《数学文化选讲》PPT课件.ppt

数学文化选讲 陇东学院数学与统计学院 金晶 “数学文化”的使用 “数学文化”的内涵 案例选讲 “数学文化”的使用 该词使用已有二十年以上； 在国内，最早使用该词是在 1990年邓东皋、孙小礼等学 者编写的 数学与文化 及齐民友先生的 数学与文化 ； 近十年这个词使用的多起来； 这个词的使用频率近年大大增加，说明它有生命力的，说 明许多人为着某种需要更愿意从文化这一角度来关注数学， 更愿意强调数学的文化价值。 2002年，第 24届国际数学家大会在中国北京召开，大 会成立的中国少年数学活动论坛，陈省身先生为中国少年 数学活动论坛题词“数学好玩”，鼓励青少年喜欢数学、 学好数学。之后“中国少年数学活动论坛”会场的横幅标 语中，使用了“数学文化”一词。 “数学文化”的使用 2003年，“数学文化”首次进入官方文件 普通高 中数学课程标准 。 之后，国内越来越多的高校开始举办数学文化节、数学文 化月等活动，例如北京大学。 2008年，全国高校数学文化课程建设的研讨会在南开大 学召开，并由博士生导师顾沛教授组织编写了研讨会的论 文集。 与数学文化相关的书籍 数学与文化 数学与人类文 明 、 数学的源与流 、 文化视野中的数学与数学教 育 、 数学文化漫谈 、 多元视角下的数学文化 、 丘成桐等编写的丛书 数学与人文 等三四百本之多。 “数学文化”的内涵 狭义 ：数学的思想、精神、方法、观点、语言，以 及它们的形成和发展。 广义 ：除上述内涵以外，还包含数学家、数学史、 数学美、数学教育、数学发展中的人文成分，数 学与社会的联系，数学与各种文化的关系等等。 本课使用的“数学文化”一词，更多的倾向于 它的狭义内涵。 耐人寻味的思考 耐人寻味的是与数学文化平行的像物理文化、 化学文化、生物文化等等这样类似的词汇，并没有 像数学文化这样在最近十年里得到如此广泛的应用 。这表明，数学科学在本质上有不同于物理科学、 化学科学、生命科学等自然科学的地方。 数学科学研究的对象，并不是某种具体的物质 运动形态，而是从众多的物质运动形态中抽象出来 的事物，是人脑的产物。数学，具有超越具体科学 和普遍使用的特征，具有公共基础的地位。 特别是，不同的社会现象和自然现象， 在某一方面可能遵循同样 的数学规律，这反 映出社会现象与自然现象在数量关系上的某 种共性。数学超越了具体的社会科学和自然 科学，也成为联系社会科学和自然科学的纽 带。 所以，有许多学者认为：数学科学不是 自然科学，数学科学应独立于自然科学和社 会科学，与哲学的地位类似 。 一个人不识字可以生活，但不 识数却很难生活。 一个学科，只有当它成功地运 用数学的时候，才算达到了成 熟的程度。 一个国家科学的进步，可以用 它消耗的数学来度量。 例一、 周髀算经 与勾股定理 中 国与世界数学的骄傲 例二、类比与创新思维 例三、哥尼斯堡七桥问题与抽象思维 例四、莫比乌斯带与反常思维 案例选讲 我国古代称直角三角形两条直角边为“勾和股”， 称斜边为“弦”。“在直角三角形中，两条直角边的平 方和，等于斜边的平方”，因而这个结论在我国成为“ 勾股定理”。早在周朝初年（约公元前 1100年），周 朝大夫高商发现了直角三角形的一个特例：“勾三、股 四、弦五”；我国古算书 周髀算经 记载陈子已发现 勾股定理的公式和证明方式；公元三世纪，三国吴人赵 爽对 周髀算经 中的勾股定理给出了详细的注解，作 出了另一个证明。 在陈子后一二百年，希腊数学家毕达哥拉斯发现这 个定理即 “毕达哥拉斯”定理，又称 “百牛定理”。 例一、 周髀算经 与勾股定理 中国和世界数学的骄傲 周髀算经 为算经十书之一。约成书与公 元前二世纪，原名 周髀 ，是中国最古老的天 文学著作，主要阐明当时盖天说和四分历法。