图书-数学：《数学之美》

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《数学之美》是人民邮电出版社于2012年5月出版的图书，作者吴军，2014年再版。书中将高深的数学原理讲得更加通俗易懂，让非专业读者也能领略数学的魅力。通过具体实例教会读者在解决问题时如何化繁为简，如何用数学去解决工程问题，如何跳出固有思维不断去思考创新等。

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1、

书名：数学之美
作者：吴军
ISBN：9787115282828
页数：272

定价：45.00元
出版社：人民邮电出版社
出版时间：2012-5
装帧：平装

内容简介

几年前，“数学之美”系列文章原刊载于谷歌黑板报，获得上百万次点击，得到读者高度评价。读者说，读了“数学之美”，才发现大学时学的数学知识，比如马尔可夫链、矩阵计算，甚至余弦函数原来都如此亲切，并且栩栩如生，才发现自然语言和信息处理这么有趣。

今年，作者吴军博士几乎把所有文章都重写了一遍，为的是把高深的数学原理讲得更加通俗易懂，让非专业读者也能领略数学的魅力。读者通过具体的例子学到的是思考问题的方式 —— 如何化繁为简，如何用数学去解决工程问题，如何跳出固有思维不断去思考创新。

作者简介

吴军博士，毕业于清华大学（本科、硕士）和美国约翰·霍普金斯大学（博士）。在清华大学和约翰·霍普金斯大学期间，吴军博士致力于语音识别、自然语言处理，特别是统计语言模型的研究。他曾获得1995年全国人机语音智能接口会议的最佳论文奖和2000年Eurospeech的最佳论文奖。曾任腾讯公司主管搜索、在线广告和云计算基础架构的副总裁，在加入腾讯之前，在谷歌工作，2013年离开腾讯，回到谷歌。

吴军博士于2002年加入Google公司。在Google，他和Amit Singhal（Google院士，世界著名搜索专家）、Matt Cutts（Google反作弊官方发言人）等三位同事一起开创了网络搜索反作弊的研究领域，并因此获得Google工程奖。2003年，他和Google全球架构的总工程师朱会灿博士等共同成立了中日韩文搜索部门。吴军博士是当前Google中日韩文搜索算法的主要设计者。在Google期间，他还领导了许多研发项目，包括许多与中文相关的产品和自然语言处理的项目，并得到了当时公司首席执行官埃里克·施密特和创始人谢尔盖·布林的高度评价。

吴军博士在国内外发表过数十篇论文，并获得和申请了十余项美国和国际专利。他撰写的《浪潮之巅》一书深受业界的好评。他于2007年起担任风险投资基金中国世纪基金的董事。2011年起，当选为约翰·霍普金斯大学工学院董事会董事，并在该校的国际事务委员会担任顾问。他是国家重大专项“新一代搜索引擎和浏览器”项目的总负责人，从2012年起任职工业与信息化部的专家和顾问。

作品目录

出版说明
　　序言1
　　序言2
　　前言
　　第1章　文字和语言 vs 数字和信息
　　第2章　自然语言处理 — 从规则到统计
　　第3章　统计语言模型
　　第4章　谈谈中文分词
　　第5章　隐含马尔可夫模
　　第6章　信息的度量和作用
　　第7章　贾里尼克和现代语言处理
　　第8章　简单之美 — 布尔代数和搜索引擎的索引
　　第9章　图论和网络爬虫
　　第10章　PageRank — Google的民主表决式网页排名技术
　　第11章　如何确定网页和查询的相关性
　　第12章　地图和本地搜索的最基本技术 — 有限状态机和动态规划
　　第13章　Google AK-47的设计者 — 阿米特 · 辛格博士
　　第14章　余弦定理和新闻的分类
　　第15章　矩阵运算和文本处理中的两个分类问题
　　第16章　信息指纹及其应用
　　第17章　由电视剧《暗算》所想到的 — 谈谈密码学的数学原理
　　第18章　闪光的不一定是金子 — 谈谈搜索引擎反作弊问题
　　第19章　谈谈数学模型的重要性
　　第20章　不要把鸡蛋放到一个篮子里 — 谈谈最大熵模型
　　第21章　拼音输入法的数学原理
　　第22章　自然语言处理的教父马库斯和他的优秀弟子们
　　第23章　布隆过滤器
　　第24章　马尔可夫链的扩展 — 贝叶斯网络
　　第25章　条件随机场和句法分析
　　第26章　维特比和他的维特比算法
　　第27章　再谈文本自动分类问题 — 期望最大化算法
　　第28章　逻辑回归和搜索广告
　　第29章　各个击破算法和Google云计算的基础
　　附录
　　后记
　　索引

表述

概念

美是人类创造性实践活动的产物，是人类本质力量的感性显现。通常我们所说的美以自然美、社会美以及在此基础上的艺术美、科学美的形式存在。数学美是自然美的客观反映，是科学美的核心。简言之数学美就是数学中奇妙的有规律的让人愉悦的美的东西。

历史上许多学者、数学家对数学美从不同的侧面作过生动的阐述。普洛克拉斯早就断言：“哪里有数学，哪里就有美。”亚里士多德也曾讲过：“虽然数学没有明显地提到善和美，但善和美也不能和数学完全分离。因为美的主要形式家是“秩序、匀称和确定性”，这些正是数学研究的原则。”

