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算术

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1835年儿童的算术表
1835年儿童的算术表

算术(英语:arithmetic)是数学最古老且最简单的一个分支,几乎被每个人使用着,从日常生活上简单的算数到高深的科学工商业计算都会用到。一般而言,算术这一词指的是记录数字某些运算基本性质的数学分支。常用的运算有加法减法乘法除法,有时候,更复杂的运算如指数平方根,也包括在算术运算的范畴内。算术运算要按照特定规则来进行。

自然数整数有理数(以分数的形式)和实数(以十进制指数的形式)的运算主要是在小学和中学的时候学习。用百分比形式进行运算也主要是在这个时候学习。然而,在成人中,很多人使用计算器计算机或者算盘来进行数学计算。

专业数学家有时会使用高等算术来指数论,但这不应该和初等算术相搞混。另外,算术也是初等代数的重要部分之一。

十进制计数法

在基数(前十个非负整数0,1,2,……,9)的基础上构建所有实数。一个十进制数由一个基数序列组成,每一位数字的命名取决于其相对于小数点的位置。例如:517.36表示5个100(102),加1个10(101),加7个最小整数单位1(100),加3个0.1(10-1),加6个0.01(10-2)。该计数法的一个要点(也是其实现的难点)是对0与其它基数一视同仁。

算术运算

算术运算指加法减法乘法除法,但有时也包括较高级的运算(例如百分比平方根取幂对数)。算术按运算次序进行,只要集合可以进行加减乘除四则运算除以零除外),而四则运算合乎基本公理,都可称之为一个(Field)[1]

加法 (+)

加法是基本算术运算。简单来说,加法将两个数字结合,成为一个数字,称之为“”。把多于两个数相加,可以视为重复的加法;这个过程称为求和,包括在级数中把无穷多个数相加。1的重复加法是计数的最基本的形式。

加法满足交换律结合律[2]。加法的单位元是0,也就是说,把任何数加上0都得到相同的数。另外,加法的逆元素就是相反数,也就是说,把任何数加上它的相反数都得出单位元0。例如,7的相反数是(-7),所以7 + (-7) = 0。

减法 (−)

减法是加法的逆运算。减法是求出两个数(被减数和减数)的差。如果被减数大于减数,那么差为正数;如果被减数小于减数,那么差为负数;如果它们相等,那么差为0。

减法既不满足交换律又不满足结合律[2]。由于这个原因,把减法视为被减数和减数的相反数的加法通常是很有帮助的,也就是说,a − b = a + (−b)。当写成加法时,所有加法的性质都成立。

乘法 (× 或 ·)

乘法本质上是一组相同数字的重复累加或总和。乘法运算可得出乘数被乘数(有时被通称为因数)的乘积

乘法运算(由于其本质是重复累加)具有交换性和结合性[2];进而,它对加法和减法运算具有分配性。乘法单位为1,即,用1乘以任意数的结果仍为该数。并且,任意数字的乘法逆元素是其倒数,即,用一个数的倒数乘以该数,其结果为乘法单位:1。

除法 (÷ 或 /)

除法是乘法的逆运算。除法运算得到两个数的被除数除以除数。任何被除数被零除是没有定义的。对于正数,如果被除数大于除数,其商大于1,否则商小于1(对于负数和-1有类似的规则)。商乘以除数其结果总是被除数。

除法运算不具有交换性和结合性[2]。正如可以将减法视为加法,除法亦可被视作被除数和除数的倒数之间的乘法运算,即,a ÷ b = a × 1b 。当被写为乘积形式,运算遵循乘法的所有特性。

例子

加法表[编辑]

+ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

乘法表[编辑]

× 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
2 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
3 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30
4 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40
5 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
6 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60
7 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70
8 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80
9 9 18 27 36 45 54 63 72 81 90
10 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