唐 初规定它为国子监明算科的教材之一，改名为 周髀算经 。其中明确记载了勾股定理公式：“ 若求斜至日者，以日下为勾，日高为股，勾股各 自乘，并而开方处之，得斜至日”。后来，赵爽 详细注解了 周髀算经 中的勾股定理，将其表 述为“勾股各自乘，并之，为弦实。开方处之即 弦”。又给出 新的证明“按弦图，又可以勾股 相乘为朱实二，倍之为朱实四，以勾股之差自相 乘为中黄实，加差实，亦成弦实。” 很多人知道北京 2008年举行奥运会，可是 很少有人知道 2002年在北京举行的“国际数学 家大会”，这是我国许多世界顶尖级数学大师 和政府争取来的荣誉。这次大会的会徽就选择 了赵爽所作的“弦图”。 赵爽证法：如图所示， a、 b、 c表示勾、股、弦 ，以 a、 b为直角边的每个直角三角形为“朱实” ，即图中有 4个朱实，中间的一个以 b-a为边长 的正方形为“中黄实”， 以弦 c为边长的大正方形 叫“弦实”，此图成为 “弦图”。 c a 朱实 b 中黄实 b-a 美国宇航员的一次寻找外星人的行动中， 也带去了一个证明勾股图形的黄金指制品，可 见勾股定理的证明是世界的骄傲，至今勾股定 理的证明已达到 380多种，而很多人，仍然在 探寻新的证明方法。 例二、类比与创新思维 “类比”是一种合情推理 类比 从两个事物在一些方面的相同或者类 似，推知它们在另一些方面的相同或者类似。 合情推理的结论可能是正确的，也可能是错误 的。 它不是证明，因为它无法保证已知相同的属性 与推得的属性之间的必然联系。 它是获得新思路、新发现的一种观点、一种手 段、一种方法。 “类比”、“归纳”都是合情推理 “脑袋大、脖子粗，不是大款就是伙夫” 概念间类比：一元一次方程 一元一次不等式 法则间类比：数的运算法则 整式的运算法则 性质间类比：除法 分数 4个平面最多能把空间分成 多少个部分？ 用类比的方法，可得“ 16个部分”的答 案，但却是错误的。 平面分空间，要想分得的部分数最多，就 要求平面与平面相交的情况最复杂。 1 3 4 6 5 2 7 类比不是证明 类比不是证明，只是合情的猜测，是合情 推理；还需要用逻辑推理分析这一猜测，去 认定这一猜测，或者否定这一猜测。这才是 用类比，归纳的方法去研究问题的决定性步 骤 3+4=7 3+4+4=11 8+7=15 例三、格尼斯堡七桥问题与抽象思维 学会数学“抽象”是一种基本的数学素养。 学生却因为数学抽象而感觉数学枯燥、难学。 其实“抽象”是数学的武器，是数学的优势。 了解“抽象”的思想、原则、方法和作用，实 践“抽象”的过程，学会“抽象”的手段，喜欢“ 抽象”。 哥尼斯堡七桥问题： 在离布勒格尔河如波罗的海海口不远的地方 有一座古老的城市 哥尼斯堡。最早给这座城 市带来声誉的是那横跨布勒格尔河流，把哥尼斯 堡连成一体的七座桥。 “不重复的走遍七座桥” 欧拉解决问题 三步抽象 地图的抽象：“点线图” 问题的抽象：“一笔画问题” 把问题转化为数学方式的叙述 把问题转化为数学方式的叙述： 找到“一个连通的点线图可以一笔画”的 充分必要条件，并且对可以“一笔画”的图形，给 出“一笔画”的方法。 三步抽象的作用 地图的抽象：把地图抽象为点线图，把岛和岸抽 象为点，把桥抽象为线。即简化了问题的条件，又 突出问题的本质 问题的抽象：明确问题的本质 把问题转换为数学方式的叙述：又便于数学方式 的理性思维 情形一 起点和终点重合，那么与起点或终点相交的线 都必须是偶数条（称为偶结点）。 情形二 起点和终点不重合，那么与起点和终点相交的 线都必须是奇数条（称为奇结点）。 而中途经过的点都必须是偶结点。 点的分类：起点、终点和中途经过的点 1）图形必须是连通的 即图中的任意一点通过一些线一定能到达其它 任意一点。 