我国著名数学家华罗庚说过：“就数学本身而言，是壮丽多彩、千姿百态、引人入胜的……认为数学枯燥乏味的人，只是看到了数学的严谨性，而没有体会出数学的内在美。”数学家徐利治说：“作为科学语言的数学，具有一般语言文字与艺术所共有的美的特点，即数学在其内容结构上和方法上也都具有自身的某种美，既所谓数学美。数学美的含义是丰富的，如数学概念的简单性、统一性，结构关系的协调性、对称性，数学命题与数学模型的概括性、典型性和普遍性，还有数学中的奇异性等等都是数学美的具体内容。”

以上的论述可见，数学中充满着美的因素，数学美是数学科学的本质力量的感性和理性的呈现，它不是什么虚无飘渺、不可捉摸的东西，而是有其确定的客观内容。

区别

数学美有别与其它的美，它没有鲜艳的色彩，没有美妙的声音，没有动感的画面，它却是一种独特的美。

德国数学家克莱因曾对数学美作过这样的描述：“音乐能激发或抚慰情怀，绘画使人赏心悦目，诗歌能动人心弦，哲学使人获得智慧，科技可以改善物质生活，但数学却能提供以上一切。”

数学美与其它美的区别还在于它是蕴涵在其中的美。打个比方来说，大家一定都有这种感觉，绝大部分同学对音体美容易产生兴趣，而对数学感兴趣的不多。我认为，这主要有两个方面的原因：一是音体美中所表现出来的美是外显的，这种美同学们比较容易感受、认识和理解；而数学中的美虽然也有一些表现在数学对象的外表，如精美的图形、优美的公式、巧妙的解法等等，但总的来说数学中的美还是深深地蕴藏在它的基本结构之中，这种内在的理性美学生往往难以感受、认识和理解，这也是数学区别于其它学科的主要特征之一。二是长期以来，我们的数学教材过分强调逻辑体系和逻辑推演，忽视数学美感、数学直觉的作用，长此以往，学生将数学与逻辑等同起来。一味注重数学的逻辑性而忽视了数学本身的美，学习的过程中就会感到枯燥无味缺乏兴趣。

大多数的数学家会由他们的工作及一般数学里得出美学的喜悦。他们形容数学是美丽的来表示这种喜悦。有时，数学家会形容数学是一种艺术的形式，或至少是一个创造性的活动。通常拿来和音乐和诗歌相比较。

数学之美还在于其对生活的精确表述、对逻辑的完美演绎。可以说正是这种精确性才成就了现代社会的美好生活。

感觉

伯特兰·罗素以下列文字来形容他对数学之美的感觉：

Mathematics, rightly viewed, possesses not only truth, but supreme beauty — a beauty cold and austere, like that of sculpture, without appeal to any part of our weaker nature, without the gorgeous trappings of painting or music, yet sublimely pure, and capable of a stern perfection such as only the greatest art can show. The true spirit of delight, the exaltation, the sense of being more than Man, which is the touchstone of the highest excellence, is to be found in mathematics as surely as poetry. (The Study of Mathematics, in Mysticism and Logic, and Other Essays, ch. 4, London: Longmans, Green, 1918.)

翻译：数学，如果正确地看它，则具有……至高无上的美——正像雕刻的美，是一种冷而严肃的美，这种美不是投合我们天性的微弱的方面，这种美没有绘画或音乐的那些华丽的装饰，它可以纯净到崇高的地步，能够达到严格的只有最伟大的艺术才能显示的那种完美的境地。一种真实的喜悦的精神，一种精神上的亢奋，一种觉得高于人的意识——这些是至善至美的标准，能够在诗里得到，也能够在数学里得到。（研究数学，在神秘主义和逻辑，与其他论文，概括。4、伦敦：浪漫书屋，绿色，1918年。）

保罗·埃尔德什形容他对数学不可言说的观点，而说：“为何数字美丽呢？这就像是在问贝多芬第九号交响曲为什么会美丽一般。若你不知道为什么，其他人也没办法告诉你为什么。我知道数字是美丽的。且若它们不是美丽的话，世上也没有事物会是美丽的了。”

