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數(shù)學(xué)思想與數(shù)學(xué)文化第二講數(shù)學(xué)概觀第1頁,共25頁,2023年,2月20日,星期六內(nèi)容一.前言二.數(shù)學(xué)科學(xué)的內(nèi)容三.數(shù)學(xué)進展的大致概況四.數(shù)學(xué)學(xué)科的特點五.數(shù)學(xué)家的思維六.數(shù)學(xué)家介紹(華羅庚、陳省身)第2頁,共25頁,2023年,2月20日,星期六一.前言被后人稱為“數(shù)學(xué)王子”的德國大數(shù)學(xué)家高斯(Gauss,1777-1855)曾說過:“數(shù)學(xué)是科學(xué)之王,數(shù)論是數(shù)學(xué)之王,它常常屈尊去為天文學(xué)和其他自然科學(xué)效勞,但在所有的關(guān)系中,它都堪稱第一.”隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,數(shù)學(xué)的地位也日益提高,這是因為當今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個重要特點是高度的、全面的定量化.定量化實際上就是數(shù)學(xué)化.因此,人們把數(shù)學(xué)看成是與自然科學(xué)、社會科學(xué)并列的一門科學(xué),叫數(shù)學(xué)科學(xué).第3頁,共25頁,2023年,2月20日,星期六二.數(shù)學(xué)科學(xué)的內(nèi)容☆數(shù)學(xué)科學(xué)按其內(nèi)容可分成五個大學(xué)科:1)純粹(基礎(chǔ))數(shù)學(xué)(Puremathematics)2)應(yīng)用數(shù)學(xué)(Appliedmathematics)3)計算數(shù)學(xué)(Computationalmathematics)4)運籌與控制(Operationalresearchandcontrol)5)概率論與數(shù)理統(tǒng)計(Probabilityandmathematicalstatistics)第4頁,共25頁,2023年,2月20日,星期六三.數(shù)學(xué)進展的大致概況數(shù)學(xué)發(fā)展的歷史非常悠久,大約在一萬年以前,人類從生產(chǎn)實踐中就逐漸形成了“數(shù)”與“形”的概念,但真正形成數(shù)學(xué)理論還是從古希臘人開始的.公元300多年以前,希臘數(shù)學(xué)家歐幾里德(Euclid,公元前330-前275)寫了《幾何原本》一書,這是自古以來所有科學(xué)著作中發(fā)行量最廣、沿用時間最長的巨著.兩千多年來,數(shù)學(xué)的發(fā)展大體可以分為三個階段:17世紀以前是數(shù)學(xué)發(fā)展的初級階段,其內(nèi)容主要是常量數(shù)學(xué),如初等幾何、初等代數(shù)、;從文藝復(fù)興時期開始,數(shù)學(xué)發(fā)展進入第二個階段,即變量數(shù)學(xué)階段,產(chǎn)生了微積分、解析幾何、高等代數(shù);從19世紀開始,數(shù)學(xué)獲得了巨大的發(fā)展,形成了近代數(shù)學(xué)階段,產(chǎn)生了實變函數(shù)、泛函分析、非歐幾何、拓撲學(xué)、近世代數(shù)、計算數(shù)學(xué)、數(shù)理邏輯等新的數(shù)學(xué)分支.