2）图中的“奇点”数只能是 0 或者是 2 一个图形可以一笔画，必须满足下列 两个条件： 欧拉在彼得堡科学院上发表有关论文，震惊了 整个数学界，开创了“图论”的先河。 图论就是运用直观的图形和数学的方法来研究组合关 系的一门新兴学科。原来图论是组合数学的一个重要的课 题，由于发展迅速现在称为一个独立的数学分支。它把被 研究系统中的各个元素作为点，把元素之间的关系作为连 线，然后画成图。通过对图形的研究找出解决实际问题的 办法。 图论为研究任何一类离散事物的关系结构提供了一种 本质的框架，在经济学、心理学、社会学、运筹学网络理 论、信息论、通信科学等方面都有着广泛的应用。 值得一提的是，欧拉对七桥问题的研究，后来演变成多 面体理论，得到著名的欧拉公式： V+F=E+2（其中， V、 E、 F分别表示凸多面体的顶点数、棱数和面数）。 数学家的抽象思维，值得我们体会和学习 “抽象”是数学的武器，是数学的优势 我们应该喜爱“抽象”，学会“抽象”的手段 例四、莫比乌斯带与反常思维 “怪圈” 莫比乌斯带 1858年法国巴黎科学协会举办一次数学论文比赛 ， 参赛者中，来自德国莱比锡市的数学家奥古斯特 莫比乌斯 ，论述他发现了一种奇异的曲面：将纸带一端扭转 180度 后，与另一端粘在一起，这就是以后以他的名字命名的“ 莫比乌斯带”，这个最早的模型成为了拓扑学这个全新数 学分支的萌芽。莫比乌斯带的特点就是它是一个单侧曲面 。 莫比乌斯带应用很广泛，涉及科学、技术，甚至 是艺术、文艺等方面。 莫比乌斯带与科学 DNA双螺旋分子结构。 莫比乌斯带与技术 工厂的运输传送带、计算 机打印机的色带。 莫比乌斯带与艺术 雕塑、邮票、绘画等。 莫比乌斯带与文学 科幻小说 一个叫莫比乌 斯的地铁站 。 “怪圈” 莫比乌斯带的应用 “莫比乌斯带”是反常思维的结果，在常 规看来不可能的事情，运用反常思维却是轻 而易举的。反常思维是常规思维的悖论，是 违背习以为常的逆向思维。 如 镜花缘 中叙述的女皇武则天催花一事， 数九寒天下令“花须连夜发，莫待晓风催”。 英美人和中国人写信地址的顺序： 英美 38号克斯比尔大街哥伦比亚区纽约市美国 中国 美国纽约市哥伦比亚区克斯比尔大街 38号 常识认为，鸡毛可以飞上天，铁块不可能飞 上天，但是今天的现实表明，几十吨甚至几百吨的 “铁块”飞机能飞上去。 拓扑学就是一种反常思维，它能变换空间的位 置，使得一个密闭的空间内外相通，分不开里外。 人进入这样的密室也能轻而易举的走出来（如克莱 因瓶），这对于常规思维是不可能的事情。 莫比乌斯带，它多么简单，然而有极度深刻， 它有那么多工业、技术上的美妙应用，同时又带给 科学家、哲学家、艺术家、文学家那么多新奇的想 象。所以说，它是科学的艺术形象，也是艺术形象 的科学。莫比乌斯带的这种反常思维绝对不是魔术 师的把戏，而是通向真理的一把钥匙。 将数学文化融入课堂 在背景的讲解中，让学生了解数学，走进 文化。 数学符号记录着不同时代的文明，凝聚着深厚 的人文精神，闪烁着人类的智慧。但由于时代久 远，许多数学知识必须附带一些具体的讲解，定 理产生的历史和文化背景，以及它的历史意义和 现实意义等。这样学生才能真正走进知识，理解 知识。 在数学思维训练中，让学生读懂数学，感 悟文化。 数学教学的本质是数学思维的训练。 走进数学背后的世界，让学生读懂数学， 了解文化 数学知识总是不同程度地映射出本民族文化的 精神底蕴。作为教师应努力引领学生走进数学背后 的世界，去关注数学知识“后面的东西”。 唯有如此，数学文化才不至于像贴 标签一样肤浅、空调，而是慢慢融入学 生的学习中去，融入学生习得的技能中 ，成为学生的一种思想、一种观念、一 种生活的体验。 谢 谢！