数学中的运动哲学
──函数的故事
永恒运动着的世界
天地之间的万物都在时间长河中流淌着,变化着。从过去变化到现在,
又从现在变化到将来。静止是暂时的,运动却是永恒!
大概再没有什么能比闪烁在天空中的星星,更能引起远古人的遐想。他
们想象在天庭上有一个如同人世间繁华的街市,那些本身发着亮光的星宿一
直忠诚地守护在天宫的特定位置,永恒不动的。后来,这些星星便区别于月
亮和行星,称之为恒星。其实,恒星的称呼是不确切的,只是由于它离我们
太远了,以至于它们之间的任何运动,都慢得使人一辈子感觉不出来!
北斗七星,是北天最为明显的星座之一。在北天的夜空是很容易辨认的。
大概所有的人一辈子见到的北斗七星,总是如同上页图那般形状。人的
生命太短暂了!几十年的时光,对于天文数字般的岁月,是几乎可以忽略不
计的!然而有幸的是:现代科学的进展,使我们有可能从容地追溯过去和精
确地预测将来。左图的(1)、(2)、(3)是经过测算,人类在十万年前、
现在和十万年后应该看到和可以看到的北斗七星,它们的形状是大不一样
的!
不仅天在动,而且地也在动。火山的喷发,地层的断裂,冰川的推移,
泥石的奔流,这一切都还只是局部的现象。更令人不可思议的是;我们脚下
站立着的大地,也像水面上的船只那样,在地幔上缓慢地漂移着!
由此可见,这个世界的一切量,都跟随着时间的变化而变化。时间是最
原始的自行变化的量,其他量则是因变量。一般地说,如果在某一变化过程
中有两个变量X,y,对于变量X在研究范围内的每一个确定的值,变量y都
有唯一确定的值和它对应,那么变量X就称为自变量,而变量y则称为因变
量,或变量X的函数,记为:
y=f(x)
函数一语,起用于公元1692年,最早见自德国数学家莱布尼兹的著作。
记号 f(x)则是由瑞士数学家欧拉于公元 1724年首次使用的。上面我们所
讲的函数定义,属于德国数学家黎曼(Riemann,1826~1866)。我国引进函
数概念,始于1859年,首见于清代数学家李善兰(1811~1882)的译作。
一个量如果在所研究的问题中保持同一确定的数值,这样的量我们称为
常量。常量并不是绝对的。如果某一变量在局部时空中,其变化是那样地微
不足道,那么这样的量,在这一时空中便可以看成常量。例如读者所熟知的
“三角形内角和为 180°”的定理,那只是在平面上才成立的。但绝对平的
面是不存在的。即使是水平面,由于地心引力的关系,也是呈球面弯曲的。
然而,这丝毫没有影响广大读者,去掌握和应用平几的这条定理!又如北斗
七星,它前十万年与后十万年的位置是大不相同的。但在近几个世纪内,我
们完全可以把它看成是恒定的,甚至可以利用它来精确判定其他星体的位
置!
谈“守株待兔”
《守株待兔》这则寓言,出自先秦著作《韩非子》。家喻户晓,至今已
经流传了二千二百多年。
两千年来,人们一直认为“待兔”不得,罪在“守株”!其实,抱怨“守
株”是没有道理的。问题的关键在于兔子的运动规律。如果通往大树的路是
兔子所必经的,那么‘守株”又将何妨?
然而世界是一个不断运动的世界。兔子的活动,在时空的长河中,划出
一条千奇百怪的轨迹,希望这条轨迹能与树木在时空中的轨线再次相交,无
疑是极为渺茫的,因此,这正是这位农人悲剧之所在!
下面一则更为精妙的例子,可以使人们生动地看到问题的症结。
意大利文艺复兴时期的艺术大师列奥纳多·达·芬奇(Le- onardo da
Vinci, 1452~1519)曾提出过一个饶有趣味的“饿狼扑兔”问题:
一只兔子正在洞穴(C)南面60码的地方(o)觅食,一只饿狼此刻正在
兔子正东100码的地方(A)游荡。兔子回首间猛然遇见了饿狼贪婪的目光,
预感大难临头,于是急忙向自己的洞穴奔去。说时迟,那时快,恶狼见即将
到口的美食就要失落,立即以一倍于兔于的速度紧盯着兔子追去。于是,狼
与兔之间,展开了一场生与死的惊心动魄的追逐。
问:兔子能否逃脱厄运?
有人作过以下一番计算:
以O为原点,OA,OC分别为 X,Y轴,以 1码为单位长。则 OA=100,
OC=60。根据勾股定理,在Rt△AOC中
AC OA CO= + = + =2 2 2 2100 60 116 6.
这意味着;倘若饿狼沿AC方向直奔兔子洞穴,那么由于兔子速度只有狼
速度的一半,当饿狼到达兔穴洞口时,兔子只跑了 116. 6+ 2= 58. 3码
距离,离洞口尚差 1. 7码。这时先行到达洞口的饿狼,完全可以守在洞口,
“坐等”美餐的到来!
以上计算似乎天衣无缝,结论只能是兔子厄运难逃。可实际上这是错误
的!饿狼不可能未卜先知地直奔兔穴洞口去“坐守”,它的策略只能是死死
盯住运动中的兔子,这样它本身也就运动成一条曲线,这条曲线可以用解析
的方法推导出来:
y x x= - +
1
30
10
200
3
3
2
1
2
当 时,代入上式得 =x = 0 y 66
2
3
这意味着,如若北边没有兔子洞,那么当兔子跑到离原点 码的 点时,66
2
3
B
恰被饿狼逮住。然而有幸的是,兔子洞离原点仅有60码,此时此刻兔子早已
安然进洞了!
随着“饿狼扑兔”谜底的解开,“守株待兔”问题似乎明朗了。不料,
后来又有人提出异议,对《守株待兔》故事的真实性表示怀疑,机灵的兔子
怎么会自己撞到偌大的树桩上去?它那两只精灵的大眼睛干什么去了?!
说得不无道理!不过,要说清这一点,还得从眼睛的功能谈起。
眼睛的视觉功能是有趣的:一只眼睛能够看清周围的物体,但却无法准
确判断眼睛与物体之间的距离。下面的实验可以证实这一点。
两只手各拿一支削尖了的铅笔,然后,闭上一只眼睛,让两支笔的笔尖
从远到近,对准靠扰。这时,你令发现一种奇怪的现象:任你怎么集中注意
力,两支笔尖总是交错而过!然而,如若你睁着双眼,要想对准笔尖,那是
很容易做到的。
由此可见:用两只眼看,能准确判断物体的位置,而用一只眼看却不能!
