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数学中数系的一步步扩张之路

 一叶一清香 2022-02-21

(一)正整数

人类最早认识的是正整数.中国的《周易》中就有结绳记事的说法,而结绳计事不仅在中国,也在希腊、波斯等各地出现,从结绳计数(事)慢慢发展出各种不同的计数方法,其中最重要和最美妙的记数法是十进制位置制计数法.

(除了十进制外还有很多其它进制,如计算机中的二进制,角度中的60进制(巴比伦人曾经就用60进制位置定位数系);除了位置制计数法也还其它计数方法,如古埃及的象形文字中有10进制非位置计数,罗马数字中的含加减运算的计数方法。

(二)0的诞生

0一开始是用空位表示的,后来用点,再后来用句点,最后才成为0,是从印度诞生的,通过阿拉伯在13世纪引入欧洲(这是斐波那契的功劳,由于数字是从阿拉伯引入欧洲的,故被称为阿拉伯数字,虽然是由印度人发明的).0的书写方法正好对应中文的“零”.(汉字中很早就有零,在《孙子算经》中有除百零伍便得之.但汉字中的零原义是加法,并不是真正的零).

(三)负数

负数来源自减法运算,解出负数根.欧洲在16-17世纪普遍不承认负数的存在,包括帕斯卡、莱布尼兹、卡丹(认为仅仅是记号)、韦达、笛卡尔(负根叫做假根).最开始的负数被认为没有意义,仅可以作为一个符号出现,但不能在结果中出现.负数比分数出现的更晚.

(四)分数

欧洲15世纪形成的分数的真正算法,中国在春秋时期(公元前770年-前476年)就有了分数运算的法则.《九章算术》章一:方田,分数加法“田以乘子,并以为实,田相乘为法,实如法而一”,“其田同有,直相从之”.其中田指分母,子指分子.

分数系对加、乘、除封闭,有了负数与分数,有理数系就形成了.

(五)无理数

无理数的发现与毕达哥拉斯学派以及第一次数学危机有关.毕达哥拉斯学派主张“万物皆数”,这个数最开始是最完美的整数,后来扩展成整数及整数之间的比,即分数.但毕达哥拉斯学派推出了著名的毕达哥拉斯定理,即中国的勾股定理,于是无理数的出现不可阻挡.比如边长为的等腰直角三角形的斜边长无法表示成两个整数的比.

我们会在证明题三大方法中用反证法证明这个结论.

无理数的被承认也经过了很长的时间,毕达哥拉斯学派弟子希伯斯也因为发现或是传播无理数藏身大海,这也是“无理数”这个名字的由来.达芬奇(15世纪,意大利)称为“没有道理的数”、开普勒(17世纪,德国)说“不可名状的数”.在中国称无理数为算而不求其本质.有了无理数实数系就形成了.

(六)复数系——完备的数系的形成

复数系对加、减、乘、除是封闭的,对加法与乘法都满足交换律与结合律,加法与乘法之间满足分配律,满足这些性质的称为数系.

到复数系,数系就完备了.想再将数系进行扩充,就会牺牲一些数系中的好的性质.

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