数的概念

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公理化体系和结构观念来统观数学成为现代数学的明显标志。 现代数学的对象是一般的集合和各种抽象的逻辑上可能的形式 和关系。现代数学阶段以其三大基础领域一-几何、代数和分 析中的深刻变化作为开端。非欧几何的产生和多维空间概念的 形成,使“空间”这个概念已经超越了物质世界现实空间的含
义。代数的对象从传统的数扩展到具有更为普遍性质的量以至
结构和系统,如向量、矩阵、群、环、域、线性空间等。数学 分析的对象从变量扩展到变化的函数,从变量空间扩展到函数
空间。集合论的产生和数理逻辑的研究促使数学家从数学、逻
辑和哲学上考虑数学的本质和基础。 同时伴随着现代物理学、工程技术科学、经济学等的发展,
也引起应用数学和一些新的数学领域的产生和发展,如统计学、
为现在中学数学课程的主要内容。
高等数学阶段,以笛卡尔建立解析几何为起点,微积分的建 立是这一阶段最显赫的成就和标志。高等数学的对象是变量及其
函数。研究变量和函数的数学领域称为分析。在这时期,与解析
几何同时还产生了几何的另一分支---射影几何,并产生了数学 的重要的新领域一概率论。
现代数学阶段以康托尔建立集合论为起点。2O世纪以后用
赵元任做翻译。赵元任后来是清华国学研究院的四大导师之一。
徐志摩说过:“二十四岁以前我对于诗的兴味远不如我对于相对论或民 约论的兴味。”他原配妻子张幼仪的哥哥张奚若也曾回忆:当我1921年和他 在伦敦重聚时,一见面就很得意地向我说他近来作了一篇文章,料我无论如 何也猜不着他作的是什么题目……原来他作了一篇关于爱因斯坦的相对论的 文章!(张奚若:《我所认识的志摩》) 这篇文章,就是发表在1921年4月15日出版的《改造》(梁启超主编)上的
称破缺的。而对非线性、非平衡动力系统的深入研究,
又揭示出远离平衡态的隐藏在随机性和无序中的分叉 (bifurcation)和混沌(chaos)现象。突变、分叉、混 沌、分数维等等体现复杂性的现象已成为当今数学、力 学、物理学、生物和生命科学乃至经济学、社会学等科 学的热门研究课题。
从确定到模糊。作为现代数学基础的集合论,对 一个元素是否属于一个集合是完全确定的,但对自然 界和人类社会中许多现象的描述往往不具有明确的界
数学的发展
数学的历史发展通常划分成初等数学、高等数学和现代数学 三个阶段。公元前7~5世纪以前,人类发展漫长的历史时期是数 学的萌芽阶段,公元前5世纪至公元17世纪为初等数学阶段;从 17世纪初到19世纪末为高等数学阶段,从19世纪末开始数学进入
现代数学阶段。
在初等数学阶段,数学的对象是常量和简单几何形体。这个 时期数学的基本成果:初等代数和欧几里德几何(初等几何)成
限,而只有模糊的外沿。1965年由美国数学家L·Zadeh
建立起的模糊(fuzzy)数学发展很快,它对自然界和 社会中模糊现象作定量的研究,具有广泛的实际意义。
《第三次浪潮》的作者托夫勒在为普里高津所著 的《从混沌到有序》一书所撰写的前言中所说的:机
器时代的传统科学倾向于强调稳定、有序、均匀和平 衡。它最关心的是封闭系统和线性关系,其中小的输 入总是产生小的结果;而新的科学把注意力转向了现 实世界的那些方面:无序、不稳定、多样性、不平衡、 非线性关系(小的输入可以引起大的结果)以及瞬时 性——对时间流的高度敏感性。这些方面标志出今天加 速了的社会变化。
勒· 柯布西埃:
• 装饰是“初级的满足” ,“是多余的东西,是农民的爱好”, 而比例和尺度上的成功是“到达更高级的满足(数学)”, 是“有修养的爱好”。 • “帕提农给我们带来确实的真理和高度数学规律的感受”。
• “数学的精确性与大胆的幻想结合起来,说确切些,就是 美”。
两个学过数学的建筑师
扎哈· 哈迪德
罗素(Russell,1872~1970,英国数学家,诺贝尔文学奖得主)
现代数学的发展趋势
从单个或少数变量到多变量,从低维空间到高维空间。 这表示数学模型中包含的因素和参数的数量大大增加,并产
生了一些质的变化。与此相应发展起来一些数学中的新学科,