有趣的数学

它的最美之处莫过于在无形之中就让你思维变得敏捷．考虑事情时，不在那么偏激，那么单一．

作为一个公民来说了不了解它是一个后话，至少应该不否定它．尤其是学生．

让我们先来看看看下面的算式：

1 x 8 + 1= 9

12 x 8 + 2= 98

123 x 8 + 3= 987

1234 x 8 + 4= 9876

12345 x 8 + 5= 98765

123456 x 8 + 6= 987654

1234567 x 8 + 7= 9876543

12345678 x 8 + 8= 98765432

123456789 x 8 + 9= 987654321

1 x 9 + 2= 11

12 x 9 + 3= 111

123 x 9 + 4= 1111

1234 x 9 + 5= 11111

12345 x 9 + 6= 111111

123456 x 9 + 7= 1111111

1234567 x 9 + 8= 11111111

12345678 x 9 + 9= 111111111

123456789 x 9 +10= 1111111111

9 x 9 + 7= 88

98 x 9 + 6= 888

987 x 9 + 5= 8888

9876 x 9 + 4= 88888

98765 x 9 + 3= 888888

987654 x 9 + 2= 8888888

9876543 x 9 + 1= 88888888

98765432 x 9 + 0= 888888888

1 x 1= 1

11 x 11= 121

111 x 111= 12321

1111 x 1111= 1234321

11111 x 11111= 123454321

111111 x 111111= 12345654321

1111111 x 1111111= 1234567654321

11111111 x 11111111= 123456787654321

111111111 x 111111111= 12345678987654321

3 x 4=12

33 x 34=1122

333 x 334=111222

3333 x 3334=11112222

33333 x 33334=1111122222

333333 x 333334=111111222222

142857 x1=142857

142857x 2=285714

142857x 3=428571

142857x 4=571428

142857x 5=714285

142857x 6=857142

142857x 7=999999

11x 101=1111

12x 101=1212

13x 101=1313

14x 101=1414

15x 101=1515

16x 101=1616

17x 101=1717

18x 101=1818

19x 101=1919

20x 101=2020

内容

随着数学的发展和人类文明的进步，数学美的概念会有所发展，分类也不相同，但它的基本内容是相对稳定的，这就是：对称美、简洁美、统一美和奇异美。

对称美

所谓对称性，既指组成某一事物或对象的两个部分的对等性，从古希腊的时代起，对称性就被认为是数学美的一个基本内容。毕达哥拉斯就曾说过：“一切平面图形中最美的是圆，在一切立体图形中最美的是球形。”这正是基于这两种形体在各个方向上都是对称的。

中国的建筑就很好的应用了数学的对称美，有许多的园林建筑都应用了这一点。

数学中的这种对称处处可见：几何中具有的对称性（中心对称、轴对称、镜象对称等）的图形很多，都给我们一种舒适优美的感觉。几何变换也具有对称性。

杨辉三角更组成美丽的对称图案

1 1

1 2 1

1 3 3 1

1 4 6 4 1

1 5 10 10 5 1

1 6 15 20 15 6 1

……

分析：在杨辉三角的图案中每一行的除了首尾的数字是1以外，其他的数字是左上角和右上角的数字的和。这样就构成了有规律的并且是成对称的形状的三角图案了。

集合运算中的下面两个公式的对称性也是极其优美的：

C（A ）=CA CB C (A B ) =CA CB

两个集合的并（交）的补集就是两个集合补集的交（并）。

数学的解题中也体现对称美：

例1、

解：原式=111111111×111111111

=12345678987654321

分析：等式的一边是九个1乘以九个1，另一边是九个数字的排列并且成对称的，结果也是九个数字组成的对称的结构，真是太出人意料了太美妙了

例2、 0×9+1=1

1×9+2=11

12×9+3=111

123×9+4=1111

1234×9+5=11111

…………………

分析：例2中也蕴涵着对称留给读者去体会。

此外代数中的对称多项式，有理系数的多项式方程无理根成对出现，实系数的多项式方程虚根成对出现，函数及其反函数图象的关系，线性方程组的距阵表示及克莱姆法则等都呈现出对称性。

还有一个类似对称的词匀称。“匀称性”的概念可以看成“对称性”的概念的自然发展。线段的黄金分割就是一个典型的例子，主要是因为由此构成的长方形给人以“匀称美”的

感觉。黄金分割比…也被誉为“人间最巧的比例”。世界上许多著名的建筑广泛采用黄金分割的比例。一些名画的主题，电影画面的主题大多放在画面的0.618处，给人以舒适的美感。乐曲中较长一段一般是总长度的0.618，弦乐器的声码放在琴弦的0.618处会使声音更甜美。另外，黄金分割比在优选法中有着重要的作用。

简洁美

汉语的语言要求言简意赅，同样数学作为逻辑性很强的学科它的语言表达也是简洁的。

简单性（或称简洁性）也是数学美的一个基本内容。数学的简洁性是人类思想表达经济化要求的反映，它同样给人以美感。爱因斯坦说过：“美在本质上终究是简单性。”

数学语言本身就是最简洁的文字，同时反映客观规律极其深刻，许多复杂的客观现象，总结为一定的规律时，往往呈现为十分简单的公式。

欧拉给出的公式：V－E+F=2，堪称“简单美”的典范。世间的多面体有多少没有人能说清楚。但它们的顶点数V、棱数E、面数F，都必须服从欧拉给出的公式，一个如此简单的公式，概括了无数种多面体的共同特性，令人惊叹不已。在数学中，像欧拉公式这样形式简洁、内容深刻、作用很大的定理还有许多。

比如：圆的周长公式：C=2πR 任意一个圆它的周长都满足这样的公式。

勾股定理：直角三角形两直角边的平方和等于斜边平方。在所有的直角三角形中直角边和斜边都满足这样的关系。

正弦定理：ΔABC的外接圆半径R，则把三角形的边、角和它的外接圆的半径建立了简单的数学关系。

数学中绝大部分公式都体现了“形式的简洁性，内容的丰富性”。正如伟大的希而伯特曾说过：“数学中每一步真正的进展都与更有力的工具和更简单的方法的发现密切联系着”。如笛卡尔坐标系的引入。对数符号的使用，复数单位的引入。微积分的出现都体现了数学外在形式更简洁，内容更深厚。

