每個人都是天生的數學家
作者:逸文(中國科學院數學與系統科學研究院)
對大多數人而言,數學是一門枯燥的學科,它意味著繁瑣的數字和計算、深邃的理論與證明。那些高山仰止的數學定理就像是天才們展現智商的工具。一個個精妙絕倫的證明讓試圖接近它的勇士膽怯,更讓追隨者在前人匪夷所思的思想里折服。
在愛好者眼中,每一個數學命題的證明都千變萬化,令人目不暇接,好像魔術一樣神秘。因此,數學mathematic也被人戲謔地稱為mathmagic。
那麼,數學,真的就是那麼捉摸不透,繼而高不可攀嗎?
數學是一門研究數量、結構、變化、空間和信息等等抽象事物的學科。總體而言,數學有三大分支,分別是代數、幾何和分析。
代數是用數字、符號和方程來處理信息;幾何側重於描述物體的空間形態關係,而分析則是溝通幾何與代數的橋樑。
為了構建對客觀以及抽象世界的完整認識,研究數學需要很多艱深晦澀的符號和規則。在花費了大量的時間和精力後,人們往往會失望地發現,這些似乎只是精巧的空中樓閣,在生活中並無裨益。日常的購物、交流乃至工作中,並不需要用到複雜的數學知識。
然而,在漫長的求學生涯里,數學又是無法規避的困難。因此,對數學的焦慮和恐懼,在人們心中留下深深的印跡。
有人說,非理科生的數學學到初二就夠了,這和通過讀推理小說鍛煉邏輯能力一樣無稽
圖/Justin Sullivan/Getty Images
儘管數學看起來如此複雜,人們在抗拒中接受的基礎數學訓練難有成效。
但大多數人卻沒有意識到:每個人天生都具備超強的數學本領,這種本領已經內化為一種與生俱來的本能。為了生存,人類必須具備這種有關數學的能力。
在遠古時代,生存和安全是第一需求。那個時候的智人主要以採集為生。為了尋找可能的食物,人們需要根據環境做出判斷。為了應對潛在的危險,諸如,敵對部落的攻擊、大型捕食者的偷襲,人們還必須懂得如何在最短的時間內找到最優的逃生路徑。
這一切,幾乎是瞬間在大腦里完成的。它仰仗著大腦的數學計算。
令人吃驚的是,直到今天,我們有了最先進的計算機和理論知識。但在最優路徑的規劃問題上,仍然無法達到完滿的結果。
大腦在應對突髮狀況展現出的數學能力往往超乎人們的想像。
在快如閃電的乒乓球對抗賽中,運動員的大腦幾乎在瞬間就指揮身體完成擊球動作。而這樣一個看起來極為自然的動作,在數學上卻是非常複雜的問題。
從抽象的角度來說,我們需要知道來球的速度、方向和旋轉,然後計算出相應的回球力量、方向和旋轉,並且指揮手臂的揮舞動作、肌肉的迸發力量準確無誤地回擊。如果使用計算機檢測到所有具體數值,並給出建議時,比賽早已經結束了。同樣的情況在網球、壘球等競技體育里也展現得淋漓盡致。
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生活中這樣的例子比比皆是。
受過訓練的駕駛員可以輕易處理繁忙的交通狀況,這一切都是在大腦中進行的,極其輕鬆卻又至為複雜的數學運算的結果。
自動駕駛,作為當今世界人工智慧研究的重點方向,即使擁有了最強大的電腦計算能力,也仍然僅僅處於發展的基礎階段,暫時無法應對現實的複雜性。按照美國汽車工程師協會的分級,自動駕駛的成熟需要經歷五個階段,而目前在自動駕駛領域獨領風騷的Google公司也只能達到第三階段,即有條件的人為輔助駕駛。從這個角度來說,人類大腦的數學運算能力遠遠超乎人們的想像。
谷歌自動駕駛汽車
既然大腦是如此強大的數學機器,人們為什麼還需要學習數學呢?
1張百元大鈔和2張百元大鈔很容易就能一眼分辨出來,但是100張百元大鈔和101張各自疊在一起,人們往往就無法輕易區分。這也是大腦的局限。
數學的作用之一就是讓我們從經驗和感覺的謬誤和無能中解脫出來,以超越自身感覺的層次來精確地理解這個世界。數學家所建立的一系列符號公式,更是為了用簡潔的語言來描述外在事物的特徵,有利於跨文化和種族的交流與探索。
伽利略曾經盛讚數學是上帝書寫宇宙的語言,在精密的邏輯結構下,數學呈現出一幅幅具體又抽象的美麗畫卷。數學的語言,就一次次伴隨著人們理解世界的深度和廣度而拓展。每一個數學定理的誕生,都讓我們對世界有了更多的認知。
數學是我們本能的延伸,是描述世界最精確、合理和簡潔的語言。表面上看起來讓人生畏,但在大腦深處,每個人都是天生的數學家。
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