那么,为什么用两只眼睛便能判定物体的准确位置呢?
原来,同一物体在人的两眼中看出来的图象是不一样的!左图是一个隧
道分别在两眼中的图象,它们之间的不同是很明显的。为了证明这两侧图形
确是由你左右两眼分别看出的,你可以把图a摆在你的面前,然后两眼凝视
图中央空隙的地方,如此集中精力几秒钟,并全神贯注于一种要看清图后更
远的意念。这样,无须很久,你的眼前便会出现一种神奇的景象:图中左右
两侧的形象逐渐靠近,并最终融合在一起,变成了一幅壮观的立体隧道图形!
现在我们回到“守株待兔”这个问题上来。
仔细观察一下便会发现,人眼与兔眼的位置是不相同的:人的两眼长在
前方,相距很近,而兔的两眼却长在头的两侧。又根据测定,兔子每只眼睛
可见视野为189°30′,而人的每只眼睛可见视野约166°。不过,由于人的
两眼长在前面,因此两眼同时能看到的视野有 124°左右。在这一区域内的
物体,人眼能精确判定其位置。而兔眼虽说能看到周围的任何东西但两眼重
合视野只有19°,其中前方10°,后方9°。因此兔子只有在很小的视区内
才能准确判断物体的远近!
由图b还能看出;纵然兔子对来自四方的威胁都能敏锐地感觉,但对鼻
子底下的东西(图中“?”号区域),却完全看不到!况且在惊慌失措的奔
命中,说不定早已昏了头脑,撞树的事情也就难保不会发生。
对闭眼打转问题的探讨
公元1896年,挪威生理学家古德贝尔对闭眼打转的问题进行了深入的研
究。他收集了大量事例后
说:这一切都是由于人自身两条腿在作怪!长
年累月养成的习惯,使每个人一只脚伸出的步子,要比另一只脚伸出的步子
长一段微不足道的距离。而正是这一段很小的步差 X,导致了这个人走出一
个半径为y的大圈子!
现在我们来研究一下x与y之间的函数关系:
假定某个两脚踏线间相隔为 d。很明显,当人在打圈子时,两只脚实际
上走出了两个半径相差为 d的同心圆。设该人平均步长为 1。那么,一方面
这个人外脚比内脚多走路程
2 y +
d
2
- 2 y -
d
2
= 2 dπ( ) π( ) π
另一方面,这段路程又等于这个人走一圈的步数与步差的乘积,即:
2 d = xπ (
π
)·
2
21
y
化简得 y
dl
x
=
2
对一般的人,d=0.1米,1=0.7米,代入得(单位米)
y
x
=
014.
这就是所求的迷路人打圈子的半径公式。今设迷路人两脚差为 0.1毫
米,仅此微小的差异,就足以使他在大约三公里的范围内绕圈子!
上述公式中变量x,y之间的关系,在数学上称为反比例函数关系。所
谓反比例函数,就是形如 ,( 为常量)这样的函数。它的图象是两条y =
k
x
k
弯曲的曲线,数学上称为等边双曲线,在工业、国防、科技等领域都很有用
场。
下面我们看一个有趣的游戏:
在世界著名的水都威厄斯,有个马尔克广场。广场的一端有一座宽 82
米的雄伟教堂。教堂的前面是一片开阔地。这片开阔地经常吸引着四方游人
到这里做一种奇特的游戏:把眼睛蒙上,然后从广场的一端向另一端教堂走
去,看谁能到达教堂的正前面!
奇怪的是,尽管这段距离只有175米,但却没有一名游客能幸运地做到
这一点!全都走成了弧线,或左或右,偏斜到了一边!
为什么是这样呢?我们就先来计算一下,当人们闭起眼睛,从广场一端
中央的M点抵达教堂 CD的最小的弧半径是多少。如下图,注意到矩形 ABCD
边BC=175(米),AM=MB= 41(米)。那么上述问题,无疑相当于几何中
∵BC2=R2-(R-MB)2=MB(2R-MB)
∴1752=41×(2R-41)
R=394这就是说,游人要想成功,他所走的弧线半径必须不小于 394
米。那么就让我们再计算一下,要达到上述要求,游人的两脚的步差需要什
么限制。根据公式:
y
x
y R
x
=
=
=
0 14
394
0 14
394
0 00035
1
.
.
.
∵ ≥
∴ ≤ (米)
这表明游人的两只脚的步差必须小于0.35毫米,否则是不可能成功的!
然而,在闭上眼睛的前提下,使两脚的步差这么小一般人是办不到的,这便
是在游戏中为什么没有人能被蒙上眼睛走到教堂前面的道理。
“钟表定向”的科学原理
对于在沙漠,草原或雪野上迷了路的人,识别方向无疑是至关重要的。
我们设想一位迷失了方向的人,面临着一种艰难的境地,他在旅行中赖
以辨认方向的罗盘,不幸丢失了!我们试图帮助他从这一困境中解脱出来。
倘若故事发生在睛天的夜晚,那是不用愁的,因为北天的那颗极星,可
以准确地为你指示方向。
倘若故事发生在阴天,情况似乎比较棘手!不过,只要细心观察周围,
还是有希望找到一些辨别方向的标志。如北半球树木的年轮一般是偏心的,
靠北方向(N)年轮较密,而靠南方向(S)年轮较疏,这是由于树木向阳一
面生长较快的缘故。又如,有时在荒野中我们会看到一些残垣断壁、破寺败
庙,按中国的习俗,这些建筑物一般是座北朝南的。
假如我们的主人公在一望无际的沙漠中迷失了方向。周围当然不可能奇
迹般地出现庙宇和树桩。当空的烈日,正使他陷入一种茫然和绝望!此时,
如果谁能告诉他,他手上戴着的手表,就是一只
的“指北针”,那么他
一定会为此而欣喜若狂!
