Számtan

Az aritmetika ( más görögül ἀριθμητική , arithmētikḗ  - a ἀριθμός szóból arithmós " szám") a matematikának a számokat , azok kapcsolatait és tulajdonságait vizsgáló ága. Az aritmetika tárgya a szám fogalma ( természetes , egész , racionális , valós , komplex számok ) és tulajdonságai. Az aritmetika mérésekkel , számítási műveletekkel ( összeadás , kivonás , szorzás ,felosztás ) és számítási módszerek. Az egyes egész számok tulajdonságainak tanulmányozása magasabb aritmetikával vagy számelmélettel foglalkozik . Az elméleti aritmetika a számfogalom meghatározására és elemzésére fordít figyelmet, míg a formális aritmetika predikátumok és axiómák logikai konstrukcióival operál . Az aritmetika a legrégebbi és az egyik fő matematikai tudomány; szorosan kapcsolódik az algebrához , a geometriához és a számelmélethez [1] [2] .

Az aritmetika megjelenésének oka a számviteli feladatokhoz kapcsolódó számolási és számítási gyakorlati igény volt a mezőgazdaság központosítása során . A tudomány a megoldásra váró problémák egyre összetettebbé válásával együtt fejlődött. Az aritmetika fejlődéséhez nagymértékben hozzájárultak a görög matematikusok  - különösen a pitagoreus filozófusok -, akik a számok segítségével próbálták megérteni és leírni a világ összes törvényét.

A középkorban az aritmetika a neoplatonisták nyomán az úgynevezett hét szabad művészet közé tartozott . A számtan gyakorlati alkalmazásának fő területei akkor a kereskedelem , a hajózás , az építőipar voltak . Ebben a tekintetben különös jelentőséget kapott az irracionális számok hozzávetőleges számítása , amelyek mindenekelőtt a geometriai konstrukciókhoz szükségesek. Az aritmetika különösen gyorsan fejlődött Indiában és az iszlám országaiban , ahonnan a matematikai gondolkodás legújabb vívmányai behatoltak Nyugat-Európába ; Oroszország "mind a görögöktől, mind a latinoktól" megismerkedett a matematikai ismeretekkel.

A New Age beköszöntével a tengerészeti csillagászat , a mechanika és az egyre bonyolultabb kereskedelmi számítások új követelményeket támasztottak a számítástechnikai technikákkal szemben, és lendületet adtak az aritmetika további fejlődésének. A 17. század elején Napier feltalálta a logaritmusokat , majd Fermat a számelméletet választotta az aritmetika önálló részévé. A század végére kialakult egy elképzelés az irracionális számról, mint racionális közelítések sorozatáról, és a következő évszázadban Lambert , Euler , Gauss munkáinak köszönhetően az aritmetika modern megjelenést kapott összetett mennyiségekkel végzett műveleteket is. .

Az aritmetika későbbi történetét alapjainak kritikai felülvizsgálata, deduktív igazolására tett kísérletek fémjelezték. A szám gondolatának elméleti indoklása mindenekelőtt a természetes szám szigorú meghatározásához és Peano axiómáihoz kapcsolódik , amelyeket 1889-ben fogalmaztak meg. Az aritmetika formális felépítésének következetességét Gentzen mutatta meg 1936-ban.

A számtan alapjai régóta és változatlanul nagy figyelmet kapnak az általános iskolai oktatásban .

A számtan tárgya

Az aritmetika tárgya a numerikus halmazok , a számok tulajdonságai és a számokkal végzett műveletek [3] . A számolás technikájával, mérésekkel [4] , a számfogalom eredetével és fejlődésével kapcsolatos kérdéseket is tartalmaz [1] . Aritmetikai tanulmányok, mindenekelőtt természetes számok és törtek [5] . A természetes számok halmazának axiomatikus szerkezete alapján további numerikus halmazokat szerkesztenek, beleértve az egész számokat , a valós és a komplex számokat , és elvégzik azok elemzését [1] . Néha a kvaterniókat és más hiperkomplex számokat is figyelembe veszik az aritmetika keretein belül . Ugyanakkor a Frobenius-tételből az következik, hogy a számfogalom kiterjesztése a komplex síkon túlra anélkül, hogy ne veszítene számtani tulajdonságaiból, lehetetlen [6] [7] .

A számokkal kapcsolatos fő műveletek közé tartozik az összeadás , a kivonás , a szorzás és az osztás [3] , ritkábban a hatványra emelés, a gyök kinyerése [4] és a numerikus egyenletek megoldása [3] . Történelmileg az aritmetikai műveletek listája tartalmazta a tényleges számítást , a duplázást (a szorzáson kívül), a kettővel való osztást és az osztást maradékkal (az osztáson kívül), az aritmetikai és geometriai progressziók összegének megtalálását [8] . John Napier The Art of Logistics című könyvében az aritmetikai műveleteket lépésekre osztotta: a legalacsonyabb lépés az összeadás és a kivonás, a következő a szorzás és az osztás, majd a hatványra emelés és a gyökök kiemelése [9] . I. V. Arnold , az ismert metodológus a harmadik szakasz műveleteire is utalt a logaritmusra [10] . Hagyományosan aritmetikának nevezik a különféle objektumokon végzett műveletek elvégzését, például: " másodfokú alakok aritmetikája", " mátrixok aritmetikája " [1] .

