展示目的及科学原理
人类的智慧是从计数开始的。数学与语言的发展共同塑造了人类文明,并为我们提供了扩展其他领域知识的思维工具。展品旨在让观众了解古老文明在数学方面的成就,感受数学及数学思维对于启迪人类智慧的重要价值。
操作方式
人类文明的历史有多长,数学的发展历程就有多长。四大文明古国在文明发展之初就已发展出各具特色的数学成就:古埃及的象形记数、几何的起源;古巴比伦的楔形泥版、六十进制计数系统、三角学表;古印度的婆罗米数字、零的概念;中国的筹算等。
1.古巴比伦
古巴比伦人创造的数学是巴比伦文明重要的组成部分,六十进位值制记数法的建立、勾股数组的发现与应用都是领先世界的惊人成就。
60进位制。大约在公元前1800年,巴比伦人就发明了60进制的计数系统,他们有位制的概念。所谓位值制记数法,就是同一个数字符号在不同的排列位置上表示不同的数值。
巴比伦泥版。巴比伦泥版“Plimpton322”,上面的内容是一个早期的三角学表;“Si.427”中可见古巴比伦人在3700年前就会使用毕达哥拉斯的三元组来建造宫殿、寺庙、运河或测量田地;“YBC7289”展示了2的平方根的推导。
2.古埃及
古埃及文明的重要成就之一就是科学技术发明,其中数学成就引人注目。古埃及人的数学知识主要包括算术、代数和几何三个方面。
数学纸草文献与算术。我们目前对埃及古代数学的了解主要来自中王国时代的两部纸草文献:《莫斯科纸草》和《莱茵德纸草》。从纸草书中可知古埃及人已采用10进位的象形符号。数字1是用一竖表示许多竖则表示个位数;一段绳子表示10;一卷绳子表示100;沼池里的荷花表示1000;手指表示10000;用蝌蚪代表100000,因为蝌蚪能大量繁殖取其众之意;举起双手的人表示巨大或永恒的符号代表1000000。
代数和几何。古代埃及已经有了代数的萌芽。纸草书中就有一元一次方程的题目,古埃及人是用纯粹算术方法求解的,只用文字说出题解步骤,说明其理由。
几何可以说是古埃及人发明的。由于他们必须计算尼罗河每年因泛滥而流失或增加的土地面积,预算谷仓存粮或建筑项目所需砖块数目在实用的需要中产生了几何学。几何学(Geometry)一词的原意是“土地测量”。
古埃及人在几何学上的突出成就是计算圆面积的方法,即直径减去它的1/9,然后使得数自乘便得出圆的面积,这就等于取π值为3.1605,粗略地接近了后人所算出的比较精确的圆周率(现通常采用的圆周率近似值是3.1416)。古埃及人的基本面积单位是斯塔特(1斯塔特=2735平方米)。在计算体积方面,古埃及人在长期的实践中掌握了圆柱体积等于底边面积乘以高的计算方法;在建造金字塔的过程中,他们还学会了计算角锥体或截头角锥体体积的方法。
古埃及人使用绳子丈量土地,职业结绳者的工作就是在测量用的绳子上打出等间隔的绳结,因而埃及几何学家有时被称作“拉绳子的人”(或“测量员”)。
3.古印度
婆罗米数字。从公元前2500到公元前1750年的哈拉帕文化时期开始,古印度人就采用十进制计数法。在公元前3世纪,婆罗米数字已经被运用于书写。当时的婆罗米数字并不是位值制的数字,每个数字都用不同的符号表示,所以数量庞大也很复杂。直到大约公元前600年,婆罗米数字才改用位值制记数,大大简化了数的运算,并使计数法更加明确。
婆罗米数字被认为是阿拉伯数字的前身,阿拉伯数字对全世界的影响之深远,我们现在仍然使用它便可见一斑。
零的概念。零号是古代印度人在数学领域的卓越发明,没有零号,就没有完整的位值制记数法,这种记数法能用简单的几个数码表示一切的数。
印度最早使用的零的符号是在公元前200年以前,阿查里雅(Pingala,公元前2世纪)的著作《梵文的韵律》(Chandal-sutra)中,问题的解答中他使用了零的语言符号(sunya)。现存印度最早的零号于公元876年出现在印度中央邦西北部城市瓜廖尔中毗湿奴(Vishnu)神庙的一块石碑上。(如箭头所示)
由于文字零的出现,数词中可以不再用10的幂次来表示数字的位置,记数方式得到简化。
4.中国
筹算是中国古代以筹为工具来记数、列式和进行各种数与式的演算的一种方法。我国从春秋时代(公元前770-前476年)就已普遍运用筹算。筹算分纵式和横式两种,纵式表示个位、百位、万位等,横式表示十位、千位、十万位等,遇零空位,这种方法可以摆出任意的自然数。
数学有很长的历史。一般认为数学作为独立的有理论的学科出现于公元前600年至公元前300年期间,欧几里得的《原本》(约公元前300年)是一个光辉的典范。它采用公理化体系系统整理了古希腊人的数学成就,其体系、数学理论的表述方式和书中体现的思维方式对数学乃至科学的发展影响深远。
数学与语言的发展共同塑造了人类文明,并为我们提供了扩展其他领域知识的思维工具。展品旨在让观众了解古老文明在数学方面的成就,感受数学及数学思维对于启迪人类智慧的重要价值。
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