也许你会疑虑重重,然而事实确是这样!钟表定向的方法是:把手表放
平,以时针的时数(一天以24小时计)一半的位置对向太阳,则表面上“12
时”指的方向便是北方。例如表面上指的时间若是早上8时零5分,其时数
一半的位置大约是“4.04时”,以这个位置对向太阳,则“12时”所指的方
向即为北方。应当注意的是,对向必须准确。为了提高精度,我们可以用一
根火柴立在“时数一半”的地方,让它的影子通过表面中心,这表明我们已
经对准了太阳的方向!
我想你一定很想知道用钟表定向的科学道理,这是不难的!不过要彻底
弄清它,还得先了解地球的自转。
众所周知,白天的出现和黑夜的降临,是由于地球的自转。然而,历史
上有很长一段时间,人们对此半信半疑。迟至公元1805年,一位相当聪明的
法兰西科学院院士梅西尔还这样写过:“天文学家要使我相信,我像一只烧
鸡穿在铁棍上那样旋转,那真是用心枉然!”不过,这位学者的偏见,并没
能阻止地球的旋转,从那时起地球又一如即往地转动了六万七千转!
公元1851年,法国科学家傅科在著名的巴黎国葬院,作了一个直接证明
地球旋转的惊人表演:让一个大钟摆在地面的沙盘上不断划出纹道(左图)。
虽说这个摆同其他自由摆一样,不停地在同一方向、同一平面上来回摆动。
但地球及国葬院的地板,都在它底下极其缓慢地转动着,因此沙盘上划出的
纹道,也一点点一点点由东向西缓慢而均匀地改变了方向。傅科摆的摆面旋
转一周所用的时间与当地的纬度有关:在极点需要 24小时时;在巴黎需 31
时47分;我国北京天文馆的傅科摆,摆面旋转一周约需37时15分。傅科的
实验使我们亲眼见到了地球的均匀自转。地球自转一周,在人们的视觉假象
中,太阳好像绕地球旋转了360°。与此同时,手表面上的时针走了24小时,
绕表心旋转了 720°。由于以上两者的转动都是均匀的,从而视觉中太阳绕
地球旋转的角度 y,与表面上时针旋转的角度 x的一半,应当是同步的。这
表明,当选定各自计算的起始角后,应当有
y x b= +
1
2
这是一个一次函数,它的图象是一条直线。上式右端 的系数 称x k =
1
2
为直线的斜率;b称为截距,恰等于直线截 y轴的有向距离。
将上述一次函数式变形得:
y -
1
2
x = b(常量)
这意味着,视觉中太阳旋转的角与时针旋转的半角之间,相差是一个常
量。这一变量中的常量说明,将“时数的一半”对向太阳时,手表面的位置
是恒定的,不因时间的推移和太阳的升落而变化。当早晨6点太阳升起在东
方时,我们用“6”的一半“3”去对准东方,那么“12时”所指的方向自然
就是北方了!而这一方向,在太阳与时针同时运动中,保持恒定。这就是“钟
表定向”的科学原理。
揭示星期几的奥秘
公元321年3月7日,古罗马皇帝君士坦丁,正式宣布采用“星期制”,
每一星期为七天,第一天为星期日,尔后星期一、星期二直至星期六,
尔后再回到星期日,如此永远循环下去!君士坦丁大帝还规定,宣布的那天
日子为星期一。
一星期为什么定为七天?这大约是出自月相变化的缘故。天空中再没有
别的天象变化得如此明显,每隔七天便一改旧貌!另外,“七”这个数,恰
与古代人已经知道的日、月、金、木、水、火、土七星的数目巧合,因此在
古代神话中就用一颗星作为一日的保护神,“星期”的名称也因之而起。
我想读者一定很想知道历史上的某一天究竟是星期几的奥秘!为了揭开
这个奥秘,我们先从闰年的设置讲起。
我们知道:一个回归年不是恰好365日,而是365日5小时48分46秒,
或365.2422日。为了防止这多出的0.2422日积累起来,造成新年逐渐往后
推移。因此我们每隔 4年时间便设置一个闰年,这一年的二月从普通的 28
天改为29天。这样,闰年便有366天。不过,这样补来也不刚好,每百年差
不多又多补了一天。因此又规定,遇到年数为“百年”的不设闰,扣它回来!
这就是常说的“百年24闰”。但是,百年扣一天闰还是不刚好,又需要每四
百年再补回来一天。因此又规定,公元年数为400倍数者设闰。就这么补来
扣去,终于补得差不多刚好了!例如,1976、1988这些年数被4整除的年份
为闰年;而1900、2100这些年则不设闰;2000年的年数恰能被 400整除,
又要设闰,如此等等。
闰年的设置,无疑增加了我们对星期几推算的难度。为了揭示关于星期
几的奥秘,我们还要用到一个简单的数学工具——高斯函数。
公元1800年,德国数学家高斯(Gauss,1777~1855)在研究圆内整点
问题时,引进了一个函数
y =[x]
后人称之为高斯函数。
[x]是表示数X的整数部分,如:
[π]=3
[-4.75]=-5
[ ]
5 1
2
0
-
=
[1988]=1988
高斯函数的图象如左图,像台阶般,不连续!
利用高斯函数,我们可以根据设闰的规律,推算出在公元X年第y天是
星期几。这里变量X是公元的年数;变量y是从这一年的元旦,算到这一天
为止(包含这一天)的天数。历法家已经为我们找到了这样的公式:
s x
x x x
y= - +
-
-
-
+
-
+1
1
4
1
100
1
400
[ ] [ ] [ ]
按上式求出 S后,除以 7,如果恰能除尽,则这一天为星期天;否则余
数为几,则为星期几!
例如,君士坦丁大帝宣布星期制开始的第一天为公元321年3月7日。
容易算得:
s = + - + +
= + - + +
=
320
320
4
320
100
320
400
66
320 80 3 0 66
463 1 7
[ ] [ ] [ ]
(mod )≡
最后一个式子的符号表示463除以7余1。也就是说,这一天为星期一。
这是可以预料到的,因为当初就是这么规定的!
又如,我们共和国成立于1949年10月1日:
s = + - + +
= + - + +
=
1948
1948
4
1948
100
1948
400
274
1948 487 19 4 274
2694 6 7
[ ] [ ] [ ]
(mod )≡
原来,这一普天同庆的日子为星期六。
公元2000年1月1日,人类跨进了高度文明的21世纪,那么这一天是
星期几呢?
s = + - + +
= + - + +
=
1999
1999
4
1999
100
1999
400
1
1999 499 19 4 1
2484 6 7
[ ] [ ] [ ]
(mod )≡
计算表明:这一天也是星期六!