A gyakorlati igényekhez szükséges tényleges matematikai számításokat és méréseket ( arányok , százalékok , hármasszabály ) az alsó vagy gyakorlati aritmetika [3] kategóriába soroljuk , míg a számfogalom logikai elemzését elméleti aritmetika [1] néven emlegetik . Az egész számok tulajdonságai, részekre bontása, a folytonos törtek szerkesztése szerves részét képezik a számelméletnek [1] , amely sokáig magasabb aritmetikának számított [3] . Az aritmetika is szorosan kapcsolódik az algebrához , amely a tényleges műveleteket vizsgálja anélkül, hogy figyelembe venné a számok jellemzőit és tulajdonságait [1] [11] . Az aritmetikai műveletek, mint például a hatványra emelés és a gyökök kiemelése, az algebra technikai részét képezik. Ebben a tekintetben Newton és Gauss nyomán az algebra az aritmetika általánosításának tekinthető [3] [4] . Általánosságban elmondható, hogy nincsenek egyértelmű határok az aritmetika, az elemi algebra és a számelmélet között. A TSB azt mondja: „ Az algebra betűjelek felhasználásával tanulmányozza a numerikus rendszerek általános tulajdonságait és általános módszereket az egyenleteket használó problémák megoldására; Az aritmetika konkrétan megadott számokkal, magasabb területein pedig (lásd Számelmélet) a számok finomabb egyedi tulajdonságaival foglalkozik ” [12] .

A többi tudományághoz hasonlóan az aritmetika is alapvető módszertani problémákkal néz szembe; ehhez az axiómák konzisztenciájának és teljességének kérdéseit kell tanulmányozni [3] . Az aritmetikai predikátumok és axiómák formális rendszerének logikai konstrukcióit a formális aritmetika hajtja végre [2] .

A legegyszerűbb fogalmak

Ordinális számolás, természetes számok

A legegyszerűbb számtani fogalom az ordinális szám . A számláló objektum különböző elemek vagy ezek halmazai, például alma és almás kosarak. A sorszám segítségével megszámozhatja az elemeket, és megadhatja a teljes számukat .

Az ordinális számlálás egy bizonyos azonos számú elemet tartalmazó csoportok számlálásához kapcsolódik - például több tíz almában. Általában két kéz ujjairól van szó (az alap egyenlő a -val ), de a történeti forrásokban vannak csoportosítások a szerint . A csoport elemeinek száma a számrendszer alapjául szolgál [11] .

A számolással kapott számsorokat természetesnek, elemeit pedig természetes számoknak nevezzük. A természetes sorozat fogalma először Nikomakhosz görög matematikus munkáiban jelent meg a Kr.u. I. században. e., valamint a természetes szám - Boethius római szerzőtől az 5. század végén - a 6. század elején. A kifejezés általános használata d'Alembert 18. századi munkájával kezdődik. Arkhimédész "Psammit" című művében rámutatott, hogy a numerikus sorozat a végtelenségig folytatható, ugyanakkor észrevette, hogy a valós problémákhoz egy kis szegmens is elegendő [13] . A természetes számok párosra és páratlanra való felosztását a pitagoreusoknak tulajdonítják, megtalálható az egyiptomi Rinda papiruszban is . A püthagoreusok prím- és összetett számokat is definiáltak [14] .

Összeadás, szorzás, hatványozás

A természetes számok esetében az összeadás és szorzás műveletei természetesen meghatározottak. Ha két bizonyos számú elemet tartalmazó készletet kombinál, az új készlet annyi elemet tartalmaz, amennyi az első két készletben volt együtt. Ha az első készlet tartalmazott egy elemet, a második pedig egy elemet , akkor az összegük tartalmazza az elemeket. Ezt a műveletet összeadásnak nevezik, és ez a legegyszerűbb bináris művelet [4] . Az összeg helyességének ellenőrzéséhez nem szükséges ismerni az összeadási táblázatot, elég megszámolni a tételeket [15] .

Több azonos halmaz elemeinek többszöri összeadása nem függ ezen halmazok sorrendjétől, ami lehetővé tette egy másik bináris művelet – szorzás – meghatározását [4] . A szorzáson kívül az ókorban külön számtani művelet volt - a duplázás, vagy a kettővel való szorzás [16] .

Az összeadáson keresztüli szorzás definíciójához hasonlóan a többszörös szorzás lehetővé teszi a hatványra emelés műveletének meghatározását.

A számtan alaptörvényei

E műveletek tulajdonságairól öt törvényt fogalmazunk meg, amelyeket az aritmetika alaptörvényének tekintünk [17] :

  • Kommutativitás: az összeadás kommutatív törvénye kimondja, hogy az összeg nem változik a tagok helyének változásától . Hasonló törvény a szorzásról is ismert, de természetesen tényezőkről és szorzatokról beszél. Ezek a törvények algebrai formában fejezhetők ki betűjelöléssel:
  • Asszociativitás: Az összeadás asszociatív törvénye kimondja, hogy több kifejezés hozzáadásával tetszőleges sorrendbe csoportosíthatja őket . A szorzásra vonatkozó hasonló törvény a tényezők szorzásáról beszél. Ezek a törvények algebrai formában is kifejezhetők:
  • Eloszlás: Az eloszlási törvény azt mondja: ha egy összeget meg kell szorozni egy számmal, akkor minden tagot megszorozhat ezzel a számmal, majd összeadhatja a kapott szorzatokat . Algebrai formában:

A természetes számokra az aritmetikai alaptörvényeken kívül az összeadás és szorzás monotonitásának törvényei [18] [19] is érvényesek, amelyeket algebrai formában a következőképpen írunk fel:

at ; és . _

A „kommutatív” kifejezést a kommutatív törvényre 1814-ben vezette be Servois francia matematikus . Az „asszociatív” kifejezést az asszociációs törvényre Hamilton vezette be 1853-ban [17] .

Poincare minden aritmetikai műveletet és törvényt az intuíció szemszögéből vett figyelembe . Ha azt állítjuk, hogy a törvények nyilvánvalóan érvényesek kis számokra, és az indukciós szabályt használva arra a következtetésre juthatunk, hogy minden számra érvényesek. Egy másik megközelítéssel nem minden, hanem csak a legegyszerűbb törvények tekinthetők intuitív módon megvalósíthatónak, míg a további bizonyítást logikai konstrukciók kötik [20] . A kommutatív és asszociatív törvényeket kézenfekvőnek fogadták el [17] . Az „Elvek”-ben szereplő disztributív, vagy disztributív törvény a geometriai módszerrel [21] még Eukleidészt is bebizonyította .