第5頁,共25頁,2023年,2月20日,星期六初等數(shù)學(xué)階段進代數(shù)學(xué)階段現(xiàn)代數(shù)學(xué)階段時間17世紀前17---18世紀19世紀---對特象點數(shù)→常量形→簡單圖形變量曲線(形與數(shù)統(tǒng)一)曲面集合、空間構(gòu)件、流形(以集合和映射為工具)代表課程初等代數(shù)立體幾何數(shù)學(xué)分析、高等代數(shù)、解析幾何(老三樣)泛函分析、近世代數(shù)、拓撲學(xué)(新三樣)第6頁,共25頁,2023年,2月20日,星期六近半個多世紀以來,現(xiàn)代自然科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展,正在改變著傳統(tǒng)的學(xué)科分類與科學(xué)研究的方法.“數(shù)、理、化、天、地、生”這些曾經(jīng)以縱向發(fā)展為主的基礎(chǔ)學(xué)科與日新月異的技術(shù)相結(jié)合,使用數(shù)值、解析和圖形并舉的方法,推出了橫跨多種學(xué)科門類的新興領(lǐng)域,在數(shù)學(xué)科學(xué)內(nèi)也產(chǎn)生了新的研究領(lǐng)域和方法,如混沌(Chaos)、分形幾何(Fractalgeometry)、小波分析(Wavelettransform)等.可以這樣說,數(shù)學(xué)發(fā)展至今,已經(jīng)擁有100多個分支的科學(xué)體系,盡管如此,數(shù)學(xué)科學(xué)的核心領(lǐng)域還是:---代數(shù)學(xué)―――研究數(shù)的理論;---幾何學(xué)―――研究形的理論;---分析學(xué)―――溝通形與數(shù)且涉及極限運算的部分.第7頁,共25頁,2023年,2月20日,星期六總結(jié)數(shù)學(xué)發(fā)展到現(xiàn)在,已經(jīng)成為科學(xué)世界中擁有100多個主要分支學(xué)科的龐大的“共和國”。大體說來,數(shù)學(xué)中研究數(shù)的部分屬于代數(shù)學(xué)的范疇;研究形的部分,屬于幾何學(xué)的范籌;溝通形與數(shù)且涉及極限運算的部分,屬于分析學(xué)的范圍。這三大類數(shù)學(xué)構(gòu)成了整個數(shù)學(xué)的本體與核心。在這一核心的周圍,由于數(shù)學(xué)通過數(shù)與形這兩個概念,與其它科學(xué)互相滲透,而出現(xiàn)了許多邊緣學(xué)科和交叉學(xué)科。第8頁,共25頁,2023年,2月20日,星期六四.數(shù)學(xué)學(xué)科的特點1.抽象性2.精確性3.應(yīng)用的廣泛性第9頁,共25頁,2023年,2月20日,星期六1.抽象性數(shù)學(xué)研究的“形”和“數(shù)”與現(xiàn)實世界中的物質(zhì)內(nèi)涵沒有直接聯(lián)系。全部數(shù)學(xué)概念都具有抽象性。但都有非常現(xiàn)實的背景。數(shù)學(xué)抽象的特點在于:I.在數(shù)學(xué)抽象中保留了量的關(guān)系和空間形式而舍棄了其他;II.數(shù)學(xué)的抽象是一級一級逐步提高的,它們所達到的抽象程度大大超過了其他學(xué)科中的一般抽象;III.數(shù)學(xué)本身幾乎完全周旋于抽象概念和它們相互關(guān)系的圈子之中.第10頁,共25頁,2023年,2月20日,星期六2.精確性數(shù)學(xué)的精確性表現(xiàn)在數(shù)學(xué)定義的準確性,推理和計算的邏輯嚴格性以及數(shù)學(xué)結(jié)論的確定無疑與無可爭辯性。數(shù)學(xué)中的嚴謹推理和一絲不茍的計算,使得每個數(shù)學(xué)結(jié)論都是牢固的、不可動搖的。