指数函数的威力
美国著名的科学家,避雷针的发明人,本杰明·富兰克林(Franklin·B,
1706~1790)。一生为科学和民主革命而工作,他死后留下的财产只有一千
英镑。令人惊讶的是,他竟留下了一份分配几百万英镑财产的遗嘱!这份有
趣的遗嘱是这样写的:
“⋯⋯一千英镑赠给波士顿的居民,如果他们接受了这一千英镑,那么
这笔钱应该托付给一些挑选出来的公民,他们得把这钱按每年 5%的利率借
给一些年轻的手工业者去生息。这款子过了100年增加到131000英镑。我希
望,那时候用100000英镑来建立一所公共建筑物,剩下的31000英镑拿去继
续生息 100年。在第二个 100年末了,这笔款增加到 4061000英镑,其中
1061000英镑还是由波士顿的居民来支配,而其余的 3000000英镑让马萨诸
州的公众来管理。过此之后,我可不敢多作主张了!”
富兰克林,留下区区的1000英镑,竟立了百万富翁般的遗嘱,莫非昏了
头脑?!让我们按照富兰克林非凡的设想实际计算一下。请看下表:
从而 b
A
An
n n= = +
0
1 5%)(
上式显然是函数 = 当 = 时的特例。在数学上形如 的函y a 1.05 y = a xa x
数称为指数函数,其中a约定为大于0且不等于1的常量。
下图画出了指数函数 , , 的图象。从图象容易看出:y = 2 y = 10 y = (
1
2
)x x x
当底a大于1时,指数函数是递增的,而且越增越快;反之,当底a小于 1
时,指数函数递减。让我们观察故事中bn=1.05n值的变化,不难算得:
当 时, ;
当 时, ;
当 时, ;
⋯⋯ ⋯⋯
当 时, 。
x = 1 b = 1.05
x = 2 b = 1.103
x = 3 b = 1.158
x = 100 b = 131.501
1
2
3
100
这意味着,上面的故事中,在头一个100年末富兰克林的财产应当增加
到
A = 1000 1.05 = 131501100
100× (英镑)
这比富兰克林遗嘱中写的还多出501英镑哩!在第二个100年末,他拥
有的财产就更多了
A = 131501 1.05 = 4142421100
100′ × (英镑)
可见富兰克林的遗嘱在科学上是站得住脚的!
由此可见,指数函数的威力。
历史上因此而吃了亏的,也不乏其人,大名鼎鼎的拿破仑就是其中的一
位。
公元1797年,当拿破仑参观国立卢森堡小学的时候,赠送了一束价值三
个金路易的玫瑰花,并许诺说,只要法兰西共和国存在一天,他将每年送一
束价值相等的玫瑰花,以作两国友谊的象征。此后,由于火与剑的征战,拿
破仑忘却了这一诺言!当时间的长河向前推进了近一个世纪之后,公元1894
年,卢森堡王国郑重向法兰西共和国提出了“玫瑰花悬案”要求法国政府在
拿破仑的声誉和1375596法郎的债款中,二者选取其一。这笔高达百万法郎
的巨款,就是三个金路易的本金,以 5%的年利率,在 97年的指数效应下的
产物。这一历史公案使法国政府陷入极为难堪的局面,因为只要法兰西共和
国继续存在,此案将永无了结的一天!
不过,指数效应更多是积极的方面。
指数函数不仅在数学、物理、天文上应用极广,而且在其他自然科学甚
至社会科学上也大有用场!以指数规律变化的自然现象和社会现象,有一种
极为重要的特性:即量A的变化量△A,总是与量A本身及其变化时间△t成
正比
△A A△t
事实上,令 A=f(t)=at,则
△A=at+△t-at=at(a△t-1)
=
-
A t
a
t
t
△
△
△
( )
1
数学上可以证明,上式右端括号内的量,当变化时间很短时,趋向一个
极限K(实际上等于Ina),从而证得:
△A≈KA△t
反过来,数学家也已经证明:如果量A的变化量与它本身及变化时间成
正比(比例系数为K),那么此时必有
A=A0ekt
这里 是变量 的初始值(= ),数 = ⋯⋯则是一个与A A t 0 e 2.7180
圆周率π一样重要的数学常量。
对数的发现过程
16世纪的欧洲随着资本主义的迅速发展,科学和技术也一改中世纪停滞
不前的局面。天文、航海、测绘、造船等行业不断向数学提出新的课题。有
一个集中暴露出来令人头痛的问题是:在星体的轨道计算,船只的位置确定,
大地的形貌测绘,船舶的结构设计等一系列课题中,人们所遇的数据越来越
宠杂,所需的计算越来越繁难!无数的乘除、乘方、开方和其他运算,耗费
了科学家们大量的极为宝贵的时间和精力。
面对这种局面,数学家们终于出来急其所难,各种门类的表格:平方表、
立方表、平方根表、圆面积表等等,便应运而生,人类就这么在表格的海洋
中茫然地行驶了半个多世纪,直至16世纪40年代,才迎来了希望的曙光。
公元 1544年,著名的哥尼斯堡大学教授,德国数学家斯蒂费尔
(Stiefel,1487~1567),在简化大数计算方面迈出了重要的一步。在《普
通算术》一书中,斯蒂费尔宣布自己发现了一种有关整数的奇妙性质,他认
为:“为此,人们甚至可以写出整本整本的书⋯⋯”
那么,斯蒂费尔究竟发现了什么呢?原来他如同下表比较了两种数列:
等比数列和等差数列。
斯蒂费尔把等比数列的各数称为“原数”,而把等差数列的对应数称为
“代表者”(即后来的“指数”)。他惊奇地发现:等比数列中的两数相乘,
其乘积的“代表者”,刚好等于等差数列中相应两个“代表者”之和;而等
比数列中的两数相除,其商的“代表者”,也恰等于等差数列中两个“代表
者”之差。斯蒂费得出的结论是:可以通过如同上面那样的比较,把乘除运
算化为加减运算!
