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第9章 数学教学的趣味知识推荐(5)

善良的魏尔斯特拉斯为了不让苏菲失望,决定自己教她,但他要先试试苏菲的水平,刚好他手里有一些准备给高年级学生演算的试题,他就叫苏菲做一做。令他吃惊的是,苏菲不仅演算迅速、答案清晰,而且很有独创性。从此,苏菲便在这位名师的指导下从事数学学习和研究。

1874年,德国的数学中心哥廷根大学,根据魏尔斯特拉斯教授的推荐和苏菲三篇高水平论文,未经口试,便授予苏菲博士学位。她成为哥廷根大学第二个女博士。之后,魏尔斯特拉斯教授极力推荐她去大学教书,但顽固的守旧势力始终不肯接纳她,苏菲只好回俄国去了。

在俄国,经科学院院士切比雪夫极力举荐苏菲去大学教书,但仍没有成功。后来,还是在魏尔斯特拉斯的瑞典学生帮助下,才使她有幸在斯德哥尔摩一所大学当数学讲师。

1888年,法国巴黎科学院悬赏解题——“刚体绕固点旋转的问题”,这是数学大师欧拉和拉格朗日长期感到棘手的问题。学术委员会采用密封评选的办法,在应征的15篇论文中,选出了一篇最出色的予以奖励,奖金5000法朗。打开选中的试卷一看,获奖者竟是俄国女性苏菲。

苏菲获此奖励在法国学术界轰动一时,她成为第一个跨进法国科学院大门的奇女子。她在偏微分方程方面很有建树。在此期间,她完成了法国大数学家柯西的一项研究,偏微分方程理论的一个重要基本定理“柯西——柯瓦列夫斯卡娅定理”,就是以柯西和苏菲二人的名字命名的。

苏菲获奖的第二年,斯德哥尔摩学院授予她一笔高额奖金,又正式任命她为大学教授。可是,守旧势力是顽固的。瑞典的着名作家特林倍格就此撰文说:“女人担任数学教授是奇怪的、有害的、难堪的现象。”但苏菲却以她出色的教学成绩,赢得了学生们的爱戴和尊敬。仅用一年时间,她就能用流畅的瑞典语讲课了。最终,瑞典人信服了她。

1891年,历经坎坷的苏菲在瑞典逝世,年仅41岁,人们把她安葬在斯德哥尔摩,表示对她永久景仰。

苏菲死后,她的大脑按北欧人的特殊习惯,进行了解剖研究,据说4年后,医生把她的大脑与德国大物理学家赫尔霍兹的脑量比较,发现她的大脑在比例上大于一般男人。

17.第一个算出地球周长的人

2000多年前,有人用简单的测量工具计算出地球的周长。这个人就是古希腊的埃拉托色尼(约公元前275-前194年)。

埃拉托色尼博学多才,他不仅通晓天文,而且熟知地理;又是诗人、历史学家、语言学家、哲学家,曾担任过亚历山大博物馆的馆长。

细心的埃拉托色尼发现:离亚历山大城约800公里的塞恩城(今埃及阿斯旺附近),夏日正午的阳光可以一直照到井底,因为这时候所有地面上的直立物都应该没有影子。但是,亚历山大城地面上的直立物却有一段很短的影子。他认为:直立物的影子是由亚历山大城的阳光与直立物形成的夹角所造成。从地球是圆球和阳光直线传播这两个前提出发,从假想的地心向塞恩城和亚历山大城引两条直线,其中的夹角应等于亚历山大城的阳光与直立和形成的夹角。按照相似三角形的比例关系,已知两地之间的距离,便能测出地球的圆周长。埃拉托色尼测出夹角约为7度,地球的周长大约为4万公里,这是实际地球周长(360度)的五十分之一,由此推算地球的周长大约为4万公里,这与实际地球周长(40076公里)相差无几。还计算出太阳与地球间的距离为1.47亿公里,和实际距离1.49亿公里也惊人地相近。这充分反映了埃拉托色尼的尝试说和智慧。

埃拉托色尼是首先使用“地理学”名称的人,从此代替传统的“地方志”,写成了三卷专着。书中描述了地球的形状、大小和海陆分布。埃拉托色尼还用经纬网绘制地图,最早把物理学的原理与数学方法相结合,创立了数理地理学。