如多线性代数、多复变函数、多元统计分析等等。最近十儿 年来,具有不必是整数的分数维(fractal dimension)的 几何对象一一分形(fractals)引起了广泛的兴趣。 从线性问题到非线性问题。线性化的数学模型是研究局 部范围和平缓变化过程所采用的通常是简化了的模型,而要 研究大范围、大变化、大挠动、高速度、强作用力等情形的 问题,就要涉及非线性现象。非线性问题通常具有对初始条 件、边界条件和外界挠动敏感的特征,即这些因素的微小变 化会引起结果很大的改变。非线性问题已成为当前数学研究 的一个主要内容。
《安斯坦相对主义》。1920年,徐志摩路过巴黎,张君劢送他一本爱因斯坦
自著的《相对主义浅说》,让他研究一下科学界的最新成果。到了英国,他 请教了许多人,包括理工科的留学生在内,居然没人说得出来。因此,他就 发狠苦读,钻研揣摩,“连吃奶的力气都使出来”,写下这篇通俗性的科学 论文。徐志摩广采博纳:从狭义相对论到广义相对论,从时空观念、万有引 力到哲学、历史人文科学中的有关影响等等 。
《建筑数学》第一讲
绪论 数的概念
《建筑数学》是针对中央美院建筑学专业的学生开设的试验 性课程,采用讲座的形式,介绍数学的一些基本概念和知识,与 建筑学的关系,对建筑设计和创作的启迪,以期引起建筑学专业 学生对数学的兴趣(兴趣是学习最重要的动力),认识到“数学 是受过高等教育者的一种文化修养”。 联合国科教文组织的《世界数学教育的新动向》中指出:“ 在人类社会的任何领域里,最近和将来都不可避免地利用数量计 算、逻辑推导和数学化模型。在传统的物理学和工程学以外,生 物科学、社会科学、经营管理学、人文科学和日常生活都要以各 数学分支及它们的相互结合为工具,加之统计的和计算机的模型 化,数学还将渗透到人文科学里最近发现的新课题。”
数学的定义
“数学是研究现实世界的空间形式和数量关系的科学”
(恩格斯《反杜林论》)。恩格斯在论述数学是现实世界的反
映,产生于人类的实际需要的同时也指出:“这些材料表现于 非常抽象的形式之中”。 一百多年来现代数学的发展,一方面使数学具有更高的抽 象程度,另一方面数学对象的推广已经越出了对数量关系和空 间形式传统的理解范围,数学不仅研究直接从现实世界抽象出 来的数量关系和空间形式,而且研究那些运用数学已经形成的 概念和理论为基础定义和推理演绎出来的关系和形式。因此, 可以把客观世界和主观世界中(逻辑可能)的数量关系和结构 关系作为数学的对象,空间形式被看作是结构关系的一个方面。
英国AA建筑学院的学生作品 荷兰代尔夫特工业大学建筑系学生作品
Foster and Partners
Ball Nogues Studio
Maximilians Schell
OCEAN
Media Stations Bylgia Instalation /German Pavilion
New Czech National Library
从连续、稳定到间断、突变和不稳定。事物在经过
一段连续变化以后发生突变,从一种状态跳跃到另一种 状态,描述这种突变现象的新的数学学科称为 “突变论”
(Catastrophe Theory)。从平衡的、守恒的、可逆的
到非平衡的、耗散的、不可逆的,从决定性的、有序的、 周期性的、对称的到随机的、无序的、非周期性的、对
Zaha Hadid
Nordpark Cable Railway
广州大剧院
Baku Theatre
数的概念
数觉:某些动物有一种本能,能感知事物的“多少”。一个乌鸦在一
个庄园的塔楼上筑巢,庄园主想捉住它。但当庄园主一进入塔楼,乌 鸦就飞走,他一走出塔楼,乌鸦就飞回来;庄园主和另一个人,2人进 入塔楼,然后1个人走出来,1个人留在里面,但乌鸦不飞回来,它感 到出来的人数比进去的少了,直到留在里面的人出来,它才飞回;庄 园主继续试验,进去3人,出来2人,乌鸦还是不飞回来;继续试验, 直到进去5人,出来4人,乌鸦分辨不出来了,飞了回来,被逮住了。 原始人的数觉并不比乌鸦强,南部非洲的Bushmen人,除了一、二和 多,没有别的数字,澳大利亚土人没有人能了解七。 有的时候,对图形的辨别能提高数觉。桌上有5颗豌豆,均匀地紧 挨著排成一条直线,较难立即判别是4颗还是5颗,但把它们排成方形 (4颗)或是梅花状(5颗),一眼能看出差别。鸟巢中有4个蛋,被人 掏走1个,鸟感觉不到,拿走2个,鸟就看出来了。
