对数的发展史(2)

2019-04-01 21:05

皮尔发现此时P、Q运动距离有种对应关系,他就把可变动的距离CQ称为距离PB的对数。

纳皮尔

纳皮尔的棋盘计算器

纳皮尔骨算筹

当时,还没有完善的指数概念,也没有指数符号,因而实际上也没有“底”的概念,他把对数称为人造的数。对数这个词是纳皮尔创造的,原意为“比的数”。

他研究对数用了20多年时间,1614年,他出版了名为《奇妙的对数定理说明书》的著作,发表了他关于对数的讨论,并包含了一个正弦对数表。

有趣的是同一时刻瑞士的一个钟表匠比尔吉也独立发现了对数,他用了8年时间编出了世界上最早的对数表,但他长期不发表它。直到1620年,在开普勒的恳求下才发表出来,这时纳皮尔的对数已闻名全欧洲了。

对数的完善

纳皮尔的对数著作引起了广泛的注意,伦敦的一位数学家布里格斯于1616年专程到爱丁堡看望纳皮尔,建议把对数作一些改进,使1的对数为0,10的对数为1等等,这样计算起来更简便,也将更为有用。次年纳皮尔去世,布里格斯独立完成了这一改进,就产生了使用至今的常用对数。1617年,布里格斯发表了第一张常用对数表。1620年,哥莱斯哈姆学院教授甘特试作了对数尺。

当时,人们并没有把对数定义为幂指数,直到17世纪末才有人认识到对数可以这样来定义。1742年,威廉斯把对数定义为指数并进行系统叙述。现在人们定义对数时,都借助于指数,并由指数的运算法则推导出对数运算法则。可在数学发展史上,对数的发现却早于指数,这是数学史上的珍闻。

解析几何与微积分出现以后,人们在研究曲线下的面积时,发现了面积与对数的联系。比如,圣文森特的格雷果里在研究双曲线xy=1下的面积时,发现面积函数很像一个对数,后来他的学生沙拉萨第一个把面积解释为对数。但当时并没有认识到对数和双曲线下面积之间的确切关系,更没有认识到自然对数就是以e为底的对数。

后来,牛顿也研究过此类问题。欧拉在1748年引入了以a为底的x的对数logax这一表示形式,以作为满足ay=x的指数y。并对指数函数和对数函数作了深入研究。而复变函数的建立,使人们对对数有了更彻底的了解。

天文学家的欣喜

对数的出现引起了很大的反响,不到一个世纪,几乎传遍世界,成为不可缺少的计算工具。其简便算法,对当时的世界贸易和天文学中大量繁难计算的简化,起了重要作用,尤其是天文学家几乎是以狂喜的心情来接受这一发现的。1648年,波兰传教士穆尼阁把对数传到中国。

在计算机出现以前,对数是十分重要的简便计算技术,曾得到广泛的应用。对数计算尺几乎成了工程技术人员、科研工作者离不了的计算工具。直到20世纪发明了计算机后,对数的作用才为之所替代。但是,经过几代数学家的耕耘,对数的意义不再仅仅是一种计算技术,而且找到了它与许多数学领域之间千丝万缕的联系,对数作为数学的一个基础内容,表现出极其广泛的应用。

1971年,尼加拉瓜发行了一套邮票,尊崇世界上“十个最重要的数学公式”。每张邮票以显著位置标出一个公式并配以例证,其反面还用西班牙文对公式的重要性作简短说明。有一张邮票是显示纳皮尔发现的对数。

对数、解析几何和微积分被公认是17世纪数学的三大重要成就,恩格斯赞誉它们是“最重要的数学方法”。伽利略甚至说:“给我空间、时间及对数,我即可创造一个宇宙。”

高中教师常用一则自然对数的底数e笑话,帮助学生记忆一个很特别的微分公式:在一家精神病院里,有个病患整天对着别人说,“我微分你、我微分你。”也不知为什么,这些病患都有一点简单的微积分概念,总以为有一天自己会像一般多项式函数般,被微分到变成零而消失,因此对他避之不及,然而某天他却遇上了一个不为所动的人,他很意外,而这个人淡淡地对他说,“我是e的x次方。”