著名的皮亚诺公式只用了三个不加定义的原始概念和五个不加证明的公理，显示了逻辑上的简洁。由此产生的自然数理论是现代数学基础研究的起点，这三个原始概念是“自然数”，“1”，“后继（数）”；五个公理是：

公理一：1是自然数，

公理二：任何自然数的后继也是自然数，

公理三：没有两个自然数有相同的后继，

公理四：1不是任何自然数的后继，

公理五：若一个有自然数组成的集合S含有1，且当S含有任一个自然数时，也一定含有它的后继，则S就含有全体自然数。

数学的简洁美还表现在形态上，即数学美的外部表现形态，是数学定理和数学公式(或表达式)的外在结构中呈现出来的美。形态美的主要特征，在于它的简单性。例如，英国科学家牛顿用F=ma概括了力、质量、加速度之间的定量关系；又如，德国科学家爱因斯坦用E=mc^2 揭示了自然界的质量和能量的转换关系；这里F=ma、E=mc^2就外在形式而论，都是非常简洁的，不失为数学形态美的范例。再如，中国数学家和语言学家周海中关于梅森素数分布的猜测：当2^（2^n）<p<2^（2^（n+1））时，Mp有2^（n+1）－1个是素数（p为素数；n为自然数；Mp为梅森数）。著名数学家张景中院士认为，“周氏猜测”以非常简洁、优美的形式揭示了数学之美。

统一美

所谓统一美，是指部分与部分、部分与整体之间的和谐一致。

在数学中有好多数学统一性的例子。例如，引入负数，有了相反数的概念之后，有理数的加法和减法得到统一，它们可以统一为代数和的形式。有了倒数的概念，除以一个不等于零的数等于乘上它的倒数，于是乘法与除法得到了统一。例如平面几何中的相交弦定理、割线定理、切割线定理和切线长定理均可统一到圆幂定理之中。在体积计算中有所谓的“万能计算公式”，它能统一地应用于棱（圆）柱、棱（圆）锥及棱（圆）台的体积计算

统一美反映的是审美对象在形式或内容上的某种共同性、关联性或一致性,它能给人一种整体和谐的美感。数学对象的统一性通常表现为数学概念、规律、方法的统一,数学理论的统一,数学和其它科学的统一。

数学概念、规律、方法的统一。一切客观事物都是相互联系的，因而,作为反映客观事物的数学概念、数学定理、数学公式、数学法则也是互相联系的，在一定条件下可处于一个统一体之中。例如，运算、变换、函数分别是代数、几何、分析这三个数学分支中的重要概念,在集合论中,便可统一于映射的概念。又如代数中的算术平均——几何平均定理、加权平均定理、幂平均定理、加权幂平均定理等著名不等式,都可以统一于一元凹、凸函数的琴森不等式。

在数学方法上，同样渗透着统一性的美。例如,从结构上分析，解析法、三角法、复数法、向量法和图解等具体方法,都可以统一于数形结合法。数学中的公理化方法,使零散的数学知识用逻辑的链条串联起来,形成完整的知识体系,在本质上体现了部分和整体之间的和谐统一。

数学理论的统一。在数学发现的历史过程中，一直存在着分化和整体化两种趋势。数学理论的统一性主要表现在它的整体性趋势。欧几里德的《几何原本》,把一些空间性质简化为点、线、面、体几个抽象概念和五条公设及五条公理,并由此导致出一套雅致的演绎理论体系,显示出高度的统一性。布尔基学派的《数学原本》,用结构的思想和语言来重新整理各个数学分支,在本质上揭示数学的内在联系,使之成为一个有机整体,在数学的高度统一性上给人一美的启迪。

数学和其它科学的统一。数学和其它科学的相互渗透，导致了科学数学化。正如马克思所说的,一门科学只有当它成功的运用数学时,才算达到了真正完善的地步。力学的数学化使牛顿建立了经典力学体系。科学的数学化使物理学与数学趋于统一。建立在相对论和量子论两大基础理论上的物理学,其各个分支都离不开数学方法的应用,它们的理论表述也采用了数学的形式。化学的数学化加速了化学这门实验性很强的学科向理论科学和精确科学过渡。生物数学化使生物学日益摆脱对生命过程进行现象描述的阶段,从定性研究转向定量研究,这个数学化的方向,必将同物理学、化学的数学化方向一样,把人类对生命世界的认识提高到一个崭新的水平。不仅自然科学普遍数学化了,而且数学方法也进入了经济学、法学、人口学、人种学、史学、考古学、语言学、文学等社会科学领域,日益显示出它的效用。数学进入经济学领域最大的成就是本世纪出现的计量经济学。数学进入语言学领域，使语言学研究经历了统计语言学、代数语言学和算法语言学三个阶段。数学向文学的渗透,发现了数学的抽象推理和符号运算同文学的形象思维之间有着奇妙的联系。

