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改变世界面貌的十个数学公式

 胭脂魂 2014-12-21
改变世界面貌的十个数学公式
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    1971年5月15日,尼加拉瓜发行了十张一套题为“改变世界面貌的十个数学公式”邮票,由一些著名数学家选出十个以世界发展极有影响的公式来表彰。这十个公式不但造福人类,而且具有典型的数学美,即:简明性、和谐性、奇异性。
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    (一)手指计数基本法则 
    1+1=2,这是人类一开始对数量认识的基础公式。人类的祖先就是以这一公式开始,堆石子,数贝壳、树枝、竹片,而后刻痕计数,结绳计数等,直至再后来创造文字、数字及计数用具如算盘、筹算、计算器等。一切都是从手指计数基本法则开始,因为人有十个手指,计算时以手指辅助。毫无疑问,正是这一事实自然地孕育形成了现在我们熟悉的十进制系统,这是文明史上的一次飞跃。

    中国算筹计数,有纵、横两式:

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    玛雅数字,20以下采5进位的累进数制,20以上用位值制:

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    埃及僧侣文出现在世界上最古老的数学书赖固德纸草书上,这是象形文字的简化

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    (二)勾股定理(毕达哥拉斯定理)
    
你知道吗?历史上关于毕氏定理的证明,超过四百种喔!
    
这个定理中国和巴比伦人早在毕氏之前一千年就在使用,但仍被称为“毕氏定理”,主要是因为毕氏证明了定理的普遍性。据说在证明成功的当天,毕氏叫学生们宰杀了一百头牛,举行盛大的宴会来庆贺。所以,毕氏定理又有“百牛大祭”的美称。
   
中国对于勾股定理的证明是比较迟的事情,直到三国的赵爽才用面积割补法给出它的第一种证明。勾股定理的一大影响是无理数的发现。边长为1的正方形对角线长度为根号2,不能用整数或整数之比即分数来表示,这一发现否定了毕氏学派“万物皆数”的信条,当时的人觉得整数与分数是容易理解的,称之为有理数,而新发现的这个数不好理解但却存在就取名为“无理数”。


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    赵爽的证明:“弦实”(以弦为边的大正方形面积)-“朱实”(四个直角三角形的面积和)=“黄实”(中间围起来的小方块面积)
    刘徽的证明:“出入相补法”,就是剪贴证明法,,完全用图解法就解决了问题。
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    (三)阿基米德杠杆原理 
    “给我一个支点,我就能撬动地球”。看看,多么自信的阿基米德!!!
    据说希腊国王要求他证明,他便借了一艘大船,他运用杠杆原理以及滑轮巧妙地组合机械,船载满乘客及货物后,阿基米德让国王用手轻轻的拉一条绳子,大船就直线前进了。国王很是惊讶与佩服并立即宣布:“从现在起,阿基米德说的话我们都要相信。”
    
在人类有史以来最重要的三位数学家中,阿基米德占首位,另两位分别是牛顿和高斯。阿基米德最得意的杰作是导出圆柱内切球体的体积是圆柱体积的2/3倍,这个图形就刻在他的墓碑上。

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    (四)纳皮尔指数与对数关系公式 
    纳皮尔原是苏格兰修道士,业余研究数学,他为寻求球面三角计算的简便方法,自44岁起,经20年潜心研究大数的计算技术,他终于独立发明了对数。对数被誉为“用缩短计算时间而使天文学家延长寿命”,也对整个科学的发展起了重要作用。伽利略发出豪言:“给我时间、空间和对数,我可以创造出一个宇宙来。”
    
请注意这是发生在十六世纪末的事情,所有的计算,只能利用纸笔一项一项慢慢地算,纳皮尔整整花了二十年的时间建立他的对数表,简直是匪夷所思!试着想像一下二十年之间,每天都在重复做同类型的繁琐计算,这种乏味的日子绝不是一般人能忍受的,但纳皮尔熬过来了!!