数论

在十九世纪以前,数论(number theory)是算术的同义词。数论后来演变成研究整数的性质,以及一些有关质数因数以及变数为整数的方程,例如费马最后定理。其中一些问题很容易陈述,但问题的本质相当困难,需要用到许多其他数学分支的定理才能证明。

数论中的问题也带来一些新的数学分支,例如解析数论代数数论丢番图几何英语Diophantine geometry及算术代数数论(arithmetic algebraic geometry)。像费马最后定理就是这类的复杂问题,问题可以用基本的算术来描述,可是其证明远超过传统算术的方法。从原始猜想提出到安德鲁·怀尔斯证明经过了三百多年的时间,证明中用到代数几何中的椭圆曲线模形式,以及伽罗瓦理论黑克代数等。

历史

在布鲁塞尔自然科学比利时皇家学院(英语:Royal Belgian Institute of Natural Sciences)展出的伊尚戈骨头
布鲁塞尔自然科学比利时皇家学院英语Royal Belgian Institute of Natural Sciences展出的伊尚戈骨头

史前时代的算术只能用少部分人造物品来确认当时有加法与减法等明确概念,最著名的一件是在非洲发现的伊尚戈骨头英语Ishango bone,距今约有两万年的时间[3]

最早的历史记载埃及人巴比伦人在公元前二千年就已使用到所有的四则运算。留下来的人造物品不一定能看出求解某一特定问题的方式,但可以看出其使用的记数系统的特征。像古埃及数字的象形系统,像罗马数字一様,是由计数符号演变而来。二种系统都是用十进制的数字,但不是采用进位制。复杂的罗马数字计算需要计数板英语counting board罗马算盘英语Roman abacus的辅助才能计算结果。

比较清楚的是,巴比伦尼亚在公元前1850年已有关于各方面初等算术的坚实知识,但历史学家也只能依其算术成果来推断其使用的方式(例如巴比伦楔形泥版322)。同样地,乘法和单位分数的运用的可靠算法也在古埃及的莱因德数学纸草书中被发现,其约在公元前1650年的时期。

早期的记数系统也包括一些非十进制的进位制,例如巴比伦数字六十进制玛雅数字二十进制。因为使用进位制,可以将同一个数字放在不同位置表示不同数值,可以简化计算,也可以较有效率的进行计算。

公元前六世纪中叶,毕达哥拉斯学派的时代,算术已被视为学问的四种分类(算术、音乐、几何、天文)中的一类了[4]。但古希腊数学也和许多哲学及神秘的信仰重叠,尼各马可就在《算术简介英语Introduction to Arithmetic》中整理了毕达哥拉斯学派对数字的研究,和其他学科的关系。

阿基米德丢番图使用的希腊数字是采用进位制,已经和现代的十进制有些接近。古希腊没有代表零的符号(一直到希腊化时代才加入),当时有三组不同的数字符号,分别表示个位数、十位数及百位数。万位数则会重复使用个位数那一组的符号,以此类推。希腊数字的加法算法和现在的相同,乘法算法只和现在的有一点不同,当时开平方根的方法只在学校教授,可能是由阿基米德发明的,他没有使用希罗提出的佚迭代法,阿基米德作法的好处是在计算后,高位数的数字不会再变化,而且完全平方数(例如7485696)的平方根,可以直接算出是2736。针对有小数的数字,其小数部分会用1/60的各次方和表示0.934,而不是用1/10的各次方和[5]

古代中国也用类似的进位制,当时也没有代表零的数字,因此有一组表示个位数的数字,一组表示十位数的数字,百位数则再重复使用表示个位数的那一组数字,以此类推,其符号来自古代的算筹。有关中国开始使用进位制计算的问题相当复杂,但确定是在公元前四百年[6]

叙利亚的主教Severus Sebokht(650 AD)说 “印度人有一个计算方式是没有言语足以称赞的,他的的数学系统或是计算方式中只用到九个符号。”[7]而十二世纪的斐波那契在《计算书英语Liber Abaci》中提到:“印度人的计算方式比任何已知的方式都好,他们的系统用九个符号以及符号0。”[8]

