圆性质的研究。如果规定b>0,则短半轴长为|b|,就不如前面的方便了。
像数学中经常出现的“一般形式”、“最简形式”、“标准形式”、“基本形式”等规定,使数学表达最简单、最方便,这也是对人类认识的优化或优选。
例3:合并同类项以后的多项式称为最简多项式,这使多项式的表达简单、确定,也符合常理。如要购买早点:8根油条4只大饼,决不会说成“4根油条2只大饼再4根油条2只大饼”,这是一样的道理。
二、数学符号
数学的一切进步都是对引入符号的反映,在使用和传播的过程中又不断地加以改进,其间也是对日常认识的精微化。
例4:零号(0)的演变。我国古书缺字都用□来表示,数字间的空位,自然也可以用□来表示。在书写的时候,字体常写成行书,而方块也就容易划成圆圈了。于是,“〇”被作为零号。“零”这个字,原来并不表示空无所有的〇。根据《说文解字》中的解释,“零”是作“零头”,如“零丁”、“零星”、“零碎”都是这个意思。105读作“一百零五”,原来是指一百之外还有一个零头五。后来〇也就读作零了,符号〇则演变为扁圆的“0”。
例5:根号的演变。1480年前后,德国人用一个点(.)来表示平方根。如.5是5的平方根。到十六世纪初,小点带上一条尾巴变成“ノ”,可能是写快时带上的。如5的平方根写成ノ5后又变为√5。但为了区分类似5+a的平方根减去x和5+a-x的平方根,于是产生了 即现在的记号 。
综观数学符号的演变过程,大多是基于人们的认识需要,而逐步精微化的。
三、数学活动
数学活动已涉及到社会生活、生产等各个方面。
例6:概率论是研究随机现象数量规律的数学分支。在自然界和人类社会中,存在着大量的随机现象,并在多次重复的随机试验中又往往呈现出明显的数量规律性。如掷一均匀的硬币,可能出现正面或反面,在连续多次掷的过程中,出现正面的频率(出现次数与投掷次数的比)随着投掷次数的增加逐渐稳定于 ;测量一物体长度,由于仪器及观察受环境的影响,每次测量结果可能有差异,但其连续多次测量结果的平均值,将随着测量次数的增加而逐渐稳定于一常数,并且各测量值大都落在此常数的近旁,越远则越少,因而其分布状况呈现“中间大两头小”及某种程度的对称性(即近似于正态分布)。这些现象的精微化就是“大数律”及“中心极限定理”。概率论的发展史,充分说明了理论与实际之间的密切关系,许多研究方向的提出,归根到底是有其实际背景的,是对常识的精微化。
例7:黄金分割是普遍存在的自然现象。例如雅典的巴特农神殿,就是以黄金比例分割建造的神庙;古希腊时代米洛斯的维纳斯,从头顶到肚脐的高度与肚脐到脚底高度之比也十分接近黄金数;古埃及的胡福大金字塔,其高度与底边长度也符合这个比例;无论哪个民族的成年人的驱干部分(即除头、手、腿外),长与宽的平均比值是非常接近黄金数的。又如音乐会上的报幕员,站在舞台上的黄金分割点的位置时最美观,音响效果最佳;二胡上的“千斤”放在黃金分割点位置时,音色最佳、最悦耳。由此可见,黄金分割律也是基于人们的常识。
四、数学思想
数学思想是数学的基本观念,是对数学知识、方法的本质的认识。这些思想很多就是人们在生活、生产中自然需要考虑的问题或一种希望。
例8:优化思想或观念。所有“最大、最小、最高、最低、最长、最短、最省、最好”等有关问题,无一不是优化问题,优化的观念几乎是人类所拥有的一种本能:买东西讲求物美价廉;旅行中讲究合理选择交通工具和旅行路线,使费用最省或所用时间最少;工厂里希望合理安排生产,获得最大利润,等等。不仅人类,整个自然界也充斥着这一现象:皂膜实验、橡皮筋实验、蜂房问题等。因而,这种思想是极为普遍的社会现象。
例9:建模思想或观念。模型是指对需要研究的事物的某些性质的模拟物。如地球仪是地球表面的模型;相片是物体的形象模型;温度计中的水银柱是温度的模拟物,等等。作为基本的数学模型的数和形的形成,正是对常识的精微化的过程。如人们在生活和生产实践中首先产生了有和无的概念,逐渐形成多和少的概念,同时遇到了同样多的事物的集合,并从中选出一个大家最熟悉的、使用又方便的集合作为它们的具体模型。如五个人用五个手指表示,两棵树用两只耳朵表示等。这里的五个手指、两只耳朵就作为各种不同集合的数目的模型。随着生产、交换及语言的发展,由这些具体模型通过抽象过渡到数学模型——自然数,并用符号表示它们。几何概念的建立也经历了类似的过程。
以上我们从四方面对“数学是常识的精微化”作了粗浅的分析。认识这一观点,有助于提高我们对数学思想方法大众化观点的认识,也有助于我们培养学生运用数学的意识,对提高我们的教学质量是有益的。■
注:“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”