這種思想方法不僅培養(yǎng)了科學(xué)家,而且它也有助于提高人的科學(xué)文化素質(zhì),它是全人類共有的精神財富。數(shù)學(xué)理論的嚴密性就要求學(xué)數(shù)學(xué)的人在學(xué)習(xí)的過程中,不僅要做習(xí)題,掌握解題方法,而且要重視和學(xué)會證明結(jié)論的思想和技巧,理解數(shù)學(xué)問題背后的精神、方法。第11頁,共25頁,2023年,2月20日,星期六3.應(yīng)用的廣泛性1959年5月,著名數(shù)學(xué)家華羅庚教授在人民日報上發(fā)表了《大哉數(shù)學(xué)之為用》的文章,精辟的敘述了數(shù)學(xué)的各種運用:“宇宙之大,粒子之微,火箭之速,化工之巧,地球之變,生物之謎,日用之繁等各方面,無處不有數(shù)學(xué)的貢獻?!狈彩浅霈F(xiàn)“量”的地方就少不了用數(shù)學(xué),研究量的關(guān)系,量的變化關(guān)系,量的關(guān)系的變化等現(xiàn)象都少不了數(shù)學(xué),數(shù)學(xué)之為用貫穿到一切科學(xué)部門的深處,而成為它們的得力助手與工具,缺少了它就不能準確刻畫出客觀事物的變化,更不能由已知數(shù)據(jù)推出其他數(shù)據(jù),因而就減少了科學(xué)預(yù)見的準確性。例子:---飛機制造---沙漠風(fēng)暴與數(shù)學(xué)戰(zhàn)---通訊技術(shù)第12頁,共25頁,2023年,2月20日,星期六五.數(shù)學(xué)家的思維數(shù)學(xué)家的思維特點取決于數(shù)學(xué)的特點.數(shù)學(xué)家的思維特點歸納起來就是思維的嚴謹性、思維的抽象性(廣闊性)、思維的靈活性及思維的批判性.此外,還有數(shù)學(xué)家的直覺和想象、美感和審美能力.還要特別強調(diào)數(shù)學(xué)家的拼搏精神和奉獻精神,他們?yōu)榱税l(fā)展數(shù)學(xué),廢寢忘食、勤奮鉆研,甚至忘記了自我.數(shù)學(xué)家對數(shù)學(xué)之所以如此執(zhí)著、甚至癡迷,是因為他們喜愛數(shù)學(xué),不斷地用數(shù)學(xué)中的“美”來陶冶自己.數(shù)學(xué)是一個生機勃勃的科學(xué),有無數(shù)未解決的問題,有許多形形色色的未開墾的處女地,等待有想象力、有創(chuàng)新精神和堅忍不拔毅力的學(xué)者去征服!第13頁,共25頁,2023年,2月20日,星期六六.數(shù)學(xué)家介紹(華羅庚、陳省身)1.華羅庚(1910---1985)-------《初中文憑,獨步中華》第14頁,共25頁,2023年,2月20日,星期六華羅庚,1910年11月12日出生于江蘇金壇縣。父親以開雜貨鋪為生。他幼時愛動腦筋,因思考問題過于專心常被同伴們戲稱為“羅呆子”。他進入金壇縣立初中后,其數(shù)學(xué)才能被老師王維克發(fā)現(xiàn),并盡心盡力予以培養(yǎng)。初中畢業(yè)后,華羅庚曾入上海中華職業(yè)學(xué)校就讀,因拿不出學(xué)費而中途退學(xué),故一生只有初中畢業(yè)文憑。此后,他開始頑強自學(xué),每天達10個小時以上。他用5年時間學(xué)完了高中和大學(xué)低年級的全部數(shù)學(xué)課程。1928年,他不幸染上傷寒病,雖挽回性命,卻落下左腿殘疾。20歲時,他以一篇論文轟動數(shù)學(xué)界,被清華大學(xué)(算學(xué)系主任熊慶來)破例于1931年請去任數(shù)學(xué)系助理員。第15頁,共25頁,2023年,2月20日,星期六