奇异美

人们提起数学的时候通常会说“奇妙的数学”，数学的学习和解题中也有一些非常规的奇妙的解法等等。这些就是我们通常说的数学的奇异性。

徐利治教授说“奇异是一种美，奇异到极度更是一种美。”弗兰西斯·培根曾说：“没有一个极美的东西不是在匀称中有着某种奇异。”这句话的意思是：奇异存在于美的事物之中，奇异是相对于我们所熟悉的事物而言。一个事物十分工整对称、十分简洁或高度统一，都给人一种奇异感，一个新事物、新规律、新现象的被揭示，总是使人们感到一种带有奇异的美感，令人产生一种惊奇的愉快。数学审美对象的奇异性有以下几种典型表现形式。奇异性是数学美的一个重要特征，它反映了显示世界中非常规现象的一个侧面，也是数学发现中的重要美学因素。数学领域中的一些新的观念的产生，就是来自对奇异美的追求。

毕达哥拉斯学派认为任何数量都可表示成整数或两个整数的比，而无理数的发现无疑是一个奇异的结果。它打破了原先的数的和谐性，被称为第一次数学危机。

奇异性常常和数学中的反例紧密相联，反例的产生则往往导致人们的认识能够的深化和数学理论的重大发展。例如人们以为一切函数都是连续的，连续性不被人们所注目，当有间断点的函数出现以至于有著名的狄里克莱函数：D（x）= （x为有理数1时函数值等于1，x为无理数量函数值为0）出现时，由于它在实数轴上处处有定义，但却处处间断，这种奇异性的发现使人们对连续性的美妙之处看得更清楚了。同样，当魏尔斯特拉斯给出处处连续而处处不可微的函数时，人们对可微的概念便有了更深刻的认识。

关于数学的奇异性，接下来我讲一个蒲丰用投针求圆周率的近似值的试验也是数学方法奇异性的一个典型例子。有一天蒲丰邀请许多宾朋来家做了一个奇特的实验。他事先在白纸上画好了一条条有等距离的平行线，将纸铺在桌上，又拿出一些质量匀称长度为平行线间距离之半的小针，请客人把针一根根随便仍到纸上，蒲丰则在一旁计数，结果共投2212次，其中与任意平行线相交的有704次，蒲丰又做了一简单的除法，然后他宣布这就是圆周率的近似值，还说投的次数越多越精确。这个实验使人震惊，圆周率和一个表面看来毫不相干的随便投针实验沟通在一起。然而，这确实是有理论根据的。计算圆周率的这一方法新颖、奇妙而让人叫绝，充分显示了数学方法的奇异美。

另外，四元数理论、突变理论、非欧几何等等无不显示出数学的奇异美

还有这样一个问题：“凸n(n>4)边形的对角线最多有几个交点？”这个问题，按照习惯，也许会从四边形开始，逐步通过五边形、六边形……来构造对角线的交点，从中归纳出一般规律。当一次次构造的尝试都未获得理想的结果时，我们要敢于放弃传统方法，另辟蹊径：一个交点是由两条对角线相交而成，两条对角线由四个顶点确定，而凸n边形任意四个顶点都能且只能确定一个交点，于是问题就转化为“在n个顶点中任意取四个，共有几种取法。”新颖的方法带来了意想不到的效果，这便是化归法的奇异美所在。

在教学“奇妙的9”时，举了一些式子也是数学奇妙性的反映

2×9=18 1+8=9

13×9=117 1+1+7=9

26×9=234 2+3+4=9

56×9=504 5+0+4=9

78×9=702 7+0+2=9

通过观察，他们发现任意的一个自然数乘9，乘的的积的各个数位上的和均为9的倍数，这是多么美妙的发现，学生在体验到成功的喜悦的同时，也体会到了数学的神奇美。

奇巧的东西给人以奇异、巧妙之感，高度的奇巧更是令人赏心悦目。数学中充满着奇巧的符号、公式、算式、图形和方法。欧拉给出的著名公式

，将最基本的代数数0，1，虚数i和超越数

，e用最基本的运算符号，通过最方便的方式巧妙的组合在一起，可谓数学创造的艺术精品。欧拉求无穷级数 1/n2和的方法、蒲丰投针求p值的方法、希尔伯特解决果尔丹问题的存在性证明方法，都以其巧妙而赢得学术界的高度赞美。

神秘的东西都带有某种奇异色彩，使人产生幻想和揭示其奥妙的欲望。某些数学对象的本质在没有充分暴露之前，往往会使人产生神秘或不可思议感。比如，在历史上，虚数曾一度被看作是“幻想中的数”、“介于存在和不存在之间的两栖物”；无穷小量dx曾长期被蒙上神秘的面纱，被英国大主教贝克莱称为“消失了量的鬼魂”；彭加勒把集合论比喻为“病态数学”，外尔则称康托尔关于基数的等级是“雾上之雾”；非欧几何在长达半个世纪的时间内被人称为“想象的几何”、“虚拟的几何”等等。当然，当人们认识到这些数学对象的本质后，其神秘性也就自然消失了。

重要美

数学在人类文明的发展中起着非常重要的作用，数学推动了重大的科学技术进步。但在历史上，限于技术条件，依据数学推理和推算所作的预见，往往要多年之后才能实现。数学为人类生产和生活带来的效益容易被忽视。进入二十世纪，尤其是到了二十世纪中叶以后，科学技术发展到这一步：数学理论研究与实际应用之间的时间差已大大缩短，特别是当前，随着电脑应用的普及，信息的数字化和信息通道的大规模联网，依据数学所作的创造设想已经达到可即时试验、即时实施的地步。数学技术将是一种应用最广泛、最直接、最及时、最富创造力和重要的实用技术。

