1614年,出生在苏格兰爱丁堡的墨奇斯顿城堡的约翰·纳皮尔发明了对数。他的著作《奇妙的对数的描述》前半部分介绍了对数理论,后半部分花了近百页的篇幅给出了对数表,精度达到小数点后三到四位。
我们知道,代数运算分为三个等级:第一级是加减法,第二级是乘除法,第三级是乘方、开方和取对数。也就是说,乘方运算有两种逆运算:开方和取对数。
a?=y,(a≠1且a>0),这三个数可以知二求一,所以第三级运算有三种。其中学生觉得最难理解的是对数。我们是先学幂函数,再学指数函数,最后学对数函数。纳皮尔在发明指数之前就发明了对数,这也是数学史上的一个不可思议的奇迹。
对数好像是一种魔术,它带领我们从第二级运算的世界来到第一级运算的世界,完成运算后把答案带回当初的第二级运算的世界。同理,它也可以带领我们从第三级运算的世界来到第二级运算的世界,完成运算后把答案带回当初的第三级运算的世界。总之,对数像一个魔术师,带领我们在两个世界里来回穿梭,就可以完成计算得到答案。重点是它把计算难度降了一个等级,所以法国数学家拉普拉斯这样评价对数:对数的发明延长了天文学家一倍的寿命。
接下来请看一道用对数进行数值计算的例题,大家就明白为什么说对数相当于计算机。
题目呈现:
已知三角形的面积可以用下图所示的公式求出,这里a,b,c是三角形三边的长,s是三角形周长的一半。
如果a≈15.37,b≈21.42,c≈13.83,求三角形ABC的面积。
解:由题意可知,2s=50.62,s=25.31,故s-a=9.94,s-b=3.89,s-c=11.48。
lg△=?[lg s+lg(s-a)+lg(s-b)+lg(s-c)]
查表可得:
lg s=1.4033
lg(s-a)=0.9974
lg(s-b)=0.5899
lg(s-c)=1.0599
以上全部相加得4.0505,再除以2得到:lg△=2.0253
查表可得:△=106.0≈106
注:因为s-a和s-b都只有3个有效数字,按照近似计算的法则,最后求出的△也只需保留3个数字。
现在我们回到没有计算机的时代,手工计算例题,过程如下:
先计算被开方数,
25.31×9.94×3.89×11.48
=251.5814×3.89×11.48
=978.651646×11.48
=11234.92089608
现在我们来手工开平方,计算过程如下图所示:
解说:把被开方数写在根号下,按照两位一段的原则用撇号分段。有同学问:第一段只有一个1,不足两位,怎么办?我说,可以在1前面加个零,写成01,也可以不加,眼中无零,心中有零也行。
现在我们要开始玩猜数游戏了。第一道题:猜一个数,它的平方≤被开方数第一段,即1。答案显然是1.
于是,我们在第三行书写:12=1。把第二段12抄下来,写在第四行,与第二段对齐。把答案1写在第一段上方,它是平方根的百位数。
现在我们出第二道题:把平方根乘以2,写在下划线前面。答案是0,把答题过程写在第五行,做差并把第三段的34抄下来。把答案0写在第2段上方,它是平方根的十位数。
现在我们出第三道题:把平方根10乘以2得到20,写在下划线前面。
以下解说略,请大家看图。
两种计算方法一对比,对数的优越性体现得淋漓尽致。
但是,现在是21世纪了,对数是17世纪的数学成果,在计算方面的重要性已经大不如前了。
为什么呢?我们不用科学计算器举例,用一个老古董举个例子大家就明白了。
古董出场
请看乔布斯赖以起家的产品:苹果二型机(APPLE-II型机)如下图所示。
它的键盘看不清楚就放大,来个特写如下图所示。
原理如下图所示。
有了计算机,我们来计算下面这道题:
题目呈现
如图,已知圆的半径为10,圆内有一个三角形,三边长分别是5,6,7,求阴影面积(保留两位小数)。答案是299.46.如果你用笔算,需要多少时间?可计算机只用了0.2秒钟。下面是一段计算本题的程序:
10 LET A=5
20 LET B=6
30 LET C=7
40 LET P=(A+B+C)/2
50 LET S1=SQR(P*(P-A)*(P-B)
*(P-C))
60 LET S2=3.14159*10*10
70 LET S3=S2-S1
80 PRINT S3
90 END
RUN
299.462062
上面的程序是用BASIC语言编写的程序。BASIC是Beginner's All-purpose Symbolic Instruction Code的缩写,意思是初学者通用符号指令码,是一种使用广泛的计算机高级语言。
电子计算机的输入设备除了键盘,还有纸带输入机、卡片输入机等设备;输出设备除了显示器以外,还有行式打印机、自动绘图机等设备。
虽然科技发展,我们的工程师不用对数表也不用对数计算尺,改用科学计算器,但是对数函数仍然是一种重要的初等函数,也是高中同学努力学习的重要内容。结论:四百多年前的约翰·纳皮尔依然是数学史上流芳百世的英雄人物。
科学尚未普及,媒体还需努力。感谢阅读,再见。