從1931年起,華在清華大學(xué)邊工作邊學(xué)習(xí),用一年半時間學(xué)完了數(shù)學(xué)系全部課程。他自學(xué)了英、法、德文,在國外雜志上發(fā)表了3篇論文后,被破格任用為助教。1936年夏,華羅庚被保送到英國劍橋大學(xué)進修,與著名數(shù)學(xué)家相互切磋,兩年中發(fā)表了10多篇論文,引起國際數(shù)學(xué)界贊賞。1938年,在抗日的烽火中,華毅然回國,在西南聯(lián)大任教。在昆明郊外一間牛棚似的小閣樓里,他艱難地寫出名著《堆壘素數(shù)論》。1946年3月,他應(yīng)邀訪問蘇聯(lián),回國后不顧反動當局的限制,在昆明為青年作“訪蘇三月記”的報告。1946年9月,華羅庚應(yīng)紐約普林斯頓大學(xué)邀請去美國講學(xué),并于1948年被美國伊利諾依大學(xué)聘為終身教授。第16頁,共25頁,2023年,2月20日,星期六1949年10月1日中華人民共和國成立,華羅庚毅然放棄伊力諾依大學(xué)的優(yōu)裕生活攜全家返回祖國。在歸國途中發(fā)表了《致中國全體留美學(xué)生的公開信》,他在信中深情地說:“梁園雖好,非久居之鄉(xiāng),歸去來兮!”1950年3月,他到達北京,隨后擔任了清華大學(xué)數(shù)學(xué)系主任、中科院數(shù)學(xué)所所長等職。50年代,他在百花齊放、百家爭鳴的學(xué)術(shù)空氣下著述頗豐,還發(fā)現(xiàn)和培養(yǎng)了王元、陳景潤等數(shù)學(xué)人才。1956年,他著手籌建中科院計算數(shù)學(xué)研究所。1958年,他擔任中國科技大學(xué)副校長兼數(shù)學(xué)系主任。從1960年起,華羅庚開始在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣統(tǒng)籌法和優(yōu)選法,足跡遍及27個省自治區(qū)直轄市,創(chuàng)造了巨大的物質(zhì)財富和經(jīng)濟效益。1978年3月,他被任命為中科院副院長并于翌年入黨。第17頁,共25頁,2023年,2月20日,星期六晚年的華羅庚不顧年老體衰,仍然奔波在建設(shè)第一線。他還多次應(yīng)邀赴歐美及香港地區(qū)講學(xué),先后被法國南錫大學(xué)、美國伊利諾依大學(xué)、香港中文大學(xué)授予榮譽博士學(xué)位,還于1984年以全票當選為美國科學(xué)院外籍院士。1985年6月12日,他在日本東京作學(xué)術(shù)報告時,因心臟病突發(fā)不幸逝世,享年74歲。華羅庚初中學(xué)歷,自學(xué)成才,經(jīng)過艱苦的努力成為國際公認的世界級大數(shù)學(xué)家,在他研究的數(shù)論、代數(shù)、矩陣幾何學(xué)、多復(fù)變函數(shù)論、調(diào)和分析與應(yīng)用數(shù)學(xué)的眾多領(lǐng)域中,都有以他的名字命名的定理與方法。華羅庚為中國和世界的數(shù)學(xué)事業(yè)作出了巨大貢獻。第18頁,共25頁,2023年,2月20日,星期六華羅庚的名言---聰明在于學(xué)習(xí),天才在于積累。---埋頭苦干是第一,熟練生出百巧來,勤能補拙是良訓(xùn),一份辛勤一份才。---人做了書的奴隸,便把活人帶死了。把書作為人的工具,則書本上的知識便活了,有生命了。第19頁,共25頁,2023年,2月20日,星期六2.陳省身(1911-2004)第20頁,共25頁,2023年,2月20日,星期六1911年10月26日生于浙江嘉興.少年時就喜愛數(shù)學(xué),覺得數(shù)學(xué)既有趣又較容易,并且喜歡獨立思考,自主發(fā)展,常?!