A hatványozási művelet már nem kommutatív és nem asszociatív, saját szabályai vannak. Ennek a műveletnek a pozitív erővel történő végrehajtásának alapvető szabályai nyilvánvalóan következnek definíciójából [4] . Algebrai formában a következőképpen írhatók fel:

  • Az eloszlás a hatványozási művelet eloszlási törvénye:
  • kivonás esetén tört alakot vesz fel:
  • Az ismételt hatványozás a hatványok szorzataként jelenik meg:
.

Fordított műveletek

Minden aritmetikai műveletnek van inverze: az összeadásnak kivonása, a szorzásnak osztása, a hatványozásnak van számtani gyöke és logaritmusa. Azt a tényt, hogy az összeadásnak és szorzásnak egy inverz művelete van, annak ellenére, hogy binárisak, a kommutativitásukkal magyarázható.

Kivonás: negatív számok

A kivonás az összeadás fordított művelete: két szám különbsége és a [4] egyenletből származik . A kivonási műveletet "-" jellel jelöljük, és így írjuk . A művelet végrehajtásához két módszert alkalmaztunk: a részrész csökkenő egységszámából számoltunk, vagy olyan számot választottunk ki, amelynek a részrészhez való hozzáadásával a csökkentett [16] .

A kivonási művelet, ha minden természetes számpárra alkalmazzuk, és nem csak azokra, amelyek az összeadási művelet keretében összegek és tagok lehetnek, lehetővé teszi, hogy túllépjünk a természetes sorozaton, azaz két természetes szám különbségén. A számok nem feltétlenül természetes számok – a kivonás nullát vagy akár negatív számot is eredményezhet. A negatív számok már nem tekinthetők az objektumok számának, a számtengelyen a nullától balra helyezkednek el. A negatív számok és a nulla számok természetes számokhoz való hozzáadásával kapott számhalmazt egész számok halmazának nevezzük. A nullát és a természetes számok halmazát nemnegatív egész számoknak nevezzük [4] . A szorzás során annak meghatározására, hogy a számok szorzata pozitív vagy negatív lesz, használja az "előjelek szabályát" [22] .

A negatív számokat sok matematikus hamisnak és értelmetlennek tartotta egészen a 19. századig, ami azonban nem akadályozta meg széleskörű formális használatukat. A negatív számok fogalma először Indiában jelent meg, ahol "adósságként" értelmezték őket (pozitív számok - "tulajdon"). De a negatív számok csak a 17. században terjedtek el [23] . A "kivonás" kifejezés Boethiusnál jelent meg , a "kivont" és "redukált" kifejezéseket Wolf vezette be 1716-ban, a "különbség" - Widman 1489-ben [16] . A "+" és "−" jelekkel ellátott modern elnevezést szintén Widmann vezette be a 15. század végén.

Osztás: racionális számok

A szorzási művelet inverze az osztási művelet. Az osztás első definíciója az, hogy megkeressük azt a számot, amelyik annyiszor van az osztalékban, ahányszor az osztóban van 1. Ilyen meghatározást adnak a XIV. századi aritmetikai tankönyvek - például . A felosztást nagyon összetett és nehézkes műveletnek tartották. A modern osztási módszert, amely az osztó részszorzatait használja a hányados egyes számjegyeivel ( oszloposztás ), egy 1460-as olasz kézirat mutatja be [16] .

Azoknál a természetes számoknál, amelyek nem szorzók és szorzatok, ismert a maradékkal való műveletosztás (és az osztásból származó tényleges maradék meghatározását modulo osztásnak is nevezik ). Számos mód van az osztás egyszerűsítésére is különféle speciális esetekben, vagy az adott számmal való oszthatóság ellenőrzésére . Például:

  • egy maradék nélküli szám osztható kettővel, ha a decimális jelölésben szereplő utolsó számjegye osztható kettővel;
  • egy maradék nélküli szám osztható hárommal, ha tizedes jelölésben szereplő összes számjegyének összege osztható hárommal;
  • Egy szám maradék nélkül osztható tízzel, ha a decimális jelölés utolsó számjegye nulla.

Az osztási művelet, ha nem csak azokat a számokat osztja, amelyeket a természetes számok szorzásával kaphat, és ugyanakkor nem választja ki a maradékot, valamint a kivonást, lehetővé teszi, hogy túllépjen a természetes számok halmazán. Osztáskor olyan törteket kaphatunk , amelyek maradék nélkül nem redukálhatók egésszé. Az ilyen törteknek megfelelő számokat racionálisnak nevezzük. Az osztásalapú racionális számok ismertsége miatt az ismert számtípusok listája újabb bővülést mutat. Történelmileg először a tört fogalma jelent meg, majd egy negatív szám [24] . Ugyanezt a sorrendet alkalmazzák az iskolai tanfolyamon is [25] .

A törtek írásának két formája használatos - számláló és nevező formájában, vízszintes vagy perjellel elválasztva, és gyakran minimális számokra redukálva, valamint tört számjegyek formájában, amelyeket az egész és a tört részek elválasztója után helyeznek el . egy szám helyzeti jelölése . Például a 10 20-zal való osztásának eredménye felírható így .

A gyökér kinyerése: irracionális és komplex számok

A hatványra emelés két inverz műveletének egyike a gyökér kinyerése , vagy olyan szám megtalálása, amely a megfelelő hatványra emelve ismert eredményt ad. Vagyis algebrailag szólva ez a gyökér keresése egy alak egyenletéhez . A második inverz művelet a logaritmus keresése (a forma egyenletének gyöke ). Az aritmetika általában csak a második fokú gyökér kiszámítását tartalmazza - a négyzetgyök .

