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印度-阿拉伯数字与科学计数法:简洁的征服

躺平猫仙人 18066

前言:

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人类社会从诞生之日起,如何计数,就成了不得不面对的问题。

亿万年前,居住在洞穴中的原始人开始产生了“数”的意识。为了维持生活,他们必须每天外出狩猎和采集果实,但他们带回的食物有时富余,有时却不足果腹,于是他们能简单地分辨出“多”与“少”。慢慢地,人类就有了明确的数的概念。例如,部落首领知道自己手下有多少成员。计数形式也多种多样,比如石子计数、结绳计数、刻痕计数等,我国古代还一直沿用算筹计数。

大约在两千五百年前,罗马数字的雏形被创造了出来,而后在公元3世纪,古印度的一位科学家巴格达才发明了阿拉伯数字。作为现今国际通用数字,阿拉伯数字的名称却经常给人们造成误解。虽然叫做“阿拉伯数字”,但其实这套计数系统最初由古印度人发明,后由阿拉伯人传向欧洲,之后再经欧洲人将其现代化,才成为我们今天看到的样子。

罗马数字

尽管“阿拉伯数字”的称呼并不能反映这种计数系统的真正由来,但毋庸置疑,阿拉伯数字是人类历史上影响最为深远的书写系统之一,它不仅极大地促进了人类数学的发展,也让人类的文明在相当程度上可以被数字度量。

在古代,人们使用的计数方式书写繁杂不便,尤其是因为没有“数位”的概念,使得大数的书写极其困难。在古希腊古罗马的时代,超过一千的数字都被认为是“天文数字”,这和古罗马拉丁语中数字书写的繁复密切相关。在这种情况下,不仅数论和发达的代数学无法发展,一些必须的商业计算或社会生活也会因此而举步维艰。

公元500年前后,随着经济、种姓制度的兴起和发展,印度次大陆西北部的旁遮普地区的数学一直处于领先地位。公元3世纪到5世纪时,当地的一些数学家们开始使用一些更为简便的符号记录数字。这些数学符号总共有10个,每个数字符号都能用一笔写出来的,更重要的是,为了用这些数学符号表示大于10的数字,他们还发明了“数位”的概念。

1981年出土于巴基斯坦的巴克沙利手稿,这是关于早期印度计数符号的重要文献

把数字记在一个个的格子里,如果第一格里有一个符号,比如是一个代表1的圆点,那么第二格里的同样圆点就表示十,而第三格里的圆点就代表一百。同一数字符号根据它与其他数字符号位置关系而具有不同的量。这样,不仅是数字符号本身,它们所在的位置次序也同样拥有了重要意义。

这种数字位置的概念在计数法中是一个极大的创新,人们从此可以用有限多的符号来表示无穷多的数字,相较于繁杂的罗马数字或其他计数法,拥有无可比拟的优势。因此,这种计数法在古代印度西北部地区很快被流传开来。

最早期的印度数学家发明的简便书写符号,最后的圆点是“零”的意思

更令人震惊的是,印度数学家还发明了“零”的概念。

“零”的出现是数学史上一大创造,它的起源深受佛教中大乘佛教的影响。在“零”的概念发明以前,计算到十数时空位加一点,用“.”表示,但后来的印度学者认为“空”是有意义的,于是发明了“0”来代替。“0”的梵文名称为Sunya,汉语音译为“舜若”,意译为“空”。0乘以任何一个数,都使这个数变成0。

瓜廖尔石碑,其建造于公元876,记有数“0”

大约700年前后,阿拉伯人征服了旁遮普地区,他们吃惊地发现:被征服地区的数学比他们先进。于是,他们把印度的数学家抓到了阿拉伯,强迫他们教授印度的计算方法和数学相关的知识。由于印度数字和印度计数法既简单又方便,其优点远远超过了其他的计算法,阿拉伯的学者们很愿意学习这些先进知识,商人们也乐于采用这种方法去做生意。

公元10世纪的阿拉伯数字,和今天的数字很不相同

后来,阿拉伯人把这种数字传入西班牙,公元10世纪,又由教皇热尔贝·奥里亚克传到欧洲其他国家。公元1200年左右,欧洲的学者正式采用了这些符号和体系。至13世纪,在意大利比萨的数学家斐波那契的倡导下,普通欧洲人也开始采用阿拉伯数字,15世纪时这种现象已相当普遍。

阿拉伯数字笔画简单,书写方便,加上使用十进位制便于运算,逐渐在各国流行起来,成为世界各国通用的数字。

公元14世纪时的阿拉伯数字,书写方式和今天的数字已经相差无几

意大利数学家斐波那契,在他的力主下,阿拉伯数字走向欧洲

阿拉伯数字传入我国,大约是在13-14世纪。由于我国古代有一种数字叫“算筹”,写起来比较方便,所以阿拉伯数字当时并没有得到及时的推广运用。直到20世纪初,随着我国对外国数学成就的吸收和引进,阿拉伯数字在我国才开始慢慢使用。

印度-阿拉伯数字系统书写简便,数位清晰,并且可以很好地区分整数和小数,这就导致了基于这种计数方式的科学计数法发明。

计算器当中显示的阿伏伽德罗常数,数值较大用科学计数法表示一目了然

当我们要表示非常大或非常小的数时,如果用一般的方法,将一个数的所有位数都写出来,会很难直接确知它的大小,还会浪费很多空间。但如果使用科学计数法,一个数的数量级、精确度和数值都较容易看出,且不用写那么多的零。这样一来,对于很多数的量级就可以做出直观的判断。

科学计数法的原理最早是由古希腊学者阿基米德提出的,但古希腊的数学书写符号显然不能支撑他科学计数法的愿景,而印度-阿拉伯数字的书写方式为科学计数法提供了有利的条件。有了科学计数法之后,基于指数和对数的函数蓬勃发展,进一步促进了数学和科学的兴盛。

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