數學

希爾伯特的《幾何學基礎》與形式主義(Formalism and David Hilbert’s Foundations of Geometry)

希爾伯特的《幾何學基礎》與形式主義(Formalism and David Hilbert’s Foundations of Geometry
國立臺灣師範大學數學系洪萬生教授/國立臺灣師範大學數學系洪萬生教授責任編輯

一般人若對於數學哲學流派中的形式主義(formalism)感興趣,那麼,最值得參考的經典文獻,莫過於希爾伯特(David Hilbert, 1862-1943)的《幾何學基礎》(The Foundations of Geometry)。這本書源自哥廷根大學 1898-1899年冬季班有關歐氏幾何課程的教材。

《筭數書》:超過兩千年的漢簡數學書(Suan Shu Shu: Han Bamboo Math Text over Two Thousand years)

《筭數書》:超過兩千年的漢簡數學書(Suan Shu Shu: Han Bamboo Math Text over Two Thousand years)
國立臺灣師範大學數學系洪萬生教授/國立臺灣師範大學數學系洪萬生教授責任編輯

目前在全世界的古代出土文物中,超過兩千年的數學文本可以說是鳳毛麟角。近二十年來,在中國發現的秦簡《數》與漢簡《筭數書》,就是極珍貴的例外,非常值得我們一起來分享這些世界文化遺產的價值與意義。在本文中,我們只介紹《筭數書》。

阿拉伯的數學(Arabic Mathematics)

阿拉伯的數學(Arabic Mathematics)
國立臺灣師範大學數學系洪萬生教授/國立臺灣師範大學數學系洪萬生教授責任編輯

在人類歷史中,阿拉伯人的數學發展,正如其他文明一樣,有其獨特的一面。不過,由於回教與基督教的長期衝突,使得由西方學者所主導的數學史研究中,對於阿拉伯數學始終很少給出應有的肯定與評價。因此,我們特別在此高瞻計畫中,簡介阿拉伯數學的成就及意義。希望經由此一文明窗口,讓我們一起欣賞異文化的數學意義與價值。 

如何閱讀祖沖之?(How to Read Zu Chongzhi?)

如何閱讀祖沖之?(How to Read Zu Chongzhi?)
國立臺灣師範大學數學系洪萬生教授/國立臺灣師範大學數學系洪萬生教授責任編輯

對於很多人來說,祖沖之並不是陌生的中國歷史人物,譬如說吧,在一些中國古代科學家的傳記書寫中,都一定可以找到他的故事,完全不需要我們在此狗尾續貂。

不過,敘說他的生平事蹟,並著重與他的數學成就比較相關的部份,乃至於他如何看待他自己的貢獻,從傳記書寫與閱讀的觀點來看,似乎還是值得一說再說。在此,我們打算「重建」有關他的歷史故事。其中,還要特別說明有關圓周率近似值「祖率」$$\frac{355}{113}$$(日本數學史家三上義夫所命名)之價值與意義。

虛數√-1的誕生-下(The Origin of Imaginary Number √-1)

虛數$$\sqrt{-1}$$的誕生-下(The Origin of Imaginary Number$$\sqrt{-1}$$)
台北市立第一女子中學數學科蘇俊鴻老師/國立臺灣師範大學數學系洪萬生教授責任編輯

連結:虛數√-1的誕生-上

在〈虛數 $$\sqrt{-1}$$ 的起源〉(上) 一文中,我們看到卡丹諾利用立方體來論證三次方程解法的正確性。在這樣的看法下,方程式的「根」代表著邊長。因此,需要開一個負數的平方根,代表著這個問題是無解,沒有實際意義的。

卡丹諾在處理二次方程時,便是這樣的想法。當他考慮將 $$10$$ 分成兩個數,且兩數乘積為 $$40$$ 的問題,即 $$x(10-x)=40\Rightarrow x^2+40=10x$$,就清楚地提到:「這種情形或問題是不可能的。」不過,他仍可用二次公式得到兩個解 $$5+\sqrt{-15}$$ 和 $$5-\sqrt{-15}$$。

同時,他也指出:我們若「能放下心中的折磨」,直接計算兩數的乘積,便能得到 $$25-(-15)=40$$,符合原來題設。他無法說出這件事的意義何在,只好利用「算術就是這麼精巧又不中用。」的說法來交待。因此,卡丹諾對於出現 $$x=\sqrt[3]{2+\sqrt{-121}}+\sqrt[3]{2-\sqrt{-121}}$$ 的現象,也是採取迴避的策略吧。

虛數√-1的誕生-上(The Origin of Imaginary Number √-1)

虛數$$\sqrt{-1}$$的誕生-上(The Origin of Imaginary Number$$\sqrt{-1}$$)
新北市中正國中數學科陳鳳珠老師/國立臺灣師範大學數學系洪萬生教授責任編輯

一般人都知道虛數 $$\sqrt{-1}$$ 是方程式 $$x^2+1=0$$ 的根,在合理的推論之下,虛數 $$\sqrt{-1}$$ 應該是誕生在二次方程的解法之中才是。如果你也這樣以為,那麼,數學史家的研究結果,絕對出乎你的意料之外!