逐渐发展的印度-阿拉伯数字系统是由位值(place-value)及进位制的概念而来,再加上十进制下比较简单的计算方式,以及表示0的数字。因此可以用此系统以较一致的方式表示很大的数字及很小的数字,这种数字系统最后取代了其他数字系统,在第六世纪早期,印度数学家阿耶波多在著作中使用这样的数字系统,并且尝试许多不同的标示方式。第七世纪的婆罗摩笈多将0用来表示一个数字,并且定义此数字和其他数字加减乘除的结果(但不包括除以零)。当时叙利亚主教Severus Sebokht描述此系统是“一种超越任何说明的宝贵方式”。阿拉伯人也学了这种新的方式,称为hesab。

算术教育

小学时的数学通常专注在自然数整数有理数分数实数(使用十进制法)等算术的算法。此一学习有时被称为 algorism

这种算法的困难性及无目的性的样貌已让教育学家们很长时间地去思考其课程内容,主张早期应该教导较中心且直觉的数学概念。在此一方向上的著名进展为1960年代至1970年代的“新数学运动”,它试图以集合论中公理化(高等数学的主流)的精神来教导算术[9]

乌理玛(伊斯兰教学者)也用算术来教导有关天课有关的规则。在Abd-al-Fattah-al-Dumyati所著的The Best of Arithmetic中有相关的介绍,从基础的算术开始,到后面的应用[10]

当能比人脑更有效地执行运算的电子计算机被发明后,有影响力的学校的教育家们开始声称标准算术演化法的机械化熟练已不再是必须的了。在他们的观点,一年级的数学可以花更多在了解更高等的概念上,如数字被使用来哪里和数字、数量和度量之间的关系等。但无论如何,许多的数学家依然认为手算的熟练会是学习代数计算机科学的必要基础。这一争论主要集中在加州1990年代小学课程上头),称为数学战争英语Math wars[11],并且延续至今日。

台湾教育改革在1999年起一度采用引起自北美,强调手算的建构式数学,当时对于算术教育要采“建构式数学”,亦或采中国传统的“九九乘法表”也有一段的争议[12]

参考文献

  1. ^ Tapson, Frank. The Oxford Mathematics Study Dictionary. Oxford University Press. 1996. ISBN 0 19 914551 2. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 葛伦. Live 国中数学 i讲义 1. 徕富数位学习科技有限公司. 16 July 2012: 142–. ISBN 978-986-88371-0-2. 
  3. ^ Rudman, Peter Strom. How Mathematics Happened: The First 50,000 Years. Prometheus Books. 2007: 64. ISBN 978-1-59102-477-4. 
  4. ^ 毕达哥拉斯及其学派的故事. 中国数字科技馆. [2014-09-21] (中文). 
  5. ^ The Works of Archimedes, Chapter IV, Arithmetic in Archimedes, edited by T.L. Heath, Dover Publications Inc, New York, 2002.
  6. ^ Joseph Needham, Science and Civilization in China, Vol. 3, page 9, Cambridge University Press, 1959.
  7. ^ Reference: Revue de l'Orient Chretien by François Nau pp.327-338. (1929)
  8. ^ Reference: Sigler, L., "Fibonacci's Liber Abaci", Springer, 2003.
  9. ^ Mathematically Correct: Glossary of Terms 互联网档案馆存档,存档日期2006-06-18.
  10. ^ Abd-al-Fattah Bin Abd-al-Rahman al-Banna al-Dumyati (1887). "The Best of Arithmetic". World Digital Library (in Arabic). Retrieved 30 June 2013
  11. ^ 刘柏宏. 从美国“数学战争”看台湾的数学教育 (PDF). 数学传播. 2004年12月, 28 (4) [2013-12-29]. 
  12. ^ 五、建构式数学下的白老鼠 (from 谁捉弄了台湾教改?)

参见

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算术
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