数的发展简史

数的发展史

自然数的产生，起源于人类在生产和生活中计数的需要．开始只有很少几个自然数，后来随着生产力的发展和记数方法的改进，逐步认识越来越多的自然数．从某种意义上说，幼儿认识自然数的过程，就是人类祖先认识自然数的过程的再现．

随着生产的发展，在土地测量、天文观测、土木建筑、水利工程等活动中，都需要进行测量．在测量过程中，常常会发生度量不尽的情况，如果要更精确地度量下去，就必然产生自然数不够用的矛盾．这样，分数就应运而生．据数学史书记载，三千多年前埃及纸草书中已经记有关于分数的问题．引进分数,这是数的概念的第一次扩展．

最初人们在记数时，没有“零” 的概念．后来，在生产实践中,需要记录和计算的东西越来越多，逐渐产生了位值制记数法．有了这种记数法，零的产生就不可避免的了．我国古代筹算中，利用“空位”表示零.公元6世纪，印度数学家开始用符号“0”表示零. 但是，把“0”作为一个数是很迟的事．引进数0，这是数的概念的第二次扩充．

以后,为了表示具有相反意义的量,负数概念就出现了．我国是认识正、负数最早的国家，《九章算术》中就有了正、负数的记载．在欧洲，直到17世纪才对负数有一个完整的认识．引进负数，这是数的概念的第三次扩充．

数的概念的又一次扩充渊源于古希腊。公元前5世纪，古希腊毕达哥拉斯(Pythagqras，约公元前580～前500)学派发现了单位正方形的边长与对角线是不可公度的，为了得到不可公度线段比的精确数值，导致了无理数的产生．当时只是用几何的形象来说明无理数的存在，至于严格的实数理论，直到19世纪70年代才建立起来．引进无理数，形成实数系，这是数的概念的第四次扩充．

数的概念的再一次扩充，是为了解决数学自身的矛盾．16世纪前半叶，意大利数学家塔尔塔利亚发现了三次方程的求根公式，胆地引用了负数开平方的运算，得到了正确答案．由此，虚数作为一种合乎逻辑的假设得以引进，并在进一步的发展中加以运用,成功地经受了理论和实践的检验，最后于18世纪末至19世纪初确立了虚数在数学中的地位．引进虚数，形成复数系，这是数的概念的第五次扩充．

上面,我们简要地回顾了数的发展过程．必须指出，数的概念的产生，实际上是交错进行的．例如，在人们还没有完全认识负数之前，早就知道了无理数的存在；在实数理论还未完全建立之前,经运用虚数解三次方程了．

直到19世纪初，从自然数到复数的理论基础，并未被认真考虑过．后来，由于数学严密性的需要以及公理化倾向的影响，促使人们开始认真研究整个数系的逻辑结构．从19世纪中叶起，经过皮亚诺(G．Peano，1855～1939)、康托尔(G．Cantor，1845～1918)、戴德金(R．Dedekind，1831～1916)、外尔斯特拉斯(K.Weierstrass，1815～1897)等数学家的努力，完成了建立整个数系的逻辑工作．

近代数学关于数的理论，是在总结数的历史发展的基础上，用代数结构的观点和比较严格的公理系统加以整理而建立起来的.作为数的理论系统的基础，首先要建立自然数系，然后逐步加以扩展．一般采用的扩展过程是

N--------→Z-----------→Q------------→R-------------→C

(自然数集) (整数集) (有理数集) (实数集) (复数集)

科学的数集扩充，通常采用两种方法：一是添加元素法，即把新元素添加到已建立的数集中去；二是构造法,即从理论上构造一个集合，然后指出这个集合的某个真子集与先前的数集是同构的．

中、小学数学教学中，为了适应学生的年龄特征和接受能力,关于数系的扩充，主要是渗透近代数学观点，采用添加元素并强调运算的方法来进行的．其扩充过程是:

自然数集(添零)→扩大的自然数集(添正分数)→算术数集(添负有理数)→有理数集(添无理数)→实数集(添虚数)→复数集.

数系的每一次扩充，都解决了一定的矛盾，从而扩大了数的应用范围．但是，数系的每一次扩充也会失去某些性质．例如，从自然数系N 扩充到整数系Z 后，Z 对减法具有封闭性，但失去N 的良序性质，即N 中任何非空子集都有最小元素．又如，由实数系R 扩充到复数系C 后，C 是代数闭域，即任何代数方程必有根,但失去了R的顺序性，C 中元素已无大小可言．

数系扩充到复数系后，能否继续扩充?这个问题的答案是有条件的．如果要求完全满足复数系的全部运算性质,那么任何扩充都是难以成功的．如果放弃某些要求，那么进一步的扩充是可能的．比如，放弃乘法交换律，复数系C可以扩充为四元数系H,如果再适当改变对乘法结合律的要求，四元数系H 又可扩充为八元数系Ca 等等．当然,在现代数学中，通常总是把“数”理解为复数或实数，只有在个别情况，经特别指出，才用到四元数．至于八元数的使用就更罕见了．