數學

斐波那契(Fibonacci)及其兔子

斐波那契及其兔子 (Fibonacci and his rabbits)
臺北市教育大學數學與資訊學系蘇意雯助理教授/國立臺灣師範大學數學系洪萬生教授責任編輯

本文介紹斐波那契(Leonardo Bonacci) 的生平及其著作,希望讀者得以理解他的《計算書》之創作背景。

一般人(包括科普作者)提及斐波那契時,都會引述以他的名字命名的數列 $$1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34,…$$ 如何與兔子繁殖相關。不過,他的數學著作內容與名字之來源,恐怕就很少人留意。現在,我們就先澄清這兩個問題。

首先,科普作家當然都會提及斐波那契在1202年出版的名著《計算書》(Liber abbci)。然而,這本書一直都被誤解為討論算盤的書籍。這可能是因為它的拉丁文名銜 Liber abbci 直譯成英文,就是“Book on Abacus”,從而譯成中文,就成了不折不扣的「算盤書」了。

費馬最後定理(Fermat’s Last Theorem)

費馬最後定理(Fermat’s Last Theorem)
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

費馬最後定理是一個響叮噹的名字,本文提供一個簡要的故事版本,希望有助於理解此一定理的解決過程之歷史意義。

費馬最後定理當然跟費馬有關,請先看費馬的故事。

費馬(Pierre de Fermat, 1601-1665)是數學史上公認最偉大的業餘數學家。他年輕時他就讀法學院,後來擔任法國城市土魯斯(Toulouse)的市議員。隨著經歷與職位的提升,最後成為土魯斯刑事法庭的成員。作為一位法官,費馬被大家認為頭腦清楚,但時常心不在焉。

從上述這個有關費馬生涯的片段,完全看不出為何直至今日我們仍會紀念他與談論他。我們會這麼做的理由,當然與他生命的另一面向有關。在費馬人生的某一時間點,或許是他在波爾多(Bordeaux)就讀大學的時候,他發現了數學,而這個發現成為他寄託終生的熱情所在。

皮亞諾公設(Peano axiom)

皮亞諾公設(Peano axiom)
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

自然數的皮亞諾公設是數系的發展基礎,它簡要地說明了數學是一種基於公設的邏輯結構。

自然數的理論基礎,是數系發展的邏輯起點,對於十九世紀開始大力追求分析學嚴密化的數學家而言,當然至為重要。不過,這有賴於集合理論的系統性發展以及對於基數(cardinal number) 概念的進一步澄清,而這些都必須等到十九世紀後期康托爾 (Georg Cantor) 的相關研究之後,才開始萌芽。

邏輯循環謬誤(On Circular fallacy)

邏輯循環謬誤(On Circular fallacy)
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

有關邏輯的循環謬誤出現在非常基本的命題論證,本文提供了一般人視為理所當然的例子,供教師參考與借鑑。

美國加州公立數學課程綱要K-12的「論理嚴密」,一向廣受國內數學家推崇:因為他們指出:「數學的最重要目標,是教授學生邏輯推論。隱含在數學學習中的邏輯推理,允許我們將數學應用到很大範圍的情境上,其中有關實際問題的解答可以達到精確的程度。上了八年級以後,學生的數學敏銳度應該強化。他(她)們需要開始理解邏輯的奧妙,並體會到下結論之前實質有效的論證之需求。數學推理與概念理解不應與內容分離;它們是內稟(intrinsic) 於學生在更高層次精通的數學分科之中。」

無限與集合論(The infinite and set theory)

無限與集合論(The infinite and set theory)
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

集合論不只是集合的簡單運算而已,康托爾的創立此一理論之初衷,是想要藉此探索無限作為一個物件的特性。

「無限」可以區分大小等級,這是幾乎不可能想像得到的事物,因為這預設了無限可以視同為一種數學物件(mathematical object)。然而,數學史上如高斯這樣偉大的數學家都曾經只能將無限視為一種過程(process),無怪乎利用集合來表徵無限集體的康托爾(Georg Cantor),會在十九世紀下半葉,遭受到數學界那麼巨大的反撲!

事實上,無限作為一個不會結束的過程之想法,很久以來一直是個有用的數學工具。古希臘人據以處理不可公度的量以及求曲線形面積的「窮盡法」,乃至於微積分基礎概念-極限-的底層憑藉,都離不開無限的概念。然而,處理物件的無限集體,則是相當新穎的數學活動。

數學家傳記及其教學之反思(On biography of mathematicians and its use in classroom)

數學家傳記及其教學之反思(On biography of mathematicians and its use in classroom)
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

 數學家傳記是很好的數學教學題材,本文針對教材選擇與教學策略,提供一些初步的建議。

一般而言,專業數學史家出版學術性的數學家傳記,都不是為了普及的目的。不過,目前倒是有頗多的數學家傳記,卻是由科普作家所出版,其創作關懷值得我們推薦。

就出版記錄來看,Eric T. Bell似乎最早使用數學家傳記作為一種(普及)策略,特別是生動的軼事,以方便引介這些數學家的發現成果給社會大眾,他的《大數學家》(Men of Mathematics),儘管不無誇張渲染或扭曲史實,仍然吸引頗多讀者的注意。

非歐幾何(Non-Euclidean geometry)

非歐幾何(Non-Euclidean 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

本文簡要說明非歐幾何的歷史發展,及其與《幾何原本》第五設準之關連。 

歐幾里得對平面幾何的系統化處理實在相當完備,以致於經過兩千年以上的時間,吾人才得以揭開一層蓋在歐氏幾何中心地帶的神秘面紗。而此一揭示,就導出了非歐幾何學,繼而對於所謂的「真實幾何」帶來了革命性的衝擊,永遠改變我們的數學真理信仰。

整個故事要從歐幾里得的第五設準說起:「一條直線與另外兩條直線相交,若某一側的兩個內角和小於兩直角,則這兩條直線不斷延長後在這一側相交。」

歐幾里得《幾何原本》的設準與公理(Postulates and common notions in Euclid’s Elements)

歐幾里得《幾何原本》的設準與公理(Postulates and common notions in Euclid’s Elements)
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

設準與公理之別已經不見於今日數學,不過,釐清它們將可大大地幫助我們進入歐幾里得的幾何世界之中。 

現代數學的公設主義源自古希臘歐幾里得的《幾何原本》。因此,吾人若有意體會數學公設系統之精神,那麼,好好地研讀這一本流傳僅次於《聖經》的經典作品,向歐幾里得大師學習,的確是不二法門。

《幾何原本》以下列五個設準(postulate)作為基礎:設定下面敘述成為準則:

  1. 從任何一點到任何一點可畫一直線。
  2. 且一條有限直線可以持續地延長。
  3. 且以任意點為圓心及任意距離可以畫圓。
  4. 且凡直角都相等。
  5. 且如果一條直線與另兩條直線相交,若同一側的兩個內角和小於兩直角,則這兩條直線不斷延長後(if produced indefinitely),會在內角小於兩直角的那一側相交。
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