如果教法正确,恨数学的人会比现在少得多。激发对数学的热爱,有各种方法。一种方法是伽利略的父亲无意识地采用过的方法。但这种方法对于教育界的权威而言,可能不太合适(伽利略的父亲生怕孩子喜欢上数学,一直小心防范,不让伽利略接触数学,结果伽利略反而迷上了数学)。还有其它可以更广泛地成功的方法。所有的数学教学,在初期阶段,都应当从实际问题开始。
问题应该简单,并让小孩觉得有趣。我(罗素)小时候学习时,书上的问题都是那种没一个人愿意去解的问题。比如:A,B,C三人从X地走向Y地,A步行,B骑马,C骑车。当钟点数为奇数时A要睡觉,B的马是瘸腿,C在路上扎破了轮胎。A花的时间是B的马如果腿没瘸时花的时间的两倍,C到达的时刻是A如果不睡觉时到达时刻之后一个半小时,等等。这些玩意让最热心的学生都没了兴趣。最好的教学方法,是从数学的早期历史中寻找启示。
人们发明数学这一学科,是因为遇到实际问题,出于好奇心或某种迫切的实际理由,人们真地想要解决这些问题。古希腊数学和哲学的奠基人是泰勒斯。他旅行到埃及时,埃及国王问他能不能找出大金字塔的高是多少。泰勒斯测量了金字塔和他自己的影子的长度,算出了金字塔的高。国王又问他,不离开陆地,能不能知道海上的一条船有多远。
泰勒斯想出一个办法:假设河岸沿东西方向,A是岸上一点,船在A点正南方;沿河岸向东走到另一点B,发现船正好位于西南方向;那么,B点到A点的距离,正好就是船到A点的距离。如果船是敌人海军,这一知识非常有用。这些故事,以及下面的故事,不一定真实准确,但这不重要。严肃的数学开始于毕达哥拉斯定理。古埃及人在长期的土地测量中注意到,如果一个三角形的边长分别是3、4、5,那么一个角是直角。毕达哥拉斯注意到一件奇怪的事:
3乘3是9,4乘4是16,9加16是25,正好就是5乘5。他将这进行了推广,并证明了……。这是一个最重大的发现,激励古希腊人建立起几何科学。但是这一发现带来一个问题,困扰了古希腊与后世数学家,直到现在才完全解决。设有一直角三角形,两条短边的长都是1,斜边的长是多少?表示斜边长度的数,与自身相乘后,必定等于2。
古希腊人很快发现,没有这样的数!它既不是整数,也不是分数!它能是什么呢?这一直是一个奥秘……类似的问题是2的立方根,也就是数x,x乘以x乘以x要等于2。某个城市遭受一系列厄运,最后去德尔斐的阿波罗神庙请示神谕,询问灾难的原因。阿波罗说,他们城市里阿波罗神庙中的神像太小了,他想要一个两倍大的神像。市民热切遵从神的命令,
他们一开始打算做一个高度为旧神像两倍高的雕像,但很快意识到神像还应是两倍宽和两倍厚,因此就需要8倍的材料,也就是原大的8倍。为了让新神像总共是原像的两倍大,它的高该是多少呢?市民派代表团去找柏拉图,问他的学园中有没有人能给出答案。柏拉图叫他学园中的数学家们研究这个问题。几百年以后,他们得出结论:没有答案。
当然,问题能近似地解决,但是没有一个分数能够连乘三次以后精确地等于2。问题虽然没有解决,但是在寻找解答的过程中,人们做了很多有用的工作。暂时告别古代,来看一个保险公司的问题。假设你想投一笔保,你死后可以让你的遗孀得到10万元。你每年应当支付多少钱呢?假设你(预期)还能活20年。每年支付5000元吗?不,你没把利息考虑进去。
你第一年支付的5000元要增值20年,第二年支付的5000元要增值19年,等等。实际上,若年利率为百分之四,你每年支付5000元,20年以后,你将得到大约15万元。这一类的总和怎么计算呢?这是“几何数列”的求和问题。“几何数列”是这样一系列的数,其中每一个数都是前一个数的固定倍数。比如1,2,4,8,16,…每个数都是前一个数的两倍;1,3,9,27,81,…每个数都是前一数的3倍;1,2分之1,4分之1,8分之1,16分之1,…每个数都是前一数的一半。
回到投保问题。每元钱过一年后增长为1.04元,第二年又增长为1.04元的1.04倍,第三年又增长为1.04元的1.04倍的1.04倍。这样,如果你每年缴纳1元钱,20年后,你会得到1.04的20次方加1.04的19次方加…加1.04的平方加1.04(元),这是一个几何数列。古希腊人对几何数列非常感兴趣,特别是那种一直延续下去的几何数列。比如,2分之1加4分之1加8分之1加…,一直加下去,总和是1。循环小数0.999999…也等于1。人们花了很长时间,才完全理解这些奇怪的结果。
古希腊几何学不仅仅考虑直线和圆,还考虑“圆锥曲线”,这是用一个平面去截一个圆锥所得到的各种曲线。它们还是一个圆投在墙上的影子所有可能的形状。古希腊人研究它们纯粹是为了好玩,而不是为了实际用途,因为他们看不起具有实际用途的东西。但在大约2000年之后,在17世纪,人们突然发现它们有着最为重大的实际用处。随着火炮的发展,人们发现,如果你想击中一个远处的目标,你不能直接瞄准它,而要往上瞄一点。没有人能精确地知道炮弹是怎么走的,
但军队长官迫切想知道。在托斯卡纳公爵手下任职的伽利略发现了答案:炮弹走的是一条抛物线,是圆锥曲线中的一种。大约在同时,开普勒发现,行星绕太阳旋转的轨道是一个椭圆,这是另一种圆锥曲线。圆锥曲线还能看成圆的影子。如果你有一台带有圆形灯罩的灯,将灯罩开口朝上放,灯罩在天花板上的影子是一个圆,而在墙壁上的影子则是双曲线。拿一张纸放在灯罩上方,纸张稍稍偏离水平面时,灯罩在纸上的影子是椭圆;让纸张倾斜,椭圆变长;继续让纸张倾斜,
影子刚刚变成不是椭圆时,你得到抛物线;纸张继续倾斜,得到双曲线。(还可以用一个硬纸圆盘与手机电筒,再利用墙壁,做这个实验。我建议大家实际玩一下,simple and beautiful。)喷泉出来的水珠画出的曲线是抛物线。数学上,影子问题与透视问题是一回事。图形与它所有可能的影子有着一些共同的性质,对这些性质的研究被称为“射影几何”。虽然射影几何真地比古希腊人研究的那种几何要简单,但人们很晚才发现它。射影几何的先驱之一是帕斯卡,可惜他认为宗教沉思比数学更重要,没有进行更深入的研究。