文档介绍：数学美论文黄金分割论文:浅谈数学的美
摘要:社会的进步是人类对美的追求的结晶。数学,如果正确地看,不但拥有真理,而且也具有至高的美。数学能促进人们对美的特性、数值、比例、秩序等的认识。哲学家有时可以“感觉到”思维的和谐,而数学家则有时可以“感觉到”公式与定理的和谐美。
关键词:数学美;黄金分割;仿生;自然规律;最优化方法
马克思说过:社会的进步就是人类对美的追求的结晶。罗素说:数学,如果正确地看,不但拥有真理,而且也具有至高的美。
在历史上,关于美的话题相当多。最古老的文明遗留下的古迹中,无不打上古代人的世界观和审美观。苏格拉底(socrates)认为:最有益的即是最美的。因而古希腊的美学是人类知识不可分割的一部分。当时的哲人们认为:美和宇宙之美是统一的。毕达哥拉斯(pythagoras)学派(这是一个数学团体)认为世界是严整的宇宙,整个天体就是和谐与数。正是这个学派在研究音乐时最早使用了数学,他们试图提出一个声调对比关系的数学公式:八度音与基本音调之比为1∶2,五度音等于2∶3,四度音等于3∶4等等,这也是人们最早用数学方法研究美的实践与创始。[1]
亚里士多德(aristotle)认为:数学能促进人们对美的特性、数值、比例、秩序等的认识。黑格尔(wilhelm friedrich hegel)在哲学史稿中说:“美包含在体积和秩序中。”十八世纪法国启蒙主义者伏尔泰、狄德罗等人认为“美是大自然本身的自然属性。”德国哲学家黑格尔把美看作是精神的整个世界运动的阶段之一,观念得到完善的、相同的表现形式,这就是美。[2]
美远远延伸到艺术领域之外,包括了精神生活的其他领域,自然美也反映自然科学的美之中。在学科的分类研究中,大多数学者认为数学与哲学为普遍学科,并且认为它们可以应用于其它学科和其它领域,其区别是所使用的语言与方法不同而已:哲学运用的是自然语言,而数学运用的是人类语言(或者称为数学符号);在方法上,哲学是辩证逻辑法,数学是形式逻辑与数理逻辑法。[3]
数学美的起源遥远、历史悠久。[7]古希腊著名的学者毕达哥拉斯对数学有很深的造诣,其中毕达哥拉斯定理正是他的杰作。他还在现今称为库洛的地方领导了一个数学学术团体,成员们经常聚在一起研究、讨论、交流各自的学****心得,他们的成果对外人是严格保密的。每个成员都守口如瓶,否则会遭杀身之祸。这样一个团体,成员们都有一个特殊的标志即是用五角星作图案的徽章,并在角顶上分别注上希腊文v、γ、ι、θ和χ,按顺序把它们读下来(逆时针)即vγιθχ,意思为“健康”。五角星是他们经过筛选、研究过,并十分喜欢的图形。他们为何对五角星独有偏爱?因为五角星是一个美的图形,它里面包含许多有意思的比。
更有意思的是,人的身体中也有许多黄金分割的例子。比如说:人的肚脐与人身高,就是黄金分割点;膝盖与肚脐下的身高,同样是黄金分割点。
德国天文学家开普勒研究植物叶序问题时发现:叶子在植物茎上的排列也遵循黄金比。我们知道:植物叶子在茎上的排布是呈螺旋状的,仔细观察发现,虽然不少植物叶形状不同,但是其排列却有相似之处。如相邻两张叶片在与茎垂直的平面上的投影夹角是137°28',计算表明:这个角度对植物叶子的通风、采光都是最佳的。因此,建筑学家仿照植物叶子在茎上的排列分布方式设计、建造的仿生房屋外形新颖、别致、美观、大方,且具有优良的通风、采光性能。更为有趣的是:这个角度恰好是把圆周分为1∶...的两条半径的夹角。
开普勒还发现:植物叶子在茎上围绕的周数与它绕一个时期内茎上叶数之比ω在不同植物的身上是不一样的。他观察后发现了许多种树的ω值,比如榆树,山毛榉,樱桃,梨为,柳为,……
注意到它们的分子和分母分别是: 1,1,2,3,5,……;2,3,5,8,13,……,这恰恰是两列斐波那契(leonardo i)数列(该数列的特点是从第三项起,每项均为其前面两项之和)。
有人还从花的瓣数中,找到了这个数列(花瓣通常只是2,3,5,……瓣)。
美国学者艾略特(elliott)在1934年的时候研究股票,对股票指数的变化规律进行了分析,并且提出了著名的“波浪理论”,这一理论不仅对炒股有很大的指导意义,对很多经济分析也有很好的借鉴意义。这一学者的研究有一个十分重要的结论:类似这一的经济行为的指数波动是遵循斐波那契数列规律的变化而变化的。[4]
此外,人们还在许多领域中发现了该数列的身影,比如在晶体结构研究中,人们对某些准晶体中结点分布规律里,也发现与该数列有关。更为奇妙的是:越到后面,这个数列的前后两项之比,…
上世纪德国一位心理学家曾做过一次试验:他展出了20种长宽比例不一的长方形,让参观者从中选出自己认为最美的,结果大多数人选择了长∶宽=1∶……或接近该比