这个微分公式就是:e不论对x微分几次,结果都还是e!难怪数学系学生会用e比喻坚定不移的爱情! 这个东西没有为什么,也不见得全世界的人都是按照我们的这种学法。为何就不能按照历史产生的顺序,先学习对数,然后根据需要再引入指数函数?因为我们现在的数学教育太注重表面的东西,而对数学的实质则挖掘得太少了。

为什么发明对数,因为当时人们认为乘除法运算太复杂,而加减法运算则简单,那能不能把乘除转化为加减运算呢?Napier想到了,这就是对数。我们学的时候,为什么就不能先把这个背景说出来,然后引出对数呢?因为我们现在的数学课程体系的原因,不可能按照这种思路来学。其实数学的发展顺序和学数学的顺序不一样,这是大家都有的一个共同问题,关键在于在学完数学之后一定要了解一下当时数学是怎么发展的。 对数的历史

对数是中学初等数学中的重要内容,那么当初是谁首创“对数”这种高级运算的呢?在数学史上,一般认为对数的发明者是十六世纪末到十七世纪初的苏格兰数学家——纳皮尔(Napier,1550-1617年)男爵。在纳皮尔所处的年代,哥白尼的“太阳中心说”刚刚开始流行,这导致天文学成为当时的热门学科。可是由于当时常量数学的局限性,天文学家们不得不花费很大的精力去计算那些繁杂的“天文数字”,因此浪费了若干年甚至毕生的宝贵时间。纳皮尔也是当时的一位天文爱好者,为了简化计算,他多年潜心研究大数字的计算技术,终于独立发明了对数。当然,纳皮尔所发明的对数,在形式上与现代数学中的对数理论并不完全一样。在纳皮尔那个时代,“指数”这个概念还尚未形成,因此纳皮尔并不是像现行代数课本中那样,通过指数来引出对数,而是通过研究直线运动得出对数概念的。那么,当时纳皮尔所发明的对数运算,是怎

么一回事呢?在那个时代,计算多位数之间的乘积,还是十分复杂的运算,因此纳皮尔首先发明了一种计算特殊多位数之间乘积的方法。让我们来看看下面这个例子:

n 0、1、2、3、 4、 5、 6、 7 、 8 、 9 、 10 、 11 、 12 、 13 、 14 、……

2^n 1、2、4、8、16、32、64、128、256、512、1024、2048、4096、8192、16384、……

这两行数字之间的关系是极为明确的:第一行表示2的指数,第二行表示2的对应幂。如果我们要计算第二行中两个数的乘积,可以通过第一行对应数字的加和来实现。比如,计算64×256的值,就可以先查询第一行的对应数字:64对应6,256对应8;然后再把第一行中的对应数字加和起来:6+8=14;第一行中的14,对应第二行中的16384,所以有:64×256=16384。纳皮尔的这种计算方法,实际上已经完全是现代数学中“对数运算”的思想了。回忆一下,我们在中学学习“运用对数简化计算”的时候,采用的不正是这种思路吗:计算两个复杂数的乘积,先查《常用对数表》,找到这两个复杂数的常用对数,再把这两个常用对数值相加,再通过《常用对数的反对数表》查出加和值的反对数值,就是原先那两个复杂数的乘积了。这种“化乘除为加减”,从而达到简化计算的思路,不正是对数运算的明显特征吗?经过多年的探索,纳皮尔男爵于1614年出版了他的名著《奇妙的对数定律说明书》,向世人公布了他的这项发明,并且解释了这项发明的特点。所以,纳皮尔是当之无愧的“对数缔造者”,理应在数学史上享有这份殊荣。伟大的导师恩格斯在他的著作《自然辩证法》中,曾经把笛卡尔的坐标、纳皮尔的对数、牛顿和莱布尼兹的微积分共同称为十七世纪的三大数学发明。法国著名的数学家、天文学家拉普拉斯(PierreSimonLaplace,1749-1827)曾说对数可以缩短计算时间,“在实效上等于把天文学家的寿命延长了许多倍”。