可以说斯蒂费尔已经走到了一个重大发现的边缘。因为他所讲的“代表
者”y,实际上就是现在以2为底x的对数
v=log2x
而使斯蒂费尔惊喜万分的整数性质就是:
log M N = log M + log N
log = log M - log N
2 2 2
2 2 2
( · )
( )
M
N
历史常常惊人地重复着这样的人和事:当发现已经降临到眼皮底下,只
缘一念之差,却被轻轻错过!斯蒂费尔大约就是其中令人惋惜的一个。他困
惑于自己的表格为什么可以算出 16×256=4096,却算不出更简单的 16×
250=4000。他终于没能看出在离散中隐含着的连续,而是感叹于自己研究问
题的“狭窄”。从而在伟大的发现面前,把脚缩了回去!
正当斯蒂费尔感慨于自己智穷力竭之际,在苏格兰的爱丁堡诞生了一位
杰出人物,此人就是对数的发明人纳白尔(Napier, 1550~1617)。
纳白尔出身于贵族家庭,天资聪慧,才思敏捷,从小又受家庭的良好熏
陶,十三岁便进入了圣安德鲁斯大学的一个学院学习。十六岁出国留学,学
识因之大进。公元1571年,纳白尔抱志回国。先是从事于天文、机械和数学
的研究,并深为复杂的计算所苦恼。公元1590年,纳白尔改弦更张,潜心于
简化计算的工作。他匠心独运,终于在斯蒂费尔的足迹上,向前迈出了具有
划时代意义的一步!
说来也算简单!纳白尔只不过是让任何数都找到了与它对应的“代表
者”。这相当于在斯蒂费尔离散的表中,密麻麻地插进了许多的中间值,使
人看去宛如无数的纬线穿行于经线之中,显示出布匹般的连续!
公元 1594年,纳白尔开始精心编制可供实用的对数表。在经历了 7300
个日日夜夜之后,一本厚达200页的八位对数表终于诞生了!公元1614年,
纳白尔发表了《关于奇妙的对数法则的说明》一书,书中论述了对数的性质,
给出了有关对数表的使用
和实例。纳白尔终于用自己20年的计算,换来
了人世间无数寿命的延续!法国大数学家拉普拉斯说得好:“如果一个人的
生命是拿他一生中的工作多少来衡量,那么对数的发明,等于延长了人类的
寿命!”
不幸的是,纳白尔的工作虽然延长了他人的寿命,却没能使自己的生命
得以延长。就在纳白尔著作发表后的第三个年头,公元1617年,这位永受后
人缅怀的杰出数学家,终因劳累过度,不幸谢世。
纳白尔的对数发明颇具传奇性。当时的欧洲,代数学仍处于十分落后的
状态,甚至连指数概念尚未建立。在这种情况下先提出对数概念,不能不说
是一种奇迹!纳白尔的对数是从一个物理上的有趣例子引入的:两个质点A、
B有相同的初速度v。质点A在线段OR上作变速运动,其速度与它到R的距
离成正比;质点 B作匀速直线运动。今设 AR= X, O′B=y,试求X,y
之间的关系?
纳白尔经过仔细分析后发现;质点A的瞬时末速度是一个无穷递缩等比
数列
v v 1 -
1
n
v 1 -
1
n
v 1-
1
n
v 1-
1
n
1 2 3 i, ( ) , ( ) , ( ) ,⋯ ( ) ,⋯
从而量x在变化时也可以看成是一个无穷递缩等比数列;而Y在变化时显然
可以看成是一个无穷递增的等差数列0,v,2v,3v,4v,⋯,tv,⋯这样一
来,在变量y与变量X之间便建立起了函数关系。纳白尔把y称为X的对数,
用现在的式子来写就是:
y x
x
e
= =
æ
èç
ö
ø÷log ln1
1
这里符号“ln”表示“自然对数”,对数的底就是上一节故事中讲的e。
这与今天
上讲的“常用对数”有所不同,后者是以10为底的。
在数学上,对数函数的一般表示式为
y xa= log
改写成指数形式便有
x=ay
在上式中,如果把变量X看成变量y的函数,并改用常用的函数和自变
量符号,则有
y=ax
这样得到的函数,我们称为原函数的反函数。两个互为反函数的图象,
在同一坐标系里,关于第Ⅰ、Ⅲ象限的角平分线为轴对称。反函数图象的这
一特性,在上图中可以看得很明显。
对数是十七世纪人类最重大的发现之一。在数学史上,纳白尔的对数、
笛卡儿的解析几何及牛顿莱布尼兹的微积分三者齐名,被誉为“历史上最重
要的数学方法”!
对数于1653年传入我国。公元1664年,我国学者薛风祚(?~1680)
编译了《天学会通》丛书。在国内,这是第一部介绍对数和对数表的著作。
不朽的功绩
斯蒂费尔的“指数”思想,实际上早在 2200年前就已有过!公元前 3
世纪,古希腊数学家阿基米德(Archimedes,公元前287~前212),在他名
著《计砂法》中,就曾研究过以下两个数列:
1, 10, 102, 103,104, 105,⋯⋯;
0,1, 2, 3, 4, 5,⋯⋯。
并发现了幂的运算与指数之间的联系。然而,在阿基米德死后,因后继
无人而湮灭了!
在斯蒂费尔发现对数后不到60年,在英吉利海峡两边的不同国度里,却
几乎同时出现两位新秀:一位是纳白尔,另一位是聪明绝顶的瑞士钟表匠标
尔格。后者是著名天文学家开普勒的助手。出于天文计算的需要,他于公元
1611年,制成了世界上第一张以e为底的四位对数表。
不过,纳白尔的工作是无与伦比的。他的非凡成果,惊动了一位住在伦
敦的天文数学家,牛津大学教授布里格斯(Briggs,1561~1631)。布里格
斯几乎陶醉于纳白尔奇特而精妙的对数理论,渴望能亲睹这位创造者的容
颜!
公元1616年初夏,布里格斯去信给纳白尔,希望能有机会亲自拜访他。
纳白尔久仰布里格斯大名,立即回信,欣然应允,并订下了相会的日期。不
久,布里格斯便登上了前往爱丁堡的旅途。
伦敦与爱丁堡之间路遥千里,而当时最快的交通工具只有马车,虽然日
夜兼程,也需要数天时间。而两位科学家却早已心驰神往,大家都极为盼望
着这次会面时刻的到来!