18.业余数学家之王——费马

17世纪的一位法国数学家,提出了一个数学难题,使得后来的数学家一筹莫展,这个人就是费马(1601-1665年)。

这道题是这样的:当n>2时,xn+yz=zn没有正整数解。在数学上这称为“费马大定理”。为了获得它的一个肯定的或者否定的证明,历史上几次悬赏征求答案,一代又一代最优秀的数学家都曾研究过,但是300多年过去了,至今既未获得最终证明,也未被推翻。即使用现代的电子计算机也只能证明:当n≤4100万时,费马大定理是正确的。由于当时费马声称他已解决了这个问题,但是没有公布结果,于是留下了数学难题中少有的千古之谜。

费马生于法国南部,在大学里学的是法律,以后以律师为职业,并被推举为议员。费马的业余时间全用来读书,哲学、文学、历史、法律样样都读。30岁时迷恋上数学,直到他64岁病逝,一生中有许多伟大的发现。不过,他极少公开发表论文、着作,主题通过与友人通信透露他的思想。在他死后,由儿子通过整理他的笔记和批注挖掘他的思想。好在费马有个“不动笔墨不读书”的习惯,凡是他读过的书,都有他的圈圈点点,勾勾画画,页边还有他的评论。他利用公务之余钻研数学,并且成果累累。后世数学家从他的诸多猜想和大胆创造中受益非浅,赞誉他为“业余数学家之王”。

费马对数学的贡献包括:与笛卡尔共同创立了解析几何;创造了作曲线切线的方法,被微积分发明人之一牛顿奉为微积分的思想先驱;通过提出有价值的猜想,指明了关于整数的理论——数论的发方向。他还研究了掷骰子赌博的输赢规律,从而成为古典概率论的奠基人之一。

19.康托尔的数学成就

伽利略曾作过这样的证明:DE是△ABC的中位线,DE=12BC,通过A引任意一条直线,必然有DE上的P′和BC上P一一对应,因此,DE所包含的点与BC所含的点“一样多”,导致结论:DE=BC,1=2。这是一个数学悖论。

由于研究无穷时往往推出一些合乎逻辑的但又荒谬的结果(称为“悖论”),许多大数学家唯恐陷进去而采取退避三舍的态度。1874-1876年期间,不到30岁的年轻德国数学家康托尔(1845-1918年)向神秘的无穷宣战。他靠着辛勤的汗水,成功地证明了一条直线上的点能够和一个平面上的一点一一对应,也能和空间中的点一一对应。这样看起来,1厘米长的线段内的点与太平洋面上的点,以及整个地球内部的点都“一样多”!后来几年,康托尔对这类“无穷集合”问题发表了一系列文章,通过严格证明得出了许多惊人的结论。

康托尔的创造性工作与传统的数学观念发生了尖锐冲突,遭到一些人的反对、攻击甚至谩骂。有人说,康托尔的集合论是一种“疾病”,康托尔的概念是“雾中之雾”,甚至说康托尔是“疯子”。来自数学权威们的巨大精神压力终于摧垮了康托尔,使他心力交瘁,患了精神分裂症,被送进精神病医院。

真金不怕火炼,康托尔的思想终于大放光彩。1897年举行第一次国际数学家会议上,他的成就得到承认。伟大的哲学家、数学家罗素称赞康托尔的工作“可能是这个时代所能夸耀的最巨大的工作”。可是这时康托尔仍然神志恍惚,不能从人们的崇敬中得到安慰和喜悦。1918年1月6日,康托尔在一家精神病院去世。

康托尔生于俄国彼得堡一个丹麦犹太血统的富商家庭,10岁随家迁居德国,自幼对数学有浓厚兴趣。23岁获博士学们,以后一直从事数学教学研究。他所创立的集合论已被公认为全部数学的基础。

20.全能数学家——彭加勒

一位数学史权威评价彭加勒(1854-1912年)时说,他是“对于数学和它的应用具有全面知识人的最后一个人。”20世纪以来,数学进入了多学科、高难度的现代阶段,要想达到每个领域的最高成就已经不可能,但彭加勒确实是他那个时代的数学全才。

一般把数学划分为算术、代数、几何和分析四个领域,彭加勒对各个领域的研究成果,都是第一流的。他成功地解决了像太阳、地球、月亮间相互运动这一类的三体问题;他是现代物理的两大支住——相对论和量子力学的思想先驱;他研究科学哲学提出的“约定论”着重分析了人类理性认识的基本法则,日益受到当代哲学家的重视。在他从事科学研究的34年里,发表论文500篇,着作30多部,获得过法国、英国、俄国、瑞典、匈牙利等国家的奖赏,被聘为30多个国家的科学院院士。

