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【数学史话】复数的发现——兼谈学习新课标

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【数学史话】复数的发现——兼谈学习新课标


在初中我们学习过一元一次方程、一元二次方程,尤其是一元二次方程有个求根公式,简直不要太爽,只要把系数代入公式中,实数根就出来了。

那么一元三次方程有没有这样的求根公式呢?

对于数学家们来讲,研究它是件乐事,在16世纪左右,意大利的几位数学家正在进行这样一项“赛事”,看谁能解出任意一元三次方程。数学家卡尔达诺(1501-1576年)鼓捣出了一个特殊一元三次方程的求根公式:

对于没有二次项的一元三次方程

卡尔达诺得到了一个求根公式

只要系数代进去就行,这公式非常好用。

然而不出意外的,意外来了,有一天,大家遇到了这个方程

我们可以把x=4代入进去,发现左右两边相等,很显然x=4就是这个方程的一个实根,然而怪事出现在公式上,当我们把p=15,q=4代入卡尔达诺的求根公式后

卡bug了,原因是根号里出现了-121,根据负数没有平方根,此方程没有实数根,然而明明刚才还有一个x=4满足这个一元三次方程啊!

卡尔达诺头疼不已,这时,另一位数学家邦贝利(1526-1572年)跳出来了,问题既然出在-121不能开方,那我假装这个东西能开方,会发生什么呢?果然数学家的思维就是与常人不一般。

他首先猜想

然后他发现

若 , 那 么 接 着 算 下 去

同理,另一个立方根也算出来了

现在,卡尔达诺公式里的两个立方根都算出来了,它们相加之后,答案居然真的等于4!

邦贝利解决了卡尔达诺公式的这个bug,只需要引入一个新的数,但当时的数学家们长时间心里没底,这真的是一个数吗?

几十年后,笛卡尔(1596-165年)给它起名叫“虚数”,莱布尼茨(1646-1716年)表示同意,直到欧拉(1707-1783年)给这个数弄了一个符号

实数大家族终于迎来了大扩充,变成了复数。

当然,这事儿没完,用它计算没问题,但谁也不知道这玩意儿有什么物理意义或几何意义。

下面有请数学王子——高斯(1777-1855年)登场!

高斯为首的另一帮数学家们,做了一件直观的事,将一维的数轴,变成了二维的平面,因为数轴上的所有点和实数是一一对应的,新的数在实数轴上找不到它的位置,但说不定在二维平面上,有它存在的空间?

先回到我们初中熟悉的数轴上,以0为原点,左边是负数,右边是正数,一个数乘以-1是什么意思?相当于将这个数代表的点绕原点旋转180°,例如2乘-1,相当于把实数轴上代表2的点绕原点旋转180°,结果不正是-2吗?

而我们知道i×i=-1,即乘以一个-1相当于乘两个i,什么样的两次旋转相当于旋转180°呢?聪明的你一定得到了,不就是两个90°嘛!恭喜你,跟上了高斯的思维,未来的数学家们,请在纸上画图:


规定乘一次i就是逆时针旋转90°,问题迎刃而解了,因此这个二维平面,我们称之为复平面,完美解决了虚数单位i的几何意义,它是一个“旋转”符号。

所谓数学家的思维,正如我们经历的数系扩充,最初在小学低年段,我们学习的是自然数,就是用手指头可以数的那种数,但当遇到减法5-8时,发现数不够减,所以数学家们“造”出了负数;

当遇到2÷3时,整数不够用了,数学家们“拿”出了分数,“造”出了有理数;

当求边长为1的正方形的对角线时,发现有理数也不够用了,所以“造”出了无理数√2,并将一维数轴填满了;

当遇到x²+1=0时,实数根也没了,数学家思维告诉我们,他们继续“造”新的数,让它有解;

高斯证明了,任何一个n次复系数多项式方程,在复数域恰好有n个根:

一定可以写成n个一次因式的乘积:

这个叫代数基本定理,这意味着高斯终结了数系的扩充游戏,以后别再去造新的数了,不需要了。

今天的故事先讲到这里,因为这个故事到高斯这里,对于初中生而言,已经基本到头了,但并不意味着故事的结束,事实上后面的更精彩,欧拉公式的诞生、柯西留数定理、傅立叶变换甚至薛定谔的波动方程,都有i的影子,粒子的相位旋转、干涉叠加、量子纠缠,本质上都是在复平面上进行的。

近年来的高考数学压轴题,考的就是这种数学家思维,但这种思维绝不是靠高中三年培养的,也不是靠初中三年培养的,而是从小学、初中、高中甚至更多时间内培养起来的。所谓贯通培养,是指承担小学、初中、高中教学任务的老师们,始终保持一致的教育理念,显然这个理念是有的,那就是新课标。

现在我们不可能让一位老师从小学一年级一直教到高中毕业,这个跨度太大,只能让各学段分别按新课标要求去理解教材、理解教学,只有这三个学段的老师们保持一致,那学生才有可能形成数学家思维,若按平均每三年换一位数学老师,那么这12年总共学生会接触到4位数学老师,这4位老师理念相同的概率并不算高,但我们现在学习新课标,正是想让这个概率变大一些,期待未来会出现更多有数学家思维的孩子。

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