数学史

数学史

数学史的意义

数学是一门积累性很强的科学,总是在继承和发展原有理论的基础上建立起来的。当今数学包括了60个二级学科,400多个三级学科。
不了解数学史就不可能全面的了解数学科学。

什么是数学——历史的理解

数学被称作模式的科学,其目的是要揭示人们从自然界和数学本身的抽象世界中所观察到的结构和对称性。

关于数学史的分期

  1. 按时代顺序
    1. 数学起源和早期发展(公元前6世纪前)
    2. 初等数学时期(公元前6世纪-16世纪)
      1. 古代希腊数学(公元前6世纪-6世纪)
      2. 中世纪东方数学(3世纪-15世纪)
      3. 欧洲文艺复兴时期(15世纪-16世纪)
    3. 近代数学时期(17世纪-18世纪)
    4. 现代数学时期(1820-至今)
      1. 现代数学酝酿时期(1820-1870)
      2. 现代数学形成时期(1870-1940)
      3. 现代数学繁荣时期(1950-至今)
  2. 按数学对象、方法等本身的质变过程
  3. 按数学发展的社会背景

数学的起源与早期发展

数与形概念的产生

数的产生

人类在蒙昧时代已具有识别事物多寡的能力,然后逐渐发现一只羊、一头狼、一棵树…具有共通性。这种物体所共有的抽象性质,就是数。
数的概念大约形成在30万年以前,可能和火一样古老。
随着对数的认识变得越来越明确,人们感到有必要以某种方式来表达这一属性,于是有了计数。最早可能用手指计数,产生了10进制。
为了保存信息,有了结绳计数和刻痕计数。(1937年在捷克发现了一块幼狼胫骨,上面有刻痕计数,狼骨大约在3万年前)
直到距今五千多年,终于出现了书写计数以及相应的计数系统。(古埃及象形数字<公元前3400>,巴比伦楔形数字<公元前2400>,中国甲骨文数字<公元前1600>,希腊阿提卡数字<公元前500>,印度婆罗门数字<公元前300>,玛雅数字

形的产生

最初的几何从人们对形的直觉中萌发,首先是从自然界本身提取几何形式,并且在器皿制作、建筑设计及绘画装饰中再现。
古希腊几何学最早见于公元前1415年,古印度在公元前8世纪,中国在公元前1100年西周初年。

河谷文明与早期数学

历史学家把兴起于埃及、美索不达米亚、中国和印度等低于的古代文明称为河谷文明。(尼罗河、底格里斯河、幼发拉底河、黄河和长江、印度河与恒河)
从史料上看古埃及和美索不达米亚在年代上更为久远,但在公元前均告衰微。崛起稍晚的中国和印度则延续到中世纪臻于高潮。

埃及数学

公元前3100年美尼斯统一—至公元前332年亚历山大大帝灭最后一个埃及王朝。前后三千年。
埃及象形文字产生与公元前3500年,公元前2500被简化为僧侣文,后发展为通俗文。
埃及数学中以加法为主,并且出现了分数、代数学和线性方程。
埃及几何学源于丈量土地等活动,后来传给了希腊人。出现了计算正方形、矩形、等腰梯形面积的正确公式,能够近似计算出三角形和圆形的面积。
埃及文明的数学是实用数学。数学像传家宝一样世代相传,数千年中很少变化,并且单纯的加法计算增加了计算复杂度,阻碍了埃及数学的发展。公元前4世纪希腊人征服埃及后,埃及数学文化被希腊数学取代。

美索不达米亚数学

公元前2000(巴比伦王国)公元前331年。采用60进制为主的楔形文计数系统。产生了位值制萌芽。产生了开方根、乘法表、倒数表、平方表、立方表、指数表。能计算二次方程和三次方程。
几何方面可以求三角形、梯形、圆形等平面图形的面积及一些体积公式,并且提出了相似性和勾股定理。

古希腊数学

公元前600至公元600年
希腊商人和学者从埃及和美索不达米亚带回了数学知识并升华为具有初步逻辑结构的论证数学体系

论证数学的发端

  1. 泰勒斯与毕达哥拉斯
    泰勒斯(公元前625-公元前547)是最早的希腊数学家,将几何从埃及引入希腊。
    毕达哥拉斯(公元前580-公元前500),年轻时游历埃及和巴比伦,后来创立毕达哥拉斯学派。推动了几何学的发展。
  2. 雅典时期的希腊数学
    数学从贵族走向平民,希腊数学走向繁荣
    柏拉图、芝诺、亚里士多德
    开始接触到无限性、连续性等概念
  3. 黄金时代——亚历山大学派
    公元前338至公元前30年罗马消灭最后一个希腊化国家托勒密王国。
    出现了欧几里得、阿基米德和阿波罗尼奥斯,成就了希腊数学巅峰。
    欧几里得(公元前325年-公元前265年)是希腊论证几何学的集大成者,他最著名的著作《几何原本》是欧洲数学的基础
    《几何原本》最大的功绩是在于数学中演绎范式的确立,这种范式要求一门学科中的每个命题必须是在它之前已建立的一些命题的逻辑结论,二所有这样的推理链的共同出发点,是一些基本定义和被认为是不证自明的基本原理或公理。
  4. 亚历山大后期和希腊数学的衰落
    罗马民族在公元前1世纪完全征服希腊各国,希腊文明被务实的罗马文明取代。
    亚历山大后期的一个重要特征,是突破了前期以几何学为中心的传统,使算术和代数成为独立的学科。
    帕波斯的《数学汇编》被认为是古希腊数学的安魂曲,之后基督教在罗马被奉为国教,希腊学术被视为异端邪说,公元415年,亚历山大女数学家希帕蒂亚被杀害,亚历山大城图书馆被烧毁,希腊古代数学至此落下帷幕。