以上谈的都是以10为底的对数,除此之外还有自然对数,这个名字是1610年伦敦的数学家司皮得尔在《新数学》里出现的。

我们知道,一般对数的底可以为任意不等于1的正数。即对数的底如果为超越数e(e=2.718)我们就把这样的对数叫作自然对数,用符号“LN”表示。在这里“1”是对数“logarithm\的第一个字母,“N”是自然“nature\的第一个字母,把两个字母合在一起,就表示自然对数。 自然对数的出现,给数学界带来了一场革命。

对数函数的历史:

16世纪末至17世纪初的时候,当时在自然科学领域(特别是天文学)的发展上经常遇到大量精密而又庞大的数值计算,於是数学家们为了寻求化简的计算方法而发明了对数。

德国的史提非(1487-1567)在1544年所著的《整数算术》中,写出了两个数列,左边是等比数列(叫原数),右边是一个等差数列(叫原数的代表,或称指数,德文是Exponent ,有代表之意)。

欲求左边任两数的积(商),只要先求出其代表(指数)的和(差),然后再把这个和(差)对向左边的一个原数,则此原数即为所求之积(商),可惜史提非并未作进一步探索,没有引入对数的概念。

纳皮尔对数值计算颇有研究。他所制造的「纳皮尔算筹」,化简了乘除法运算,其原理就是用加减来代替乘除法。 他发明对数的动机是为寻求球面三角计算的简便方法,他依据一种非常独等的与质点运动有关的设想构造出所谓对数方 法,其核心思想表现为算术数列与几何数列之间的联系。在他的《奇妙的对数表的描述》中阐明了对数原理,后人称为 纳皮尔对数,记为Nap.㏒x,它与自然对数的关系为 Nap.㏒x=107㏑(107/x)

由此可知,纳皮尔对数既不是自然对数,也不是常用对数,与现今的对数有一定的距离。

瑞士的彪奇(1552-1632)也独立地发现了对数,可能比纳皮尔较早,但发表较迟(1620)。

英国的布里格斯在1624年创造了常用对数。

1619年,伦敦斯彼得所著的《新对数》使对数与自然对数更接近(以e=2.71828...为底)。

对数的发明为当时社会的发展起了重要的影响,正如科学家伽利略(1564-1642)说:「给我时间,空间和对数,我可以创造出一个宇宙」。又如十八世纪数学家拉普拉斯( 1749-1827)亦提到:「对数用缩短计算的时间来使天文学家的寿命加倍」。 最早传入我国的对数著作是《比例与对数》,它是由波兰的穆尼斯(1611-1656)和我国的薛凤祚在17世纪中叶合 编而成的。当时在lg2=0.3010中,2叫「真数」,0.3010叫做「假数」,真数与假数对列成表,故称对数表。后来改用 「假数」为「对数」。

我国清代的数学家戴煦(1805-1860)发展了多种的求对数的捷法,著有《对数简法》(1845)、《续对数简法》(1846)等。1854年,英国的数学家艾约瑟(1825-1905) 看到这些著作后,大为叹服。

当今中学数学教科书是先讲「指数」,后以反函数形式引出「对数」的概念。但在历史上,恰恰相反,对数概念不是来自指数,因为当时尚无分指数及无理指数的明确概念。布里格斯曾向纳皮尔提出用幂指数表示对数的建议。1742年 ,J.威廉(1675-1749)在给G.威廉的《对数表》所写的前言中作出指数可定义对数。而欧拉在他的名著《无穷小 分析寻论》(1748)中明确提出对数函数是指数函数的逆函数,和现在教科书中的提法一致。

复数域的对数有定义 先看复指数

根据欧拉公式(欧拉对复指数的定义;这个公式被誉为数学界中最美妙的公式之一)为:

e^(iA)=cosA+isinA(e为自然底数,即e约为2.71828...;A为实数;事实上A为虚数亦可,但会导致cosA中A为复数,研究它比较费时,在此不作讨论)

那么根据这个公式,任何复数都对应着一个对数(包括负数都有!不过0就没有) 转换方式如下:

对复数z(z不为0),考虑将它换算成三角形式z=r(cosA+isinA) 其中r为该复数的模长,r>0

那么我们对z取自然对数,就根据欧拉公式有 lnz=ln[r(cosA+isinA)]=lnr+ln(cosA+isinA) =lnr+ln[e^(iA)]=lnr+iA

因此x=lnr+iA这就是z的自然对数


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