俗话说得好:“佳期难得,好事多磨”,偏偏在这节骨眼上,布里格斯
的马车中途因故抛锚。布里格斯心急如焚,却又无可奈何!此后虽则加速行
程,但终因此番耽搁,以致没能如期抵达爱丁堡。
话说另一头,在约定的日子里,纳白尔左等右等,终不见布里格斯的身
影,焦虑和不安使这位年近古稀的老人,似乎显得更加苍老!时间过去了一
天,正当纳白尔望眼欲穿之际,突然门外响起了阵阵铃声。纳白尔喜出望外,
急忙向大门奔去⋯⋯ 。当风尘仆仆的布里格斯出现在纳白尔面前时,两位
初次见面的数学家,像老朋友般紧紧地握住对方的双手,嘴唇颤动着,却久
久说不出话来!
在很长一段时间之后,布里格斯终于先开了口:“此番我乐于奔命,唯
一的目的是想见到您本人,并想知道,是什么样的天才使您第一次发现了这
个对天文学妙不可言的方法。”
这次会面使两位数学家结成了莫逆之交。布里格斯根据自己在牛津大学
的讲学经验,建议纳白尔把对数的底数改为10,主张
log10l=lgl=0
log1010=lg10=1
这样,一个数N的对数,便可明确地分成两个部分:一部分是对数首数,
只与数N的整数位数有关;另一部分是对数尾数,则由数N的有效数字确定。
这就是说,若
loN
N
N N
=
=
= -
ì
í
î
a
a
.××××
则
.××××
[lg ]
lg [lg ]0
有道是:“英雄所见略同。”纳白尔对布里格斯的建议大为赞赏,认为
这种以10为底的对数,对于通常的计算更为实用!
就这样,纳白尔又以全部的精力投入了新对数表的制作,直至不幸逝世。
纳白尔的未竟事业,由布里格斯继承了下去。经历了艰难的八年之后,
公元1624年,世界上第一本14位的常用对数表终于问世。不过,布里格斯
的对数表实际上并不完全,只有1~2000及90000~100000各数的对数。这
一对数表的空隙部分,四年后由荷兰数学家符拉克补齐。
随着对数应用的扩大,各类精密度更高的对数表,像雨后春笋般相继出
现,蔚为壮观!其中有20位的;48位的;61位的;102位的;而如今雄踞
位数榜首的,是亚当斯的260位对数!
随着对数表位数的增加,表格的厚度也越来越厚:四位对数表只需3页;
5位对数表就要30页;而6位对数表则需182页,⋯⋯面对着这一本厚似一
本的表格,人们终于引起了反思。实践使他们意识到,表的位数如果多于计
算量的度量精度,那么表的位数越高,造成的时间和精力的浪费也就越大!
于是,在实用的指导下,人们又逐渐从高位对数表,退回到低位对数表上来。
目前全世界的教科书,采用的几乎都是四位对数表,这种表的使用,读者想
必是很熟悉的!
对多位对数表反思的另一个结果,是更为快速计算工具的诞生。下图是
一把常见的计算尺式样,标尺上的读数分为三级,因此可以读出三个有效数
字(如下图)。对精度要求不太高的计算,计算尺是十分方便的!
计算尺的前身是纳白尔算筹,它是纳白尔于公元1617年发明的。那是在
一些长方形的板片上刻写数码,对起来进行乘除、乘方、开方运算。纳白尔
算筹于公元 1645年由我国学者汤若望引进国内,当时国内学者对此兴趣颇
高。这种算筹目前北京故宫博物馆仍然藏有数套。
对数表和计算尺源出同宗,但优劣各异:精度高的速度慢;速度快的精
度低。是否存在得兼两者长处的计算工具呢?几个世纪来,科学家们用自己
的聪明才智,进行着努力的探索!
公元1642年,法国数学家帕斯卡(Pascal,1623~1662)制造出了世界
上第一台加法计算机,打响了攻坚的第一炮。
公元1677年,著名的德国数学家莱布尼兹发明了乘法计算机。
公元1847年,俄国工程师奥涅尔研制成了世界上第一部功能完善的手摇
计算机。
我国人工计算机的研制工作起于清初康熙年间。公元1685年至公元1722
年期间我国自行制造的原始手摇计算机,至今仍有十台,保存于故宫博物馆。
世界上第一台电子计算机,是公元1946年,在美籍匈牙利数学家冯·诺
依曼(Von Neumann,1903~1957)领导下制成的。它标志着人类开始走进一
个光辉的时代——电子时代!
今天,电子计算机已经更新了好几代,面目远非半个世纪前所能相比,
各式各样先进的电子计算工具,也早已替代了计算尺和对数表。然而,对数
表的发明和它在历史上的功绩,将永不磨灭!
并非危言耸听
公元1972年,尼克松被再次当选为美国总统后,建议美苏两国联合攻克
癌症。建议立即被采纳。美方赠送了供研究的23种致癌病毒;苏方回赠了六
名癌症患者的癌细胞标本。
翌年一月,美国国立癌采研究中心决定,将苏联的癌细胞标本分送给几
位科学家研究。其中的一份,送到了加州细胞培养所长实验所所长尼尔森芮
斯博士手上。
尼尔森芮斯经过几番周折,终于弄清了,所有苏方赠送的六各标本,全
是二十多年前死去的美国黑人拉克丝的细胞。
原来拉克丝1951年10月死于一种罕见的子宫颈癌。这种特殊的癌细胞
具有极强的繁殖力和生命力。拉克丝从发现第一个病灶到死亡,整个过程不
足八个月。科学家们提取这种癌细胞加以培养,发现这些癌细胞竟以
y=A0·2x
这样的指数曲线疯狂地生长!每 24小时便增加一倍(上式中A0为原始数量,
X为天数)。就这样,这种新发现的癌细胞被命名“海拉”,并被严格控制
于实验室。
“海拉”细胞在不足一个月时间内,便能增加数千万倍,这使过去一直
认为的,健康细胞“自发”转变为癌细胞的神秘现象,得到了新的解释。原
来所谓“自发”转变,只不过是“海拉”细胞消灭并占领了整个培养物!
然而事过二十多年,“海拉”细胞不仅没有死亡,而且还令人费解地流
到国外,出现在莫斯科!于是,尼尔森芮斯博士撰文向全世界敲起了警钟:
“如果听任‘海拉’细胞在最适宜的情况下毫无抑制地生长,那么到现在为
止,它们很可能已经占领整个世界!”
