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主题:概念论文写作 时间:2024-03-19

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16、17世纪之交,自然科学(特别是天文学)的研究中经常遇到大量精密而庞大的数值计算,改进数字计算方法成为当务之急,对数的发明“以缩短计算时间的方式延长了天文学家的寿命”(法国数学家拉普拉斯语),因而成了“17世纪数学的三大成就”(恩格斯语)之一(另两项分别为解析几何的发明和微积分的发明).了解对数概念的发生、发展历史,关键是感悟其中所蕴含的原创的数学思想,

一、对数发明过程中的关键事件

1.概念的萌芽

苏格兰数学家纳皮尔(J.Napier,1550~1617)在天文学研究中,为了寻求球面三角计算的简便方法,利用与质点运动有关的几何方法构造出对数,其核心思想表现为算术数列与几何数列(即等差数列与等比数列)之间的对应——由于该几何方法具有较强的技巧性,此处略去具体内容.

现在我们已经无法知道纳皮尔开始时是如何想到这一发明的,一种普遍的猜测是:由于他精通三角学,对积化和差公式cosA cosB等于1/2[cos(A +B) +cos(A-B)]非常熟悉.两个三角函数的乘积用其他三角函数的和、差表示出来,而加减运算比乘除运算简单得多,这种积化和差公式提供了原始的运算优化方法,或许就是这种三角恒等式激发了纳皮尔的灵感.

1614年,纳皮尔在《论述对数的奇迹》中阐述了对数原理,后人将其称为纳皮尔对数,记为Nap.log x,它与我们现在熟知的自然对数的关系为Nap.log x等于In(107/x)/ln(1-10-7).当x→0时In(1-x)≈z,故In(1-10-7)≈10-7,Nap.log x≈lO-7ln (107/x)

2.概念的完善

英国数学家布里格斯(H.Briggs,1561~16 31)感到纳皮尔对数使用起来不方便,于是与纳皮尔商定,使1的对数为0,10的对数为1,这样就得到了我们现在熟知的常用对数,它在十进制的数值计算上具有极大的优越性.1624年,布里格斯出版了《对数算术》,公布了以10为底、包含1~20000及90000~100000的14位常用对数表.

17世纪的国际贸易空前发展,这就涉及大量的资金结算,典型的问题就是计算复利.比如本金P、年利率为r、一年结算n次(可以分别按1年、半年、1月、1周、1日结算一次),则1年后的本利和(按照复利计算)为s等于P(1+r/n)n.为了简便起见,取P 等于1,r等于1,则需要计算(1+1/n)n的值.随着n的增加,(1+1/n)”的值在增加,但是对结果的影响越来越小,记lim(1+1/n)n等于e.现在已经无法知道,第一次使用e来表示lim(1+1/n)”的确切时间,最迟在1618年英国数学家爱德华·赖特(Edward Wright,1560~1615)在纳皮尔的《论述对数的奇迹》翻译版中就已经出现了.

自然对数的发现则跟圆锥曲线的求面积问题相关,虽然在古希腊时期阿基米德等人就已经会计算抛物线弓形的面积,但直到17世纪费马的时代,才有了圆锥曲线求面积问题一般公式,只有双曲线y等于1/x除外.考虑y等于1/x与直线x等于a,x等于b(a

3.概念的统一

现行高中数学教材是以指数的逆运算来定义对数的——准确地说,是以乘方(底数的指数次方等于幂)的求指数(相对于求底数)的逆运算来定义对数(相对于开方)的.事实上,纳皮尔讨论对数概念时尚无分数、无理数指数幂的概念,直到1637年笛卡儿才开始用符号a”表述正整数指数幂,直到18世纪初牛顿才将幂ax中的指数x推广到任意实数.后来,欧拉发现了指数与对数的互逆关系,并用指数的逆运算来定义对数,由于从逻辑上说指数概念更容易为人们所理解,因而欧拉关于对数的这种见解很快被人们所接受并流传至今.

对数概念的萌芽(纳皮尔对数)、完善(常用对数)、统一(指数的逆运算)正是一个数学概念由技巧到通法、从特殊到一般不断抽象的完整过程.

二、对数思想与高考题思路

对数发明时的原始思想是将乘、除运算简化为加、减运算,尤其是在“大数”的乘除运算中,这种思想的重要价值就体现出来了.

三、对数概念的广泛应用

就增长速度而言,指数函数最快(指数爆炸)、冪函数其次、对数函数最慢.如果增长太快,就要慢下来,对数的这项功能在地震震级的表示、视力的测量(标准对数视力表)等实际问题中都有广泛的应用,而对信息进行度量(量化)则是对数概念在信息时代的新的重要贡献.

1948年,克劳德·香农创立了数学信息论,用“lOg2”来刻画信息量的概念,比如,如何定义一个古代烽火台传递的信息量呢?事实上,它传递两种信息:燃起烽火意味着敌人来(用1表示),不燃烽火则表示敌人没来(用0表示).在敌人来与不来的可能性一样的前提下,一个烽火台传递一个单位(比特)的信息量,数学上的表示就是log22等于1.如果东面、南面各设置了一个烽火台,这时的信息状态有(0,0)、(0,1)、(1,0)、(1,1)四种情况,其中第一个、第二个坐标分别表示东面、南面敌人来否的状态,这样四种状态传递的信息量为2比特,用数学符号表示就是log24等于2.于是,看不见、摸不着的信息就变得可以度量了.

香农还天才地分析了信息量的大小和该信息发生的概率有关,提出了信息熵的概念,如果一条信息有n(n>l,n∈N)种可能的情形(它们之间互不相容),且这些情形发生的概率分别为P1,p2,等,pn,则称H等于f(p1)+f(p2)+等+f(pn)(其中f(x)等于-log0x,x∈(0,1》为该条信息的信息熵.例如,为博美人一笑,有事无事天天燃烽火(概率大),那烽火台传递的信息量就小得多.

在对数的产生和发展的历史中,还有许多闪耀着人类智慧之光的创举,比如常用对数表的制作与三角函数表的制作相关,有兴趣的读者可以自己查阅资料.了解数学史,感悟数学概念发生发展的漫长过程中“火热的思考”,可以帮助我们站在更高的角度来看待相应知识,从而更深刻地理解数学.

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