A gyökér kiszámításának művelete, ha nem csak azokra a számokra hajtja végre, amelyeket a természetes számok hatványra emelésével kaphatunk, valamint más inverz műveletek is lehetővé teszik, hogy túllépjünk a természetes számok halmazán. Az ebből eredő számokat gyakran nem lehet véges racionális törtként ábrázolni, ezért irracionálisnak nevezzük. Az irracionális számok racionális számokhoz való hozzáadásával kapott számok halmazát valósnak vagy valósnak nevezték .

Már az ókori Görögországban is ismerték az összemérhetetlen szegmensek létezését , legalábbis egy olyan négyzet oldalai és átlója példáján, amelynek oldala egységnek tekinthető, és megpróbálták pontos számértékeket szerezni ezekhez, ami tükröződött Eukleidész " Elveiben " . A valós számok csak a 17-18. században váltak a kutatás tárgyává. A 19. század második felében Dedekind , Cantor és Weierstrass megfogalmazta saját konstruktív módszereit a valós szám meghatározására [26] .

A gyökér kinyerésének műveletére a következő szabály ismert [4] :

.

A számkészlet további bővítése annak volt köszönhető, hogy nem lehetett kivonni a negatív szám négyzetgyökét . Hasonló problémával szembesültek az ókorban a másodfokú egyenletek megoldása során, és az ilyen egyenleteket egyszerűen megoldhatatlannak tekintették. A 16. század első felében elkezdték az ilyen egyenletek megoldásait negatív számokból származó gyökekkel kifejezni, és "képzeletnek", "lehetetlennek", "képzetesnek" stb. nevezték el. [27]

Gyakorlati aritmetika

Az aritmetika gyakorlati oldala magában foglalja a pontos aritmetikai műveletek elvégzésére szolgáló módszereket, sémákat és algoritmusokat, beleértve a számológépek és egyéb eszközök használatát, valamint a közelítő számítások különféle módszereit, amelyek azért jelentek meg, mert bizonyos mérésekkel nem lehet pontos eredményt elérni. és lehetővé teszi annak meghatározását.sorrend, vagyis az első jelentős számjegyek [28] .

Pontos módszerek

A 15. század óta különféle algoritmusokat javasoltak többértékű számok aritmetikai műveleteinek elvégzésére, amelyek a köztes számítások rögzítésének jellegében különböznek [1] . Az aritmetikai algoritmusok az aktuális helyzetszámrendszerre épülnek , amikor bármely pozitív valós szám egyedileg ábrázolható a formában

, ahol  a szám következő számjegye , a számrendszer alapja  , a szám  egész részének számjegyeinek száma .

A számokkal végzett összes művelet tízig terjedő összeadási és szorzási táblázatokat és alapvető aritmetikai törvényeket használ. Illusztrációként a tudomány híres népszerűsítője, Klein a következő példát hozza fel:

amely eloszlási és kombinációs törvényeket használ [29] .

A gyors és pontos számítások szükségessége a legegyszerűbb számlálóeszközök létrehozásához vezetett: abacus , suanpan , yupans vagy account . A következő lépés Oughtred 1622- ben létrehozta a diaszabályt , amely lehetővé teszi a szorzást és az osztást [30] .

Számítógépes aritmetika

Knuth az aritmetikai műveleteket a „ számítógépek sokaságának ” tartotta [31] . Az első számítógépek , amelyek lehetővé tették négy aritmetikai művelet gépesítését, a 17. században készültek. Shikkard aritmetikai gépe , ahogy ő maga nevezte, 1623-ban épült. Az összeadás és kivonás műveleteket forgó hengerekkel végeztük, speciális hengerek voltak szorzásra és osztásra is. Ráadásul a gép több tucatnyit is szállíthatott. Pascal gépét ő fejlesztette ki 1642-ben, hogy segítse édesapját a pénzügyi számításokban. Ugyanolyan működési elve volt, mint a Shikkard gépnek. A gép fő része a tízes átviteli mechanizmus volt. Ugyanakkor az ilyen gépek kézműves gyártása továbbra is veszteséges maradt [32] . Az adagológép fejlesztésére tett kísérletek a 18. században is folytatódtak, de csak a 19. században terjedt el az adagológép alkalmazása [ 33 ] .

A 20. században az összeadó gépeket elektronikus számítógépek váltották fel. Olyan algoritmusokon alapulnak, amelyek a legkevesebb elemi műveletet használják az aritmetikai műveletek végrehajtására [1] . A számítógépes aritmetika lebegőpontos számokkal , törtekkel és nagyon nagy számokkal végzett műveletek végrehajtására szolgáló algoritmusokat tartalmaz [31] .

Méret

Az újraszámítás tárgyát képező tételek mellett vannak mérhető tételek is – elsősorban a hossz és a tömeg [34] .

Akárcsak a számolásnál, az embereknél az első hosszmértékek az ujjak voltak. Aztán elkezdték mérni a távolságot lépésben, dupla lépésben, mérföldben (ezer dupla lépésben), szakaszban . Ezen kívül könyök, tenyér, öl , hüvelyk értékkel mérték a hosszt . A különböző régiókban saját mérési rendszereket alakítottak ki, amelyek ritkán voltak a tízes többszörösei [35] . Az intézkedések sokfélesége különösen lehetővé tette a frakciók alkalmazásának mellőzését [36] [37] . A kereskedelmi aritmetika magában foglalta a nem decimális számrendszerben történő értékekkel (pénz-, mértékegységekkel és súlyokkal) való műveletek képességét [38] .

A 18. század végén a francia forradalmi kormány átmeneti, majd levéltári (1799. december 10-i törvénnyel) mérőszám alapján vette át  a metrikus mértékrendszert ( Franciaország végül 1840. január 1-jétől tért át erre). A mérővel együtt a kilogramm is meghatározásra került . A metrikus rendszer a decimális rendszeren alapul. Ez a körülmény tette lehetővé, hogy szinte az egész világon elterjedjen ( Nagy-Britannia és az USA kivételével ). A Párizsban található különleges Nemzetközi Súly- és Mértékiroda 1888-as rendeletével platina és irídium ötvözetéből nemzetközi mérőt és nemzetközi kilogrammot készítettek - a mértékek és súlyok szabványai szerint. Az idő és a szög mértéke mellett az összes többi mértékegység is a decimális rendszerhez kapcsolódik [39] .