这是危言耸听吗?不!这是科学的结论!
如果任其疯狂生长,那么按理论计算,一年后将达到
y=A0·2365
现在,我们已经有了对数工具,让我们计算一下,这个数字究竟有多大
∵ lgy=lgA0+lg2365
=lgA0+365×lg2
=lgA0+365×0.3010
∴ lg .
y
A0
109865
æ
è
ç
ö
ø
÷ =
从而 y=7.328×10109A0
这样多的细胞,不必说占领整个地球,就是占领整个宇宙也不算过分!
好在人类已经学会了对生物的有效控制,才制止了这种有害生物指数般
的繁殖和生长。
具有讽刺意味的是:人类虽然很早就注意控制生物,却迟迟才注意控制
人类自己,世界人口依然按一条可怕的指数曲线在增长着!
公元初地球上的人口不足2亿5千万人,到公元1650年世界人口也才达
到5亿,让我们计算一下这段期间世界人口的增长率P:
∵5×108=2.5×108(1+P)1650
∴ 2=(1+P)1650
lg2=1650lg(1+P)
∵lg(1+P)=0.3010÷1650=0.0001824
∴1+P=1.00042
P=0.042%
这就是说,在公元后的1600年里,人类人口每年只平均增长万分之四多
一些。然而,从公元1650年到公元1800年,仅一个半世纪,世界人口又翻
了一番。可以算出这期间世界人口增长率为0.46%,比前面高了十倍!而从
1800年到1930年,世界人口再次翻番,达20亿。1960年达30亿,1975年
达40亿,1987年达50亿,⋯⋯世界人口沿着一条越来越陡峭的曲线直指上
方!
科学家们告诫说:我们这个赖以生存的地球,最多只能养活80~100亿
人类。然而,按目前世界人口的增长速度,公元 2000年,世界人口将达 65
亿,而公元2025年将突破100亿!再下去地球将无法承担这一负荷,人类将
最终毁灭自己!
这是危言耸听吗?不!这是科学向人类提出的警告!
公元1987年7月11日,生活在这个星球上的第50亿个人,在南斯拉夫
的萨格勒布市诞生了!这一天联合国人口活动基金会组织,向世界各国首脑,
分别赠送一台特制的“人口钟”。这是一种奇异的计时器,除通常钟表功能
外,还能显示该时刻该世界总人口的预测数,及每分钟各国人口的变化,它
将随时提醒各国首脑重视人口问题。
追溯和预测
公元1896年,法国物理学家贝克勒尔发现,铀的化合物能放射出一种肉
眼看不见的射线,这种射线可以使它在黑纸里的照相底片感光。这种现象引
起了女科学家玛丽·居里的注意。居里夫人想,该不是只有铀才能发出射线
吧!经她悉心研究,终于又发现了一些放射性更强的元素。
公元 1903年,杰出的英国物理学家卢瑟福,设计了一个极为巧妙的实
验,证实了放射性物质放出的射线有三种,而且在放出射线的同时,本身有
一部分蜕变为其他物质。蜕变的速度不受冷热变化、化学反应及其他外界条
件的影响。
经科学家们不懈努力,人们终于弄清了放射性蜕变的量的规律:即蜕变
的变化量△m,与当时放射性物质的质量m及蜕变时间成正比。也就是说
△ △m -mµ t
右端的负号是因为蜕变后放射性物质减少的缘故。
上式写成等式便是:
△m=-km△t
其中m=m0e-kt
下面我们计算一下,究竟需要多长时间,才能使放射性物质蜕变为原来
的一半。为此,令 ,于是m m=
1
2 0
1
2
1
2
2
0 693
1
=
= -
= =
-e
kT e
T
k e k
kt
lg lg
lg
lg
.从而 ×
这是一个常量,这个常量只与放射性物质本身有关,称为该放射性物质
的半衰期。右上图画的是镭的衰变情况:每隔1620年质量减为原来一半。下
表列的是一些重要放射性物质的半衰期。
元素 同位素符号 半衰期
钍
铀Ⅰ
镭
钋Ⅰ
钋Ⅱ
钋Ⅲ
铀Ⅱ
Th 232
U 238
Ra 226
Po 210
Po 214
Po 216
U 234
1.39× 1010年
4.56× 109年
1620年
138天
1.5× 10-4秒
0.16秒
2.48× 105年
铀是最常见的一种放射性物质,由上表得知,它的半衰期为 45亿 6000
万年。也就是说,过45亿6000万年之后,铀的质量剩下原来的一半。由于
铀蜕变后,最后变成为铅,因此我们只要根据岩石中现在含多少铀和多少铅,
便可以算出岩石的年龄。科学家们正是利用上述的办法,测得地球上最古老
岩石的年龄要为 30亿年。当然,地球年龄要比这更大一些,估计有 45~46
亿年!
应用上面的数学方法,不仅可以使我们科学地追溯过去,而且可以帮助
我们科学地预测将来。在儒勒·凡尔纳的《马蒂斯·桑多尔夫》这部小说里,
作者描述了一个精彩动人的故事:
“已经移去了两旁撑住船身的支持物,船准备下水了。只要把缆索解开,
船就会滑下去。已经有五六个木工在船的龙骨底下忙着。观众满怀着好奇心
注视着这件工作。这时候却有一艘快艇绕过岸边凸出的地方,出现在人们的
眼前。原来这艘快艇要进港口,必须经过“特拉波科罗”号准备下水的船坞
前面。所以一听见快艇发出信号,大船上的人为了避免发生意外,就停止了
解缆下水的操作,让快艇先过去。假使这两条船,一条横着,另一条用极高
的速度冲过去,快艇一定会被撞沉的。
工人们停止了锺击。所有的眼睛全都注视着这只华丽的船,船上的白色
篷帆在斜阳下像镀了金一样。快艇很快就出现在船坞的正前面。船坞上成千
的人都出神地看着它。突然听到一声惊呼,“特拉波科罗”号正当快艇的右
舷对着它的时候,开始摇摆着滑下去了。两条船就要相撞了!已经没有时间、
没有方法能够防止这场惨祸了。“特拉波科罗”号很快地斜着向下面滑去⋯⋯
船头上卷起了因摩擦而起的白雾,船尾已经没入了水。
突然出现了一个人,他抓住“特拉波科罗”号前部的缆索,用力地拉,
几乎把身子弯得接近了地面。不到一分钟,他已经把缆索绕在钉在地里的铁
桩上。他冒着被摔死的危险,用超人的气力,用手拉住缆索大约有10秒钟。
最后,缆索断了。可是这10秒时间已经很足够:“特拉波科罗”号进水以后,
只轻轻擦了一下快艇,就向前驶了开去!