在數學發展過程中,早期數學家面對方程式 $$x^2+1=0$$ 時,和我們現在的國中數學課本處理方式一樣,他們認為這樣的方程式是無解,當然,也就無須發明一個數,來表示方程式 $$x^2+1=0$$ 的根。不過,當我們回顧虛數 $$\sqrt{-1}$$ 誕生的故事時,便會認同數學史家的觀點,也就是說:虛數 $$\sqrt{-1}$$ 並非誕生在二次方程式的解法之中,而是在解三次方程時現身。

一次方程式解法

一次方程式解法
國立臺灣師範大學數學系洪萬生教授/國立臺灣師範大學數學系洪萬生教授責任編輯

目前在中學數學課程的一次方程式單元,都涉及數學應用到現實世界的問題。因此,當我們發現歷史上,幾乎學習過數學的每一個人,從埃及的書記到中國的官吏都曾經發展出這類問題的求解技巧時,就沒什麼好驚訝的!

這些求解實質上都採用算術進路(arithmetic approach),也就是,他們都運用了算術的想法,解決實質上是代數的方程式問題。不約而同地,古埃及和古中國數學家都利用了所謂的「虛位法」(method of false position),有所不同地,是古埃及使用「單設法」(method of single false position),而古中國則使用「雙設法」(method of double false position)。

0 的發明

0 的發明
國立臺灣師範大學數學系洪萬生教授/國立臺灣師範大學數學系洪萬生教授責任編輯

目前數學普及中譯書籍中有兩本與數目 0 有關:《從零開始》與《零的故事》。本文增補其中有關古代中國數學的相關內容。

在數學史上,$$0$$ 可以說是一個相當「年輕」的概念。對很多早期的人類文明來說,譬如古希臘哲學家畢達哥拉斯,數目(number)$$1$$ 並不是數目,而是萬事萬物的根本,頗有一點「道生一」的味道。這種認知並非僅限於哲學家而已,古希臘的歐幾里得 (Euclid) 也不例外,他在《幾何原本》中所定義的「自然數」(或整數,whole number),就是從 $$2$$ 開始的。

後來,$$1$$ 雖然也被納為自然數,但是,代表「全無」的 $$0$$ 概念,畢竟很難從代表「全有」的 $$1$$ 概念發展出來,希臘數學史就是最好的見證之一。平心而論,利用一個「有形的」實體(譬如「$$0$$」)去代表「沒有」或「空無」,的確是人類認知的一大躍進。

位值計數系統(Positional numeration system)

位值計數系統(Positional numeration system)
國立臺灣師範大學數學系洪萬生教授/國立臺灣師範大學數學系洪萬生教授責任編輯

本文介紹位值記數系統的意義。

所謂的位值計數系統,必需滿足下列的條件:

  1. 任何比 $$1$$ 大的自然數都可以用來當作基底 (base )。
  2. 對於所有小於基底的整數,需要有一組互異的對應符號(當然包括 $$0$$)。譬如在以 $$10$$ 為基底的十進位值記數系統中,顯然需要一組包括 $$0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8$$ 和 $$9$$ 等數碼符號。
  3. 乘法位值法則 ( multiplicative place- value principle ):被寫在特別位置的位數(digit)表徵了這個位數所代表的數目(number)與對應於該位數的位置之基底的乘冪之乘積。譬如,$$3152$$ 中的位數 $$5$$ 即是代表了 $$5$$ 與 $$10^2$$ 之乘積,因為 $$5$$ 是十位數,所以基底 $$10$$ 必須取 $$2$$ 乘冪。
  4. 加法法則 ( additive principle ):一個給定數碼所表徵的數目,即為 $$(3)$$ 之中所有乘積之總和。
  5. 延拓此一系統以包含分數的想法。
  6. 使用符號 (一個點或逗號) 來區別任一個數碼的整數部份與分數部份之想法。譬如 $$3+(1/10)$$ 可以表示為 $$3.1$$ 或 $$3,1$$。
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