Hozzávetőleges módszerek

Történelmileg a közelítő számítások egy egységnégyzet átlójának hosszának keresése során keletkeztek, de elterjedtek, amikor tizedes rendszerre váltottak és véges tizedes törteket használtak az irracionális számok és a végtelen periodikus törttel kifejezett számok helyett [40] .

Az értékelési számításokhoz mindenekelőtt a monotonitás törvényeit használjuk. Például a termék sorrendjének meghatározásához használhatja a következő becslést: [29] .

Számelmélet

A számelmélet vagy magasabb aritmetika az egész számok tudománya, amely a számok oszthatóságával kapcsolatos aritmetikai problémákból ered [41] . Az elemi számelmélet olyan problémákkal foglalkozik, amelyeket elemi módszerekkel, általában imaginárius számok használata nélkül oldanak meg. Tartalmazza az oszthatóság elméletét, az összehasonlítások elméletét, a határozatlan egyenleteket , a tagokra való felosztást , a racionális számok közelítését, a tört folytatását [42] . Az aritmetika alaptétele  - egy szám egyedi módon történő prímtényezőkre való felosztásáról - szintén az elemi számelmélet része [43] .

Az ókori görögök az egész számok külön alosztályait azonosították , mint például a prím, összetett, négyzet , tökéletes számok . Képleteket vezettek le a Pitagorasz-hármasok, a legnagyobb közös osztó meghatározására , és a prímszámok végtelenségét mutatták. Diophantus elvégezte az egész számokkal kapcsolatos problémák rendszerezését. Diophantus munkáit a 17. században Fermat , a 18. században Euler folytatta . Fermat egyenletek egész számokban történő megoldásával foglalkozott, és bizonyítás nélkül fogalmazta meg Fermat kis és nagy tételeit . Euler, folytatva Fermat kutatását, bebizonyított egy kis tételt és Fermat nagy tételének egy speciális esetét. Elsőként alkalmazta a matematikai elemzést a számelméleti problémák megoldására, és megalkotta az analitikus számelméletet. Euler definiálta a generáló függvényeket , amelyek alapján a cirkuláris módszer és a trigonometrikus összegek módszere [41] épült fel .

Jelenleg az elemi és az analitikus számelmélet mellett léteznek olyan szakaszok, mint az additív , algebrai , valószínűségi , metrikus számelmélet [41] .

Elméleti aritmetika

A modern matematikában az elmélet felépítése alapvető tulajdonságok vagy axiómák megválasztása , amelyekből az elmélet vagy tételek összes rendelkezését le kell vezetni az általánosan elfogadott logikával [44] . Az aritmetika elméleti felépítése algebrai fogalmakkal működik. Az aritmetika alapvető definícióinak kiemelésének bonyolultsága a kezdeti pozíciók egyszerűségével függ össze. Peano , tartva a hamis asszociatív sorozatoktól a szavak használatakor, kizárólag a szimbólumok nyelvén végzett bizonyítást, csak az általa elfogadott előzetes rendelkezésekre támaszkodva. Cantor és Dedekind a számokat halmazokkal és absztrakt relációkkal kapcsolta össze [20] . A halmazelmélet az aritmetikai műveleteket olyan speciális relációknak tekinti az elemek hármasai között, amelyekben az egyik elemet két másikkal határozzuk meg, vagy algebrai műveleteknek [45] . A halmazelméletről szólva Klein megjegyezte, hogy ezzel a megközelítéssel az elmélet fejlődése "absztrakttá és nehezen hozzáférhetővé" válik [20] .

Természetes számok

1810-ben Bolzano cseh matematikus meghatározta az összeadás műveletét természetes számokra. Tőle függetlenül hasonló meghatározást adott Grassmann német matematikus 1861-ben és Hankel 1869-ben [46] . Az Elementary Mathematics Encyclopedia a következő definíciót kínálja a természetes számok összeadására [47] :

Meghatározás. A természetes számok összeadása egy olyan megfeleltetés, amely megfelel minden természetes számpárnak, és egy és csak egy természetes számra, amely a következő tulajdonságokkal rendelkezik:

  • bárkinek ,
  • bármely és .

A természetes számok összeadása mindig megvalósítható és egyértelmű [47] .

A szorzást az összeadáshoz hasonlóan Bolzano, Grassmann és Hankel egymástól függetlenül határozta meg [46] . Az "Elementary Mathematics Encyclopedia" a természetes számok szorzásának következő definícióját kínálja [48] :

Meghatározás. A természetes számok szorzása olyan megfeleltetés, amely minden természetes számpárhoz illeszkedik, és egy és csak egy természetes számot (vagy ), amely a következő tulajdonságokkal rendelkezik:

  • bárkinek ,
  • bármely és .

A természetes számok szorzása mindig megvalósítható és egyedi [48] .

1891-ben Peano axiómákat vezetett be a természetes számokra (más források 1889-et is említenek) [11] [46] . Azóta az axiómák nagyon keveset változtak.

Meghatározás. A természetes számok bármely nem üres halmaz elemei, amelyben egyes elemekre és van egy „ következő ” reláció , amelyre a következő axiómák érvényesek [49] :

  • Van olyan szám , amely nem követ egyetlen számot sem, azaz bármely szám esetén .
  • Bármely számhoz van egy következő szám , és csak egy, vagyis az -ből következik .
  • Bármely szám legfeljebb egy számot követhet, vagyis a következőből .
  • A természetes számok bármely halmaza , amely a következő tulajdonságokkal rendelkezik: tartozik és ha a szám tartozik -hoz , akkor a következő szám is -hoz tartozik , minden természetes számot tartalmaz, azaz egybees -val .