快艇脱了险。
下面我们用数学的方法来分析一下“特拉波科罗”号事件:
公元1748年,瑞士数学家欧拉(Euler,1707~1783)在他的传世之作
《无穷小分析引论》中研究了滚轮摩擦的问题(如左图)。欧拉发现:对于
一个很小的转角△a,绳子的张力差的量值△T与 T及△a成正比。即
△ △αT µ
写成等式为△T=-kT△α
式中k为摩擦系数,负号是因为问题中张力的值是减少的。
其中T=T0e-ka
这就是著名的欧拉滚轮摩擦公式。
现在转到故事中来。假定“特拉波科罗”号船体重50吨,船台坡度为1:
10,那么船的下滑力约为5吨,即 5000公斤;又假设马蒂夫来得及把缆绳在
铁桩上绕了三圈,即
a=2π×3=6π;
而绳索与铁桩之间的摩擦系数k=0. 33。
把上述数值代入欧拉公式,便可得到马蒂夫拉住绳子另一头所需要的气
力T(公斤)为:
T=5000×e-0.33×6π
T的值是很容易用对数的方法求出来的
lgT=lg5000-0.33×6×3×3.1416lge
=3.6990-0.33×6×3.1416×0.4343
=0.9975
T=9.943(公斤)
这就是说,儒勒·凡尔纳笔下那位力挽狂澜的“大力士”。实际上所用
的力气不足10公斤。这是连一个少年都能做得到的!
变量中的常量
众所周知,目前的银行存款中,存8年期的利率,往往比存1年期或存
3年期的利率高。读者可能以为这仅仅是为了鼓励人们去存较长期限的储
蓄。实际上这是本该如此的!因为倘若存长期的利率没有比存短期的利率高
出一定限度,那么甚至于存短期的储蓄对储户更加合算!
为说明上述的道理,我们假定所有存款的年利率均为12.5%。让我们看
一看究竟会出现什么毛病!
假设某甲,持本金100元存入银行,一存 8年,容易算出,8年后他连
本带利恰好取回200元。
又设某乙,也持本金100元存入银行,存 4年;4年后取出,旋即又将
本利再次存入,又存4年。容易算出,头尾8年某乙连本带利共可收回
a 2 2100 1
1
2
225= + =× 元( ) ( )
瞧!某乙把一次8年期的存款,分为两次4年期存。本身只多办一道手
续,结果竟多得了25元,这相当于本金的四分之一,可算是一笔不少的钱数!
再设某丙、某丁、某戊,把8年的期限分得更细,分别等分成3次存、4
次存和5次存。每次取出后又立即将款全数存入。这样,头尾8年,各人分
别得款(单位元):
a
a
a
3
3
4
4
5
5
100 1
1
3
237 04
100 1
1
4
24414
100 1
1
5
24883
= + =
= + =
= + =
×
×
×
( ) .
( ) .
( ) .
同样,某N,也有本金 100元,但把 8年期限等分成 n次存,每次取出
后再度存入,则8年后可得(单位元):
a
nn
n= +100 1
1
×( )
可以证明,当分划期限越短时,到期本利和越高。不过,当n无限增大
时,变量an也不可能无限增大,它以一个常量为极限,这个常量为:
α α
×
=
= +
= =
®¥
®¥
lim
lim[ ( ) ]
.
n
n
n
n
n
e
100 1
1
100 27183
这就是说,如果存1年期的利率为12.5%,那么存8年期的年利率就必
须不低于
P
a
=
-
=
-
=100
1
8
2 7183 1
8
2148%
.
.
否则便会出现一种混乱的局面:储户为了谋求较高的利息,不惜花时间
频繁地取出又存进!
变量中的常量,往往具有深刻的意义!
在柯尔詹姆斯基的《趣味数学》中,有一则关于旅行的别致故事:
甲、乙两人骑自行车旅行,某甲中途车坏,只好停下来修理,但最后因
无法修复而决定舍弃坏车,继续前进。然而,此时两人只有一车,于是约定:
一人骑车,一人步行。骑车的人到某一地方把车留下,改为步行;而后面步
行的人,起到留车的地方换成骑车。骑一段时间后又改成步行,把车留给后
者。如此这般,两人轮流骑车。问从某甲车坏时起,最少需要花多长时间,
两人才能同时抵达目的地?假定车坏处(O)与目的地(E)之间的距离为60
公里,自行车速度为15公里/小时,步行速度为5公里/小时。
下面让我们通过作图来探讨一下可能的解答:
以O为原点,时间为X轴,距离为Y轴,建立坐标系 XOY,由于人步行
的速度和自行车速度都是变化过程中的常量,因此它们分别表现为坐标系
XOY中的射线OC和OD。
如上页图(A),令 E1、E2分别为甲、乙两人车坏后第一次和第二次相
遇的地点。此时,某甲先是步行到A1,然后骑车经过E1抵达A2,又改成步行
到E2;而某乙则先骑车到B1,然后由B1步行经E1到达B2,又改成骑车抵E2;
当然,在E2相遇后各人依然继续前行。由于车速和人速始终保持不变,所以
表示骑车或表示步行的线段,应当各自平行。即四边形 OA1E1B1及 E1B2E2A2
均为平行四边形。又注意到甲改步行为骑车,与乙改骑车为步行,位于同一
地点。因此线段A1B1及 A2B2等都平行于 X轴。假定两次换车的地点距 O处
分别为y1,y2公里。则因射线OC、OD的方程为
OC: y=5X
OD: y=15x
可得A、B两点的坐标如下:
A
y
y B
y
y( , ); ( , )1 1
1
15 15
从而E1点坐标(xE1,yE1)为:
x x x
y y
y
y y y y
y
x
y
y
y x
E A B
E A B
E
E
E E
1
1 1
1
1 1
1
1
1
1
1 1
5 15
4
15
2
2
4
15
15
2
15
2
= + = + =
= + =
ì
í
ï
îï
= =
\ =
Q
( )
这表明 点