数学与科学技术进步：

二十世纪科学技术进步给人类生产和生活带来的巨大变化确实令人赞叹不已。从远古时代起一直是人们幻想的“顺风耳”，“千里眼”，“空中飞行”和“飞向太空”都在这一世纪成为现实。回顾二十世纪的重大科学技术进步，以下几个项目元疑是影响最大的，而数学的预见和推动作用是非常关键。

先有了麦克斯韦方程人们从数学上论证了电磁波，其后赫兹才有可能做发射电磁波的实验，接着才会有电磁波声光信息传递技术的发展；

爱因斯坦相对论的质能公式首先从数学上论证了原子反应将释放出的巨大能量，预示了原子能时代的来临．随后人们才在技术上实现了这一预见，到了今天，原子能已成为发达国家电力能源的主要组成部分；

牛顿当年已经通过数学计算预见了发射人造天体的可能性，差不多过了将近三个世纪，人们才实现了这一预见；

电子数字计算机的诞生和发展完全是在数学理论的指导下进行的。数学家图灵和冯诺依曼的研究对这一重大科学技术进步起了关键性的推动作用；

遗传与变异现象虽然早就为人们所注意。生产和生活中也曾培养过动植物新品种。遗传的机制却很长时间得不到合理解释，十九世纪60年代，孟德尔以组合数学模型来解释他通过长达8年的实验观察得到的遗传统计资料，从而预见了遗传基因的存在性。多年以后，人们才发现了遗传基因的实际承载体，到了本世纪50年代沃森和克里发现了DNA分子的双螺旋结构。这以后，数学更深刻地进入遗传密码的破译研究。

数学是人类理性思维的重要方式，数学模型，数学研究和数学推断往往能作出先于具体经验的预见。这种预见并非出于幻想而是出于对以数学方式表现出来的自然规律和必然性的认识，随着科学技术的发展，数学、预见的精确性和可检验性日益显示其重意义。

时代大潮的潮头：

我们面临一个科学技术迅猛发展的时代。信息的数字化和信息的数学处理已经成为几乎所有高科技项目共同的核心技术。从事先设计、制定方案，到试验探索、不断改进，到指挥控制、具体操作，处处倚重于数学技术。众多新闻报道反映出这一时代大潮汹涌澎湃的势头。下面列举的仅仅是其中一小部分。

数学技术已经成为工业新产品研制设计的重要关键技术。1994年4月9日，被称为“百分之百数字化确定”的波音777型飞机举行盛大隆重的出厂典礼．在过去，进行新机型设计，必须对模型构件和样机反复作强度试验和空气动力学性试验。稍有不妥，就必须改变设计再来一轮试验。新机种的研制周期长达十余年，消耗大量原材料和能源，采用了数学技术以后，所有的试验可以通过精确设定的数学模型在计算机中进行，探索和修改都可以通过数学指令去实现。新机种的研制周期从十多年缩短到三年半，大幅度节约了原材料和能源；

许多国家认识到，发展高清晰度电视是未来经济技术竞争的主战场之一。日本和美国都投入大量资金和人力进行有关研究，日本起步最早，但所研究的是模拟式的；美国虽然起步稍晚，但所研究的是数字式的。经过多年的较量，数字式研究以其高度优越性取得关键性胜利。1994年 2月24日《人民日报》报道：日本政府正式宣布，转向研究数字式高清晰度电视，承认数字式因其优越性而得到世界多数国家赞同，很可能成为未来的国际标准；

应该指出，电视屏幕不仅是现代人们日常生活所不可缺少的，而且可能通过联网成为信息传递处理的工作面。几乎所有重要的工作岗位都将与之有关。数学技术在如此重要项目的激烈较量中起了决定作用。

1991年的海湾战争是一场现代高科技战争，其核心技术竟然也是数学技术。这一事实引起人们不小的惊讶。美国总结海湾战争经验得出结论是：“未来的战场是数字化的战争”。

干扰和失真是电磁波通信的一大难题。早在六十年代太空开发竞争的初期，美国施行"阿波罗登月计划"时，就已经意识到：由于太空中过强的干扰，无论依靠怎样精密的电子硬件设备，也无法收到任何有用的信息，更不用说操纵控制了，采用了信息数字化、纠错编码、数字滤波等一整套数学通讯技术和数学控制技术之后，送人登月的计划才得以顺利完成，二十年后，在海湾战争中，多国部队方面使用这一套技术把对方干扰得既聋又瞎，却能让自己方面的信息畅通无阻。采用精密的数学技术，可以在短短数十秒的时间内准确拦截对方发射的导弹，又可以引导对方发射导弹准确击中对方的目标。也正是这一套信息数字化的数学技术，在开发高清晰度电视的竞争中取得压倒性的胜利。开发一种数学技术可以在如此众多方面施展效用，足见数学的广泛适用性。