Egész számok

Az Elementary Mathematics Encyclopedia a következő definíciót kínálja a természetes számok kivonására [50] :

Meghatározás. A természetes számok kivonása egy olyan megfeleltetés, amely minden természetes számpárt egy olyan számmal párosít , amelynek a következő tulajdonsága van:

  • .

A természetes számok kivonása csak akkor lehetséges, ha , ha létezik a különbség, akkor az egyedi [50] . A természetes számoknak az összeadás és kivonás tulajdonságai miatti kiterjesztése az egész számok fogalmához vezet [51] .

Meghatározás. Az egész számok gyűrűje egy minimális gyűrű , amely tartalmazza az összes természetes szám halmazát, és a következő tulajdonságokkal rendelkezik [52] :

  • A természetes számok összeadása és szorzása egybeesik az azonos nevű műveletekkel ezekre a számokra a gyűrűben ;
  • A gyűrű nem tartalmaz másik algyűrűt, amely a készletet tartalmazza .

A gyűrű elemeit egész számoknak nevezzük.

A gyűrű létezik és egyedi az izomorfizmusig , és minden eleme egyenlő a természetes számok különbségével. Gyűrű készítésekor természetes számpárokból álló halmazt használunk, amelynek alakja . Párok esetében az ekvivalencia , az összeadás és a szorzás meghatározása a következő [52] :

  • akkor és csak akkor egyenértékű

Racionális számok

Az "Elementary Mathematics Encyclopedia" a természetes számok osztásának következő definícióját kínálja [50] :

Meghatározás. A természetes számok osztása olyan megfeleltetés, amely minden természetes számpárt egy olyan számmal párosít , amelynek a következő tulajdonsága van:

  • .

A természetes számok felosztása csak akkor lehetséges, ha ( többszörös ), ha létezik a hányados, akkor az egyedi [50] . Az egész számok kiterjesztése a szorzás és osztás fogalmain keresztül a racionális számok meghatározásához vezet [51] . Wolf még 1710-ben megfogalmazta azt a követelményt, hogy az egész számokkal végzett aritmetikai műveletek már ismert törvényei nem alkalmazhatók közvetlenül a törtekre, és indokolni kell őket. Magát az igazolást csak a 19. században dolgozták ki a formális törvények állandóságának elve alapján [53] .

Meghatározás. A racionális számok mezője az egész számok gyűrűjét tartalmazó minimális mező , amely a következő tulajdonságokkal rendelkezik [25] :

  • egész számok összeadása és szorzása egybeesik a mezőben lévő számokra vonatkozó azonos nevű műveletekkel ;
  • mező nem tartalmaz más almezőt, csak önmagát, amely tartalmazza a .

A mező elemeit racionális számoknak nevezzük.

A mező létezik és egyedi az izomorfizmusig, és minden eleme egyenlő egész számok hányadosával. Ami az egész számokat illeti, a racionális számok mezőjének megalkotásakor egy párhalmazt használunk , de most már egész számokat, míg . Párok esetében az ekvivalencia, az összeadás és a szorzás meghatározása a következő [25] :

  • akkor és csak akkor egyenértékű

Valós számok

A 19. század második felében a valós számok három különböző elméleti konstrukcióját vezették be . A legnépszerűbb a Dedekind konstrukció . Kantor a határok elméletét használta felépítésében [54] .

Meghatározás. A valós számok mezője egy folytonos mező , amely almezőként tartalmazza a racionális számok mezőjét. A mező elemeit valós számoknak nevezzük [55] .

A mező létezik és egyedi az izomorfizmusig , és minden eleme egyenlő a racionális számok sorozatának határával [55] .

Komplex számok

Meghatározás. A komplex számok mezője a valós számok mezőjét és egy olyan elemet tartalmazó minimális mező , amely a következő tulajdonságokkal rendelkezik [56] :

  • egész számok összeadása és szorzása egybeesik a mezőben lévő számokra vonatkozó azonos nevű műveletekkel ;
  • mező nem tartalmaz más almezőt, csak önmagát, amely tartalmazza a .

A mező elemeit komplex számoknak nevezzük.

A mező algebrailag zárt . A komplex számok mezőjének összeállításakor rendezett párok halmazát használjuk . Párok esetében az ekvivalencia, az összeadás és a szorzás meghatározása a következő:

  • akkor és csak akkor egyenértékű , ha és ,

Formális aritmetika

A logikai-matematikai konstrukciót formális aritmetikának nevezzük [57] . A logikára való átállás a Hilbert -iskola megközelítéséhez kapcsolódik , amely a számok helyett az absztrakciókat vette figyelembe, és feltételezte, hogy az alapvető számtani törvények igazak rájuk [20] . Az aritmetika igazolására az axiomatika több változatát javasolták. Az összeadást és szorzást egyaránt meghatározó Peano axiómarendszer mellett létezik a Presburger axiómarendszer , amely csak az összeadást határozza meg, valamint az összeadást, szorzást és hatványozást meghatározó axiómák. Gyakran a műveletek minden tulajdonsága axiómaként szerepel [58] [59] . Mindezek az axiomatikus elméletek egész számok halmazán alapulnak, és nem tartalmazzák a halmazelmélet paradoxonjait . Más kutatási megközelítések az aritmetikát a halmazelmélet vagy a matematikai logika axiómáiból vezetik le [44] . A kutatás kényelme érdekében az axiómákat a matematikai logika speciális formális nyelvén írjuk [57] . Tartalmaz , numerikus változókat, szimbólumokat ( ) és logikai konnektívumokat ( ), a posztulátumok számítási predikátumok posztulátumai [2] . Az indukció axiómája az axiómák végtelen halmaza, amely nem helyettesíthető semmilyen véges halmazzal [57] .