1912年6月26日,彭加勒病逝前20天作了最后一次讲演,他说:“人生就是持续斗争。”彭加勒的一生就是斗争的一生。他因为小时候得过病,语言不够流畅,写字画图都有困难;还留下了喉头麻痹身体虚弱的后遗症。不少人把他当作笨人。他成为数学家后,一位心理学家通过测验仍然认定他是“笨人”。彭加勒取得成就的关键是注意力高度集中。他一生最大的嗜好就是读书,读书速度快,记忆准确持久。因为视力不好,书写困难,他上课不记笔记,全神贯注于听讲、思索、理解,长期的磨练,使他具备了运用大脑完成复杂运算,构思长篇论文的能力。1871年,17岁的彭加勒报考高等工业学校,轻松地解决了主考官特意为他设计的难题,尽管他的几何作图得了零分,学校也破格录取。1879年,25岁的彭加勒获数学博士学位,32岁任数学和物理学教授,以后在科学园地里辛勒耕耘26年。

21.非欧几何创始人之一

罗巴切夫斯基(1792-1856),俄国数学家,非欧几何的创始人之一。生于诺夫哥罗得即现在高尔基城。10岁进入中学,15岁进喀山大学,19岁获硕士学位,24岁任喀山大学数学教授。1826年2月6日罗巴切夫斯基在喀山大学提出了用法文写的论文《几何学原理简述及平行线定理的严格证明》。人们把这一天公认为是新几何的诞生日。1827年7月30日被选为喀山大学校长,一直连任到1846年。1829年《喀山通报》第一次登载了他的几何论述“关于几何学原理”。他的主要功绩是改变了欧几里得几何中的平行公理(即第五公设),提出了一种新的几何学,称为“双曲几何学”或罗巴切夫斯基几何学。但是它和传统的欧氏几何发生了矛盾,所以最初发表时不能被人理解,甚至被认为是荒谬的,因而在他生前这种几何思想未被人们重视。1856年2月24日罗巴切夫斯基逝世,1893年在他诞生100周年之际,为了纪念他在数学史上的杰出贡献,喀山大学树起了他的纪念像。1896年9月1日又在喀山大学对面树起了罗巴切夫斯基的纪念碑,将他的名字载入世界数学的光辉史册。

22.沈括和他的隙积术

沈括(公元1031~1095)是我国古代卓越的科学家,他出生于钱塘(杭州)。有一天,他和朋友在一家酒店喝酒时,看到院子里整整齐齐放着一堆酒坛。

“你猜,这堆酒坛有多少个?”朋友好奇地问,“一共有122个。”沈括沉思了一会儿回答。

后来,他的朋友把这堆酒坛搬开来,一个一个点了一下,果然一个不多,一个不少,恰好是122个,猜得真准呀!

原来他是计算出来的,因为酒坛叠得很有规律:每一层都排成长方形,而且下一层比上一层长、宽各增加一个,这堆酒坛有4层,他数得最上面一层长为5个,宽为3个,以下每层依次为6×4个,7×5个,8×6个,合计

5×3+6×4+7×5+8×6=122(个)。

一般地,假定共有n层,最上面一层为ab个,则以下每层依次为(a+1)(b+1)个,(a+2)(b+2)个,…,[a+(n-1)][b+(n-1)]个。所以这堆酒坛的总数为

S=ab+(a+1)(b+1)+(a+2)(b+2)+…+[a+(n-1)][b+(n-1)]。

下面我们来进行推导:

ab=ab,

(a+1)(b+1)=ab+1×(a+b)+12,

(a+2)(b+2)=ab+2×(a+b)+22,

……

[a+(n-1)][b+(n-1)]=ab+(n-1)(a+b)+(n-1)2,

∴S=nab+A(a+b)+B。

其中,A=1+2+…+(n-1)=n(n-1)2,

B=12+22+…+(n-1)2=n(n-1)(2n-1)6。

∴S=nab+n(n-1)2(a+b)+n(n-1)(2n-1)6

=n6[6ab+3(n-1)(a+b)+(n-1)(2n-1)]。

沈括认为通常求体积的各种公式,作为计算对象的形体都是实心的,但他的问题却是形体中间有空隙,因此就把这个方法称为隙积术了,不过,当时沈括把最上面一层的长和宽的个数分别记作a和b,最底下一层的长和宽的个数分别记作c和d,共n层,因此他得到的公式是

S=n6[(2b+d)a+(b+2d)c]+n6+(c-a)

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