1995年1月，在贩神大地震之后，美国利用数学模型进行地震预测，预告本世纪末加州南部可能发生大地震；

1995年3月，我国中央人民广播电台宣布启用数字式转播方式，指出以前的模拟式转播方式效果差，所以改用新的转播方式；

1995年6月，欧州联盟开会研讨未来数字化通信的统一制式；

1996年2月，我国电子工业部宣布“九五计划”开发重点：数字化信息技术。所订的两个重点研制项目是：数字式高清晰度电视接受机样机和数字式激光盘；

1996年4月，我国国家科委发布招标公告，正式宣布数字式高清晰度电视开发项目。

当代与未来的发展倚重数学：

仅以几件事为例就能清楚地看到数学对当代人们的生产和生活所起的重要作用。当代的生产和生活离不开石油，石油勘探和生产需要了解地层结构。多年以来已经发展了一整套数学模型和数学程序。人们发射地震波，然后将各个层面反射回来的信息收集起来力。以数学处理，就能将地层各个剖面的图像和地层结构的全貌展现出来。这已是目前石油勘探与生产普遍采用的数学技术。无独有偶，涉及到人的生命也有类似的情况，医生需要了解病人躯体内部和器官内部的状况与变异，以前的调光片将骨骼和各种器官全都重叠在一起，往往难以辨认）现在也有了一整套数学方案。借助了精密设备收集射线穿透人体或核磁共振带出的信息力。以数学处理就能将人体各个削面的状况清晰地层现出来，需要了解哪个层面就可以调出哪个层面的图片来，关系到人们的生产与生活，这样的例证很多很多。

在涉及生存与发展的关键时刻，特别是在涉及人类命运的紧要关头，数学也起着非常重要的作用。在进入本世纪最后十年的时候，美国国家研究委员会公布了两份重要报告《人人关心数学教育的未来》和《振兴美国数学—— 90 年代的计划》．两份报告都提到：近半个世纪以来，有三个时期数学的应用受到特别重视，促进了数学的爆炸性发展，“第二次世界大战促成了许多新的强有力数学方法的发展……“由于苏联人造卫星发射的刺激，美国政府增加投入促进了数学研究与数学教育的发展”，“计算机的使用扩大了对数学的需求”．在二次世界大战太平洋战场的关键时刻，由于采用数学方法破译日军密码，美国海军才能在舰只力量对比绝对劣势的情况下，赢得中途岛海战的胜利，歼灭日本联合舰队的主力，扭转整个太平洋战局。在关系人类命运的二次世界大战中，美国几乎是整个反法西斯战线的后勤补给基地。到了反攻阶段，要组织跨越两个大洋的大规模行动，物资调运和后勤支援成了非常关键的问题，这刺激了有关数学方法的迅速发展。这期间发展起来并且在战后迅速普及到各个方面的线性规划实用数学技术，为人类带来了数以千亿计的巨大效益。到了1957年，苏联将第一颗人造卫星迭人太空，震撼了美国朝野。意识到有关数学应用方面的差距，美国政府加大投入，促进了数学研究与数学教育的迅速发展，随着计算机的发展，对数学有了空前的需求，刺激数学进入了第三个大发展的时期。

已经有了很多很多极有说服力的例证，说明无论在日常的生产和生活中，还是在涉及生存和发展的关键时刻，数学都起着非常重要的作用，在新世纪即将到来之前科学技术和生产的发展对数学提出了空前的需求，我们必须把握时机增大投入，加强数学研究与数学教育，提高全民族的数学素质，才能更好地迎接未来的挑战。

比例美

黄金分割又称黄金律，是指事物各部分间一定的数学比例关系，即将整体一分为二，较大部分与较小部分之比等于整体与较大部分之比，其比值为1∶0.618或1.618∶1，即长段为全段的0.618。0.618被公认为最具有审美意义的比例数字。上述比例是最能引起人的美感的比例，因此被称为黄金分割。

类别

数学知识的审美教育主要是通过教学使学生感受数学知识的内在美，诸如数字美、符号美、构图美等，培养和提高学生的审美能力，培养学生对数学知识美的热爱，通过学生的"内化"，逐步迁移为对数学知识的热爱和追求，从而激发学生对数学的学习兴趣，开发学生的智力，从而达到育人的目的。小学数学课程中隐含着丰富的美育因素，我们要充分发掘数学教材中的美育因素，让孩子感受到数学的美，进而喜欢数学。数学教材中隐含的美育因素主要包括以下几个方面：

数学的简洁与抽象美

数学的简洁美，并不是指数学内容本身简单，而是指数学的表达形式、数学的证明方法和数学的理论体系的结构简洁。公式C=2πR就是其中一例。几何中完美的图形——圆，内含的周长与半径有着异常简洁和谐的关系，一个传奇的数"π"把它们紧紧相连。又如，数“1”，小至一个原子、粒子；大至一个太阳、一个宇宙……宇宙万物，均可以用“1”来表示。几何形体的各种求面积、体积公式，简洁实用，万无一失，只要符合有关条件，计算不出错误，就可以得到正确的结果。细心的人还可以找到他们之间的内在联系。再如，许多简便的解法，也是数学简洁美的体现。