Ideális esetben az axióma alapkészletének három tulajdonsággal kell rendelkeznie [11] :

  • következetesség  - az axiómák nem ütközhetnek egymással;
  • függetlenség  - az axiómák között ne legyen felesleges, logikusan levezethető más axiómákból;
  • teljesség  - az axiómák halmazának elegendőnek kell lennie ahhoz, hogy bármely helyesen megfogalmazott tétel igazolható vagy cáfolható legyen.

A természetes számok aritmetikája nagy jelentőséggel bír a matematikai elméletek alátámasztása szempontjából: konzisztenciájából következik a valós számok aritmetikájának konzisztenciája, ami viszont a modellek módszerével lehetővé teszi az euklideszi geometria és Lobacsevszkij konzisztenciájának kimutatását. s geometriája [11] [44] . A Peano-rendszerben és a kapcsolódó axiomatikus rendszerekben az aritmetika következetességének bizonyítására Hilbert a XX. század elején sikertelenül törekedett. A Gödel-féle befejezetlenségi tétel 1930-as felfedezése után világossá vált, hogy ez ilyen egyszerű rendszerekben nem lehetséges. A konzisztencia bizonyítását 1936-ban Gentzen végezte el a transzfinit indukció egy variációjával [57] .

A függetlenség vizsgálatához minden axiómát felváltva az ellenkezőjére cserélünk, majd felállítunk egy modellt, ahol a kapott axiómahalmaz teljesül. Ha a lecserélt axióma függő, azaz logikusan következik más axiómákból, akkor az ellenkezővel való helyettesítése nyilvánvalóan inkonzisztens axiómarendszerhez vezet, és a modell felépítése lehetetlen. Így ha a modell megépíthető, akkor a megfelelő axióma független [60] . Ily módon bebizonyosodott, hogy az összes Peano-axióma független egymástól [61] .

A Peano-féle axiómákra épülő formális aritmetika segítségével matematikai elemző eszközök nélkül bizonyítható számelméleti tételek, valamint rekurzív függvények és tulajdonságaik írhatók [2] . Egyenértékű a Zermelo-Fraenkel axiomatikus halmazelmélettel a végtelen axiómája nélkül . Ugyanakkor Godel 1929-ben bebizonyított teljességi tétele kimutatta, hogy Peano axiomatikája hiányos, vagyis vannak olyan aritmetikai tételek, amelyeket nem lehet sem bizonyítani, sem megcáfolni. Míg az aritmetika teljes a forma képleteivel kapcsolatban , vannak alaktételek , amelyek igaz állítást fejeznek ki, de nem vezethetők le [57] . Konkrét példákat is lehetett találni a tételekre: a Goodstein -tételre , a Paris–Harrington-tételre és másokra.

Történelmi vázlat

Ókori matematikai szövegek és számrendszerek

Az egyiptomi matematikai szövegek kiemelt figyelmet fordítottak a számításokra és az ebből adódó nehézségekre, amelyektől nagymértékben függtek a feladatmegoldási módszerek. Az ókori Egyiptom matematikai papiruszait oktatási céllal állították össze [62] , megoldási feladatokat, segédtáblázatokat és szabályokat tartalmaztak egész számokkal és törtekkel végzett műveletekhez , vannak számtani és geometriai progressziók , valamint egyenletek [11] . Az egyiptomiak a decimális számrendszert használták [63] . Az egyiptomiak ismerték az olyan számtani műveleteket, mint az összeadás, a duplázás és a törtek összeadása. Bármilyen egész számmal való szorzást és maradék nélküli osztást a duplázási művelet többszöri ismétlésével hajtottak végre, ami nehézkes számításokhoz vezetett a sorozat egyes tagjaival [15] . Egyiptomban csak aliquot frakciókat vagy egy egység törtrészeit ( ) használták, és az összes többi frakciót az alikvotok összegére bontották [64] . Amikor egy négyzet területét , egy kocka térfogatát határozták meg , vagy egy négyzet oldalát a terület alapján találták meg, az egyiptomiak hatványra emeléssel és gyökér kivonásával szembesültek, bár ezeknek a műveleteknek még nem volt neve. [15] .

A babiloni ékírásos matematikai szövegek a sumérokra jellemző hathatós számrendszert [65] használták , és olyan oktatási segédanyagok voltak, amelyek szorzótáblákat tartalmaztak a -tól -ig számokhoz , valamint reciproktáblázatokat , természetes számok négyzet- és kockatáblázatát, számítási táblázatokat. százalékok , törtek bázissal [11] [63] . Az aritmetikai feladatok megoldása során a babilóniaiak az arányokra és a progressziókra támaszkodtak. Ismerték a számtani sorozat tagjainak összegének képletét, a geometriai haladás összegzésének szabályait, és százalékos feladatokat oldottak meg [66] . Babilonban sok Pythagorean hármast ismertek , a kereséshez valószínűleg egy ismeretlen általános technikát használtak. Általánosságban elmondható, hogy egy egyenlet egész és racionális megoldásának problémája a számelmélethez tartozik [67] . A geometriai problémák miatt szükség volt a négyzetgyökök közelítő kivonására , amelyet a szabály és az iteratív módszerek segítségével hajtottak végre az eredmény további közelítése érdekében [com. 1] .

A legrégebbi görög matematikai szövegek a Kr. e. 14-7. századból származnak. e. [69] Kezdetben a görögök az attikai számozást használták , amelyet végül egy kompakt betű vagy jón [70] váltott fel . Az ókori görög aritmetika fejlődése a pitagorasz iskolához tartozik . A pitagoreusok eleinte azt hitték, hogy bármely két szakasz aránya kifejezhető egész számok arányával, vagyis a geometria a racionális számok aritmetikája. Csak pozitív egész számokat vettek figyelembe, és egy számot egyesek halmazaként határoztak meg. A számok tulajdonságait tanulmányozva párosra és páratlanra (a kettővel oszthatóság jeleként), prímre és összetettre osztották, és Pitagorasz hármasainak végtelen halmazát találták [71] . Kr.e. 399-ben. e. megjelent az oszthatóság általános elmélete, amely nyilvánvalóan Theaetetushoz , Szókratész tanítványához tartozik . Euklidész a VII. könyvet és a IX. „ Kezdetek ” című könyv egy részét neki ajánlotta. Az elmélet a két szám legnagyobb közös osztójának megtalálására szolgáló Euklidész algoritmuson alapul . Az algoritmus következménye, hogy tetszőleges szám prímtényezőkre bontható, valamint az ilyen dekompozíció egyedisége [72] .