运筹学、信息论、控制论、系统论、计算数学等等。
数学的特点
• • • • • 确定性 抽象性 严格性 应用的广泛性 理性美(dry beauty) 数学,“具有一种至高无上的美,一种冷峻(cool,酷
)而严肃的美,这种美没有音乐或绘画那般华丽的装饰,
它纯洁到崇高的地步,达到了只有最伟大的艺术才能显示 的那种完美的境界”。
这些理论以自然界和人类社会广泛的课题为研究对象, 具有广阔的研究领域和普遍的应用范围。这些理论不仅提 供了新的发现和新的论断,更重要的是表达了新的思维方 法、新的认识论和新的世界观。可以预言,这些理论很快 会被引入到建筑理论中来,就像相对论、系统论、信息论、 控制论一样,会成为新一代建筑思潮的自然哲学基础。如 果说现代建筑运动理性主义建筑观念反映了本世纪初建立 在经典数学和传统科学基础上的工业社会的自然哲学,那 么,当今建筑思潮五彩纷呈的现象则折射着后工业化社会 探索复杂性和多样性的自然哲学的辉光。
《Fractal Geometry in Architecture and Design》1996
数字建构
徐卫国,“数字建构”,建筑 学报2009年第一期:“使用数 字技术在电脑中生成建筑形体 ,以及借助于数控设备进行建 筑构件的生产和建筑的建造。 ” 并在清华大学建筑学院开设了 “非线性”建筑设计的课程。 近年来,许多欧美著名大学的 建筑院系开设了相关的课程。
有一种长期流行的观点“我们学艺术的、学建筑的,需要的、擅长的是形象思维, 而数学是逻辑思维,所以数学没有用,也学不好。”“形象”和“逻辑”怎么是一对对 立的词呢?“形象”与“抽象”才是一对对立的词!学艺术的、学建筑的难道不需要抽 象思维?!现代艺术区别于传统艺术最重要的特点之一正是“抽象”!而 “抽象是数学 的本质”。
卡拉特拉瓦
1950年出生于巴格达,在黎巴嫩就读过数学系,1972年进入伦敦的建筑联 盟学院AA学习建筑学,1977年毕业获建筑学硕士学位。 1951年生于西班牙,学过美术,先在巴伦西亚学习建筑,后去瑞士苏黎世
联邦工学院攻读结构工程, 1979年获博士学位。
徐志摩与相对论 1920年10月罗素在南京中国科学社的演讲题目是“爱恩斯坦引力说”。
数制
数序:当数对应于数量的多少,必然就会形成数从小到大的排列顺
序:1、2、3、4、5……,自然数数序。
基数:“屈指可数”,人类开始是用手指来计数,人有2只手,一只
—— 秦 佑 国 , “ 建 筑 与 数 学 ” , 1992
现代数学概念在建筑学中出现
《The ArchitecБайду номын сангаасure of the Jumping Universe
A polemic: How Complexity Science is Changing Architecture and Culture》1995
计数:最初原始人没有数的抽象概念,在一些土著人那里,2个人用2
支矛猎获了2只野鹿,是用不同的语音来表示这三种东西(人、矛、鹿 )的数量“二”的。但后来通过“一一对应”方法,用伸出2个手指, 在木棍上刻划2道刻痕来表示不同物体的相同数量“二”,“计数”就 开始了。罗素:“不知道要经过多少年,人类才发现一对锦鸡和两天同 是数字2的例子。 正是计数,才使具体的、不同质的表达多少的概念结合为统一的抽 象的数的概念,这正是数学的本质。 谁见过 “1 ”?人们见到的是具 体的“一个人”、 “一匹马”、 “一朵花”、“一颗星” … …,但 人类的伟大、思维活动的伟大,将这些具体的事物,抽象成数“1”,并 用一个符号(世界各地几乎都是“︱或—”)来表示。而且在语言上 也统一了,不随具体对象而不同了,变成了抽象的语音符号。
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