中世纪的中国数学

随着希腊文明的衰微,数学史上继希腊集合兴盛之后是一个漫长的东方时期,中世纪数学的主角是中国、印度和阿拉伯地区。
中世纪的东方算法表现出强烈的算法精神,即为了解决一整类实际或科学问题而概括出来的、带一般性的计算方法。
中国数学在上述三个地区中是延续最长的,从公元前后至公元14世纪,先后经历三次发展高潮,即两汉时期、魏晋南北朝时期和宋元时期,其中宋元时期达到顶峰。

古代背景

殷商甲骨文中出现十进制计数。
《史记》记载夏禹治水:左规矩,右准绳。规是圆规,矩是直角尺,准绳是确定铅垂方向的器械。这些都表明了早期几何学的应用。
战国(公元前475-前221年)诸子百家,与希腊雅典学派时代相当,其中的墨家和名家著作中包含了理论数学的萌芽。
秦始皇统一中国后数学式微。
两汉时期的数学,主要是沿着实用与算法的方向发展。
《周脾算经》——分数运算、勾股定理(公元前2世纪西汉)
《九章算术》——分数四则运算法则、比例算法、方程术、正负数、开方术、面积和体积公式(先秦到西汉)
中国思想将几何的问题代数化,与希腊相反。
刘徽著作《九章算术》
祖冲之和祖暅:圆周率、球体积
宋元时期:高次方程求解、代数符号化尝试
元代以后,中国传统数学衰落,部分研究失传,并且出现了倒退。

印度与阿拉伯的数学

印度数学

公元前2世纪的巴克莎莉手稿,发明了’0’符号
公元11世纪,包含有零号的印度数码传入阿拉伯国家,后又传入欧洲。

阿拉伯数学

8-15世纪阿拉伯帝国统治下的中亚和西亚地区,东部王国定都巴格达,他们收买希腊人手稿,邀请学者,翻译印度数学著作,形成了阿拉伯数学。

近代数学的兴起

中世纪的欧洲

欧洲数学真正的复苏,要到15\16世纪,在文艺复兴的高潮中,数学发展与科学的革新结合在一起。

向近代数学的过渡

  1. 代数学
    三、四次方程求解与符号代数的引入
    法国数学家韦达开始系统的使用代数字母,后由笛卡尔完成改进,产生了拉丁字母表示的未知量和已知量(a,b,c,x,y,z)
    17世纪末,欧洲数学家发现符号可以使数学问题具有一般性,开始引入符号(+-×%=等)
  2. 三角学
    由于航海、历法以及天文观测的需要,推动了三角学的发展。出现正弦、余弦、正切、余切、正割、余割。并发展为一个独立的数学分支。
  3. 几何学
    由于宗教绘画的发展,文艺复兴时期,描绘现实社会成为绘画重要目标,导致透视学的兴起,从而诞生了射影几何学。
  4. 计算技术与对数
    16世纪前半叶,欧洲人像印度和阿拉伯人一样,把实用的算术放在首位。
    这一时期最大的改进是对数的发明和应用,简化了天文、航海方面复杂数值的计算。
    17世纪初,整个初等数学的主要内容基本定型。
  5. 解析几何的诞生
    16世纪初,对运动与变化的研究已变成自然科学的中心问题,从而导致了变量数学的诞生,亦即近代数学。
    变量数学的第一个里程碑是解析几何的发明,解析几何引入了坐标的概念,从而可以将几何问题归结为代数问题,也可以反过来。
    笛卡尔和费马建立解析几何

微积分的创立

半个世纪的酝酿

1608年,伽利略制作了第一架天文望远镜,引起天文学的新高涨
1619年,开普勒公布了他最后一条行星运动定律。
1638年,伽利略建立了自由落体定律、动量定律等。
确定非匀速运动物体的速度与加速度使瞬间变化率问题的研究成为当务之急。

《流数简论》

1687年,牛顿发表《流数简论》,标志着微积分的诞生。
1684年莱布尼茨发表了第一篇微分学论文《一种求极大与极小值和求切线的新方法》,是数学史上第一篇微积分文献。
微积分的创世人目前一直有争论,牛顿和莱布尼茨几乎同时各自发明了。

分析时代

欧拉在1748年出版了《微分学》和《积分学》,引入一批标准的符号。

代数学的新生

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