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【表哥高辅】复数,这是全人类的终点和最高峰

 博雅居308 2019-06-26


在《X的奇幻之旅》这本书中,有两句话,极大地刺激了我:


1.在人类思想史上,不断地挑战更难、更复杂的方程式,求解方程的根的过程,已经化作了一首首伟大且光辉的史诗。


2.代数基本定理告诉我们:任何多项式的根一定是复数。这个定理的重要之处在哪里呢?它意味着漫长的旅途终于走到了目的地,从此以后,数字的范围再也不需要扩大了!在这条漫漫长路上,我们人类走了很多年,这条路的起点是1,终点和最高峰则是复数


标红的这句话,是让我重新审视数学,并开展中小学数学知识内容整理工作的起点。

这句话告诉了我起点,也告诉了我终点,稍加联系,我们就能把这条路径清晰地呈现在我们的脑中。


这也是我们之前讲的路径:【整数】——【实数】——【复数】


物有本末,事有终始,知所先后,则近道矣。


走到【复数】的这一步,是给高中生学习的,而也只有高中阶段的孩子们,才能开始明白“知所先后,则近道矣”。


即便暂时还不能完全明白,也没有关系,我们现在再想一下,我们这几篇数学学习的内容:

从“1”开始讲,即从起点开始讲;从正整数讲到负整数以及“0”,人类发现“0”比发现“1”要晚了2万年;从整数走到分数与小数,我们区别了有理数和无理数。


知道数字被发明的时间先后,我们将进一步了解不同数字所肩负的意义,我们也就更懂数学了。


聪明的孩子会发现,【整数】是被包含在【实数】中的。而【实数】也被包括在我们今天要讲的【复数】中。


也就是说,虽然我们时常说走到哪一步,但这里并不是一条传统观念中的笔直的路,而是一个知识圈。



这样子的知识圈,还有一个专有名词:维恩图。


高中阶段学习集合这一章的时候,是一定会碰到维恩图这个知识点的。并且,一点都不难理解。

这个图,也是未来在工作岗位上,高频出现的一个工具。


好了,看完三大数系相互关系的维恩图之后,我们今天要来了解“漫漫长路上,我们人类走了很多年”,才走到的终点:【复数】。


回头思考我们刚才看到的《X的奇幻之旅》中的第一句话:


在人类思想史上,不断地挑战更难、更复杂的方程式,求解方程的根的过程,已经化作了一首首伟大且光辉的史诗。


这句话,直白一点来说,是什么呢?就是——历代数学家们,都在做着一件重要的工作:求未知数。


我们现在轻易学会的一些解方程求未知数的方法,在过去,都是最伟大的数学家们翻越过的一座座高峰!感谢他们的努力与伟大的贡献,才能让我们今天把数学普及开来,人人都有机会掌握。


然而,即便是他们,也依然在很长的一段时间里,碰到越不过去困难——所以我们现在即便遇到学习上的困境也不用担忧,总会有办法的。


他们碰到了一个千年难题——负数的开平方无法计算。


中间碰到的无数的艰难我们不再叙述,联系我们已经学到的知识,对于一个一元二次方程:ax2+bx+c=0   是否有解(实数解),我们所使用的判定方法是:b2-4ac是否大于0。


因为,这个方程的根为:



而一旦b2-4ac<>


几千年解方程之路,走到这里,卡顿了。


一直到1545年意大利米兰数学家卡尔达诺(Jerome Cardan,1501—1576),把负数的平方根写到公式中。成为了人类史上第一个敢于运用负数的开平方的数学家。


而又过了近一百年之后的,1637年,法国数学家笛卡尔(1596—1650),使用了“虚的数”来定义负数的开平方,才使“虚数”一词流传开来。引来后继更多的数学家对虚数进行研究。


虚数的历史很短,500年不到。但是虚数却为我们的高等数学,科学的前沿探索作出了巨大的贡献——这些部分同学们上大学之后再学习。


我们今天来把【虚数】讲完。


定义:i2=-1


当我阅读几千年的数学研究与进化,看到那困住了所有古代伟大数学家的难题,被这样简洁而完美的一个定义所破解时候,我热泪盈眶。


这个定义的意思是,我们给定一个“虚数” i ,使得它的平方等于-1。

从此,-1的开平方成为了可能:√-1=i


进一步地,√-4=2i。因为2的平方等于4,i 的平方等于-1,-1乘于4等于-4。


同理可以把所有负数的开平方计算出来。


而我们上面说到的求根公式:


也就迎刃而解。即便b2-4ac<>


我们前头一直讨论的【复数】是什么呢?


我们把形如a+bi(a,b均为实数)的数称为复数,其中a称为实部,b称为虚部,i称为虚数单位。


在复数z=a+bi中,1)当b=0时,z=a,为实数;2)当a=0且b≠0时,z=bi,为纯虚数。


从这里我们也可以看到,【复数】包括了【实数】和【虚数】。也就是说对任一个多项式求根,无法求出实数根的话,也一定能求出复数根。



复数这个部分的理解,主要在于对虚数的理解。


这个经历了几千上万年难住了所有伟大数学家的难题,终于在我们近代500年左右的时间里面,被解答出来了。


而我们数系的学习,走到【复数】这一个概念的认识,也走到了尽头。


值得一说的是,这并不是高中学习的尽头,而是一如《x的奇幻之旅》的作者史蒂夫·斯托加茨先生所说:


在这条漫漫长路上,我们人类走了很多年,这条路的起点是1,终点和最高峰则是复数


这是全人类的终点和最高峰。


数系的学习,完。



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