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    (五)牛顿万有引力定律 
    牛顿24岁时,伦敦发生流行病,他便返回故乡,在一年半的时间里有了三个非凡的创见:微积分,万有引力,光分七色。在那个神奇的假期里,一个苹果偶然从树上掉下来,这却是人类思想史的一个转折点,它使那个坐在花园里的人的头脑开了窍,终于牛顿发现了对人类具有划时代意义的万有引力定律。
    1681年牛顿出版《自然哲学的数学原理》,总结出万有引力定律,并提出三大运动定律,建立了古典力学的基本体系,被誉为最伟大的科学著作。牛顿十分谦虚,他说:“如果我看得比较远,是因为我站在巨人的肩上。”

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    (六)麦克斯韦电磁方程组 
    爱因斯坦:“马克斯威尔的工作是自牛顿以来,物理学上影响最深远与丰硕的工作。”该方程组确定了电荷、电流、电场和磁场之间的普遍联系,是电磁学的基本方程。
    马克斯威尔的理论将电学与磁学统合成一体。马克斯威尔用数学式子概括一切电磁现象,并预言:1.电场及磁场的波以光速在空间传递,2.光为电磁波的一种。这是无线广播的理论基础,因此被称为“无线电之父”。23年后,赫兹证实马克斯威尔的预测创造出无线电波,开启了无线电时代。这发现,也是爱因斯坦狭义相对论的重要背景。
电磁学理论奠定了现代电力工业,电子工业和无线电工业的基础。

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    (七)爱因斯坦质能关系式 
    这里c为光速,m为质量,E为能量。这就是后来最著名的质能关系式。这可是制造原子弹的理论基础。1905年提出这个公式的人是年仅26岁的伯尔尼专利局小职员爱因斯坦。1915年,建立了广义相对论,确定了空间、时间和物质之间的联系,质能转换公式及相对论的影响是巨大的,今天核能广泛用于农业及军事,而黑洞、时间旅行、空间弯曲等都是由相对论推导出来。
    爱因斯坦小时候发育比较慢,三岁才开始讲话,被人认为是反应迟钝的孩子,他五岁的时候,父亲给他一个罗盘,他被罗盘针永远指同一方向的神奇性质吸引住了。他后来回忆当时的感觉是:“在真正事物的背后,必定隐含若干真理。”

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    (八)德布罗意公式
    λ=h/mv, 其中λ为与粒子相伴的物质波的波长,h是普朗克常量,mv为粒子的动量。在德布罗意之前,人们对自然界的认识只局限于两种基本的物质类型:实物和场。德布罗意本来是学历史的,受数学家庞加莱的影响而改学科学。1924年他在博士论文中提出物质波的概念,轰动全世界,他认为任何实物、粒子都同时具有波与粒子二种性质,还运用爱因斯坦的相对论,导出物质波波长的公式。他的看法后来被戴维森的实验证实。而物质波的概念也为波动力学的发展提供了重要的理论基础。
    德布罗意的论文发表后,爱因斯坦惊叹不已:“瞧瞧吧,看来疯狂,可真是站得住脚呢!他揭开了一幅大幕的一角”。也惊动了老一辈物理学家:“这些青年人认为,抛弃物理学中老的概念简直易如反掌!”

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    (九)玻尔兹曼公式 
    1854年克劳修斯首先引入熵的概念,这是对表示封闭体系杂乱程度的一个量,熵是希腊语“变化”的意思。这个量在可逆过程中不会变化,在不可逆过程中会变大。正像懒人的房间,若没有人替他收拾打扫,房间只会杂乱下去,决不会变得整齐。生物也离不开“熵增大法则”,生物需要从体外吸收负熵来抵消熵的增大。
    1877年,玻尔兹曼用下面的关系式来表示系统的无序性的大小:S=kLnW。其中k为玻尔兹曼常数,s是宏观系统熵值,是分子运动或排列混乱程度的衡量尺度。W是可能的微观态数。W越大,系统就越混乱无序。由此可以看出熵的微观意义:熵是系统内分子热运动无序性的一种量度。由于观点新颖,起初不为许多著名学者接受,玻尔兹曼为之付出了巨大的代价,成为他个人悲剧(自杀)的重要原因。玻尔兹曼的墓碑上刻的就是这个公式S=k
LnW,以表彰他的伟大创见。

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    (十)齐奥尔科夫斯基公式
    “地球是人类的摇篮,但是人不能永远生活在摇篮里。”
    嫦娥奔月、万户飞天,人类对空间的向往由来已久,并为此进行着不懈努力。征服太空的关键是火箭技术。说到现代火箭,就要提到举世公认的宇航理论先驱者,前苏联的齐奥尔科夫斯基。正是他提出利用火箭进行星际航行和发射卫星的可能性。并建立了火箭结构特点与飞行速度之间的关系式,即著名的齐奥尔科夫斯基公式。其中V为火箭的速度增量,Ve为喷流相对于火箭的速度,m0和mi分别代表发动机开启和关闭时火箭的质量。它成为人类征服太空的钥匙。

    齐奥尔科夫斯基本来是中学教师,有一次在教室里向学生大谈天象奥秘,引起一位参观的物理学家的注意,从此天才被发掘。

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