白约褐鲃尤タ磿皇抢蠋熤付ㄊ裁磪⒖紩湃タ础保?927年進入南開大學(xué)數(shù)學(xué)系,該系的姜立夫教授對陳省身影響很大.在南開大學(xué)學(xué)習(xí)期間,他還為姜立夫當助教.1930年畢業(yè)于南開大學(xué),1931年考入清華大學(xué)研究院,成為中國國內(nèi)最早的數(shù)學(xué)研究生之一.在孫光遠博士指導(dǎo)下,發(fā)表了第—篇研究論文,內(nèi)容是關(guān)于射影微分幾何的.1932年4月應(yīng)邀來華講學(xué)的漢堡大學(xué)教授布拉??藢﹃愂∩碛绊懸膊恍。顾_定了以微分幾何為以后的研究方向.1934年,他畢業(yè)于清華大學(xué)研究院,同年,得到漢堡大學(xué)的獎學(xué)金,赴布拉??怂诘臐h堡大學(xué)數(shù)學(xué)系留學(xué).在布拉希克研究室他完成了博士論文,研究的是嘉當方法在微分幾何中的應(yīng)用.第21頁,共25頁,2023年,2月20日,星期六1936年獲得博士學(xué)位.從漢堡大學(xué)畢業(yè)之后,他來到巴黎.1936年至1937年間在法國幾何學(xué)大師E·嘉當那里從事研究.E·嘉當每兩個星期約陳省身去他家里談一次,每次一小時.“聽君一席話,勝讀十年書.”大師面對面的指導(dǎo),使陳省身學(xué)到了老師的數(shù)學(xué)語言及思維方式,終身受益.陳省身數(shù)十年后回憶這段緊張而愉快的時光時說,“年輕人做學(xué)問應(yīng)該去找這方面最好的人”.陳省身先后擔任我國西南聯(lián)大教授,美國普林斯頓高等研究所研究員,芝加哥大學(xué)、伯克利加州大學(xué)終身教授等,是美國國家數(shù)學(xué)研究所、南開大學(xué)數(shù)學(xué)研究所的創(chuàng)始所長.陳省身的數(shù)學(xué)工作范圍極廣,包括微分幾何、拓撲學(xué)、微分方程、代數(shù)、幾何、李群和幾何學(xué)等多方面.第22頁,共25頁,2023年,2月20日,星期六他是創(chuàng)立現(xiàn)代微分幾何學(xué)的大師.早在40年代,他結(jié)合微分幾何與拓撲學(xué)的方法,完成了黎曼流形的高斯—博內(nèi)一般形式和埃爾米特流形的示性類論.他首次應(yīng)用纖維叢概念于微分幾何的研究,引進了后來通稱的陳氏示性類(簡稱陳類).為大范圍微分幾何提供了不可缺少的工具.他引進的一些概念、方法和工具,已遠遠超過微分幾何與拓撲學(xué)的范圍,成為整個現(xiàn)代數(shù)學(xué)中的重要組成部分。陳省身還是一位杰出的教育家,他培養(yǎng)了大批優(yōu)秀的博士生.他本人也獲得了許多榮譽和獎勵,例如1975年獲美國總統(tǒng)頒發(fā)的美國國家科學(xué)獎,1983年獲美國數(shù)學(xué)會“全體成就”靳蒂爾獎,1984年獲沃爾夫獎.中國數(shù)學(xué)會在1985年通過決議.設(shè)立陳省身數(shù)學(xué)獎.被國際數(shù)學(xué)界尊為“微分幾何之父”.韋伊曾說,“我相信未來的微分幾何學(xué)史一定會認為他是嘉當?shù)睦^承人”。第23頁,共25頁,2023年,2月20日,星期六菲爾茲獎(1983年)得主、華人數(shù)學(xué)家丘成桐這樣評價他的老師:“陳省身是世界上領(lǐng)先的數(shù)學(xué)家……沒有什么障礙可以阻止一個中國人成為世界級的數(shù)學(xué)家.”
2004年11月2日,經(jīng)國際天文學(xué)聯(lián)合會下屬的小天
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