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如何学习数学?(一个数学家的辩白)

2017-01-03 商务印书馆

数学是什么?

数学有什么用?

数学家是怎样的一类人?

他们如何开展研究?

数学是心灵的产物,但不屈从于人类意志。

它的有趣和美丽,是一种独特看待世界的方式。


每个人看到的彩虹都是不同的


当我看见彩虹,我不仅是看到一道光亮多彩的圆弧,也不仅是看到雨滴对阳光的影响,它将白色的日光还原为构成日光的色彩成分。彩虹的形状和亮度需要解释:为何是圆弧状?为何光线如此之亮?为何数以万计的雨滴折射产生的数以万计有色光线,不会重叠并模糊掉呢?



答案在于彩虹的几何学。当光线在雨滴内部进行反射,雨滴的球状形体导致光线聚焦于某一特定方向,每一滴雨发射出明亮的圆锥形光线,或是说每一种颜色的光形成自己的圆锥体,而每一种颜色形成的圆锥体角度稍有不同。当我们望向彩虹,我们的眼睛只能侦测到位于特定方向的圆锥体,每一种颜色的方向在天空形成一个圆弧。所以我们看到许多同心圆,每种颜色形成一个同心圆。


你所见的彩虹和我所见的,是由不同的雨滴所形成。我们的眼睛位于不同的位置,所以我们侦测到有不同的雨滴所产生的不同圆锥体。


彩虹是个人经验。


鸟儿需要个人空间


沿着布雷斯支流散步时,我看到,每隔一段距离,就有道路和电话线横越布雷斯支流,许多鸟类就停驻在电话线上。从远方观看,它们像是乐谱,是水平线上的一对肥肥的小圆点。它们似乎喜欢停驻在特别的地方,我并不清楚为何会这样,不过唯一可以肯定的是,如果有一大群鸟类停驻在同一条线上,则最后必定是呈均匀分布。



均匀分布是一个数学模式。我不相信鸟儿“知道”它们应该均匀分布,但因为每一只鸟儿都想要有自己的“个人空间”,所以当其他鸟儿靠得太近,它会向另一侧挪移,除非有其他鸟儿正从另一侧向它挤过来。“人口压力”会使它们均匀散开,位于密度较高区域边缘的鸟儿会被挤向密度较低的区域,最终在电话线上形成等间距离。



这是一个“鸟的晶体”。这不是一个模糊的比喻,创造一般实验或方解石结晶的数学过程,与此没有差别。让鸟儿均匀分布的相同过程,也让固体中的原子排列形成一个重复的晶格。原子也有一个“个人空间”:如果彼此太接近则相互排斥。“鸟的晶格”是一维晶格,一维晶格包含等距离的点。


小狗的四拍音符


当狗行走时,存在某种特殊的模式。左后脚、左前脚、右后脚和右前脚,如同一小节四拍的音符,以相同时间间距轮流踏向地面。当狗加快速度小跑时,左后腿和右后腿先一起踏向地面,然后是另外两只腿,如同一小节两拍的节奏,交替而行。如果两人一前一后,披上牛的戏装,脚步完全不配合而行,就形成了牛的小跑步。



狗的步伐是数学的具体化,不知不觉成了步态分析的一个范例。它在医药上有重要应用:人类经常无法正常移动自己的腿,特别是婴儿和老年人。分析如何移动能够显露问题的本质,可能有助于治疗。


如果我们能了解腿部的移动,就可以设计出可靠的机器人去拆除老旧的电厂、找出未爆弹和地雷和探索遥远的星球。


如果我们学会再次发明腿,一切都将改变。


如何学习数学



1.继续读下去:

许多学生认为,一旦碰到读不明白的内容,就应该停止继续读下去。我常告诉我的学生,如果你遇到了困难,不要装作若无其事,继续读下去,通常下一句话或是下一段话就会解决你的问题。


2.向助教或老师求助:

通过尝试自己解决问题,你将让你的心灵活动起来,这很像庞加莱研究的“孕育”阶段。但如果你勇敢地继续研读下去,却仍然无法理解,就应该向专业人士请教。


3.将洞见注入自己的思考:

这整个过程和解决迷宫的一般方法很像——计算机科学家称此方法为“深度优先搜寻法(depth-first search)”。如果可能,尽可能深入迷宫, 如果卡住,就回到有分岔的前一地点,然后走另一条路,绝对不要重复已走过的路,这个规则将引导你安然走出任何迷宫。这方法应用于学习上,虽然不能保证一定行得通,但仍然是个良好的技巧。


4.阅读和主体相关的书籍:

去图书馆找到几本同样主题或相似主题的书,以非常轻松的态度去研读,跳过那些太难或太无聊的东西,集中在那些吸引你注意力的内容上。你会非常惊讶地发现:你所阅读的内容到了下星期或明年将变得很有用。在这期间,潜意识都在运作,它已经在印象里创造出某种秩序,只需等待少数的简单线索,就能形成一致的图像。


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2017新年快乐

HAPPY NEW YEAR

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以上内容选自《给年青数学人的信》



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