简单举例：

计算1

1/2 +1/6 +1/12 +1/20 +1/30 +1/42 +1/56 +1/72 +1/90

面对这个计算题，若贸然用一般的通分的方法

来解决，会带来繁杂的计算。当仔细审视这题的特点，发现每一项的分数的分子皆是1，而分母可分别分拆成两个相连的自然数之积，即1×2,2×3,3×4,4×5,5×6,6× 7,7×8,8×9,9×10，于是，立即使我们联想到，把每个分数都分拆成两个分数之差。这样一来，尽管计算过程中分数的项数增加了一倍，但出现正负相间的两个相同的分数，中间的项对消了，只剩下首末两项，从而很快获得结果，即

原式=1/1*2 + 1/2*3 + 1/3*4 +1/4*5 +1/5*6 + 1/6*7 +1/7*8 +1/8*9 +19*10

=（1-1/2）+（1/2-1/3）+（1/3-1/4）+（1/4-1/5）+（1/5-1/6）+（1/6-1/7）+（1/7-1/8）+（1/8-1/9）+（1/9-1/10）

=1-1/10

=9/10

这一简洁的解法，给人以美的享受。

数字和符号美

美好的数字：一是万物之始，一统天下，一马当先，何其壮美；二是偶数，双喜临门，比翼双飞，多么美好幸福；三是升的谐音，表示多数，三教九流，三生有幸，三番四次，四是全包围结构，四平八稳，小四合院独具特色，四通八达，四季发财；对于一个循环小数，可以采用循环节的记数法，简洁准确的表示出来。数学学习中还涉及到许多符号，如四则运算中的"+、－、×、÷"，比较大小的 "<、>、= " 号，还有改变运算顺序的小括号[]、中括号[ ]、大括号{ }等等，这些符号都讲究上下左右对称，如果书写时不注意它们的对称性，错写漏写都破坏了它们之间的内在美。

构图美和组合美

几何初步知识是小学数学的一项重要内容，它包括直线、线段、射线、角、长方形、正方形、圆、平行四边形、梯形、长方体、正方体、球的认识和画法等，这些图形，无论他们的简单和复杂程度如何，都各自具有独特的美。例如：直线表现刚劲有力，曲线表现轻快流畅，三角形寓有变化之美，等腰三角形、等腰梯形、长方形、圆等几何形体的对称美，正方形的平稳方正等等，教师可在教学中利用教材提供的各种图形，引导学生在认识和掌握各种图形的过程中，体验他们的优美，达到美的感受。并且可以利用图形之间的关系或者一些有趣的规律，发挥学生的想象力，让他们用各种图形拼组成自己喜欢的事物，体会数学的组合美。

数学知识中的对称美

数学知识中的对称主要有轴对称美，如等腰三角形、矩形；中心对称美，如平行四边形、圆等；形式上对称美，如正（+）与负（-）、加法与减法、乘法与除法、正比与反比等。在教学中可以密切联系生活实际，联系生物体结构，如衣服、裤子、人体是轴对称的，揭示对称美，给学生领会对称美的价值，通过实例加深学生对数学对称美观念的理解，深化思维，培养学生感受美、鉴赏美的能力。

方法美

自然数的个数是无限的：1、2、3、4、……奇数的个数是无限的1、3、5……人们采用“一一对应’的数学方法：神奇地发现自然数列与奇数列还有如下关系：1、2、3、4、……把一个圆形，分割成8份、16份、32份，相等的近似的三角形拼摆后，圆形神奇地转化成近似的长方形，所分的份数越多，所拼得图形越接近于长方形。曲与直的这种转化，在生活中可以找到它的活生生的典型”砌墙用的一块块方砖面是长方形，可以砌成横断面是圆形的烟囱；把用方砖砌成的横断面是圆形的烟囱拆开，又可以得到一块块的面是长方形的方砖。

思想美

数学知识中隐含有丰富的思想品德教育素材，小学数学教材中编写了许多小故事，如"除号的由来"、"等号的由来"等；我国数学家陈景润身居陋室，但为了攻破歌德巴赫猜想这一世界数学难题，不断演算，通过努力终于摘取了数学皇冠上的明珠；数学家华罗庚中学时期的数学成绩并不好，也没有考取大学，但通过自己的自学，成为我国赫赫有名的数学家，并邀请到国外讲学，溘然长逝在异国讲坛上。数学家们高尚的思想品德，深厚的爱国热情，非凡的智慧才能，都是教育我们学生的好素材，激发学生对数学的热爱和追求，培养克服困难、奋发向上的精神，培养学生的远大志向。

知识的奇异美

奇异性是数学内涵美的又一基本内容。它是指所得的结果新颖奇特，出人意料。七巧板拼图是小学数学课常采用的内容。用七块板可以拼成一个最简单的正方形，也可以拼出千变万化的复杂图案：如人形、鸟兽、花草、房屋等。通过七巧板拼图练习，学生感到图案之多，出人意料；图形之美，妙趣横生。

有趣的数学知识，不仅能让学生感受到不同的美，而且利用数学的奇妙还能装扮人们的生活。比如：搞服装设计，如果拥有黄金分割的知识，就会感觉自己的设计很舒服。巴赫的音乐中充斥着数学的对称美，埃及的金字塔在建筑线条上凝聚了多少形象的数学……真可谓哪里有数学，哪里就有美。