Ugyanakkor a püthagoreusok birtokában van az egységnégyzet átlója és oldala összemérhetetlenségének bizonyítéka. Ez a felfedezés azt jelentette, hogy az egész számok arányai nem elegendőek bármely szegmens arányának kifejezésére, és ezen az alapon lehetetlen metrikus geometriát felépíteni [73] . Az irracionalitás első tana Theaitetusé. Euklidész algoritmusa lehetővé teszi, hogy meghatározzuk egy racionális szám nem teljes részleges kiterjesztését egy folytonos törtté. Ugyanakkor az ókori Görögországban nem merült fel a folytonos tört fogalma [72] . A III. században Diophantus elkezdte az algebra építését nem geometria, hanem aritmetika alapján. Diophantus a numerikus tartományt a negatív számokra is kiterjesztette [74] .

A római számozási rendszer nem volt megfelelően adaptálva a számításokhoz. A római számok megelőzték az ábécé megjelenését, és nem a betűiből származnak. Úgy tartják, hogy kezdetben a től- ig számokat a megfelelő számú függőleges vonal jelezte, és az áthúzásuk a tízszeres számot jelentette (innen a szám ). Ennek megfelelően a szám megszerzéséhez a botot kétszer áthúzták. Ezt követően a rendszer egyszerűsödött [75] . Jelenleg főleg sorszámok jelölésére használják.

A 14. századig a kínai matematika a számlálótáblán való megoldáshoz szükséges számítási algoritmusok összessége volt [76] . A számlálótáblán végrehajtott összeadás és kivonás aritmetikai műveletei nem igényeltek további táblákat, a szorzáshoz viszont volt egy -tól -ig táblázat . A szorzás és osztás műveleteit a legmagasabb számjegyektől kezdve végeztük, míg a közbenső eredményeket eltávolították a tábláról, ami lehetetlenné tette az ellenőrzést. Eleinte a szorzás és az osztás egymástól független műveletek voltak, de aztán Sun Tzu feljegyezte ezek kölcsönös inverzét [77] . Kínában tudták, hogyan kell problémákat megoldani a két hamis pozíció szabálya [78] segítségével, és negatív számokat vezettek be a lineáris egyenletrendszerek megoldására . Eleinte csak a számolás során használták őket, és a számítások végére eltávolították a tábláról, majd a kínai tudósok adósságként vagy hiányként kezdték értelmezni őket [79] .

Aritmetika a középkorban

Indiában vezették be a helyzetszámrendszert (tíz számjegy , beleértve a nullát is) . Lehetővé tette viszonylag egyszerű szabályok kidolgozását az aritmetikai műveletek végrehajtására [11] . Indiában a fő aritmetikai műveletek az összeadást, kivonást, szorzást, osztást, négyzetesítést és kockát, a négyzet- és kockagyökök kinyerését tekintették, amelyekre szabályokat dolgoztak ki. A számításokat homokkal vagy porral teli számlálótáblán, vagy egyszerűen a földön végezték, és bottal rögzítették [80] . Az indiánok ismerték a törteket és tudták, hogyan kell velük műveleteket végrehajtani, arányokat, progressziókat [81] . Már a Kr.u. 7. századtól. e. negatív számokat használtak, adósságként értelmezve, valamint irracionális számokat [82] .

A 9. század elején Muhammad ibn-Musa al-Khwarizmi megírta az „Indiai számláról” című könyvet. A tankönyv „különböző típusú és fajta” gyakorlati problémák megoldásait tartalmazta, és ez volt az első helyszámrendszerrel írt könyv, ezt megelőzően a számokat csak a számlálótáblán történő számításokhoz használták [83] [84] . A 12. században Adelard és Sewel János [85] készítette a könyv két latin fordítását . Eredetét nem őrizték meg, de 1857-ben megjelent egy talált latin fordítás "Alkhoresmi on the Indian Number" címmel [83] . Az értekezés leírja az olyan aritmetikai műveletek végrehajtását, mint az összeadás, kivonás, kettőzés, szorzás, bifurkáció, osztás és a négyzetgyök felvétele indiai számok segítségével a számlálótáblán [86] . A törtek szorzását, akárcsak az osztást, arányok használatával vettük figyelembe: a -val való szorzás egyenértékű volt annak megállapításával, hogy . Ez az elmélet volt az arab aritmetika alapja. Létezett azonban egy másik törtszámítás is, amely bármely törtet aliquot törtek összegeként reprezentál [87] . A problémák megoldására az arabok a hármas szabályt használták , amely Indiából származott, és számos más technikával együtt leírták Al-Biruni „Az indiai rasikok könyvében”, a két hamis álláspont uralmát, amely Kínából származott és elméletileg kapott. indoklás a "Könyv a kettős hamis álláspont szabályáról" Bushes ibn Lukka [88] .

A 10. században Spanyolországon és Szicílián keresztül kezdtek kiépülni a tudományos kapcsolatok Európa és az arab világ között. Ekkor járt Katalóniában a tudós szerzetes, Herbert, aki később II. Szilveszter pápa lett . Nevéhez fűződik olyan írások, mint a Számosztás könyve és Az Abakuszra számolás szabályai. Mindkét könyvben a számokat szavakkal vagy római számokkal írják [89] . Herbert „abacistának” nevezte az abakuszkalkulátorokat. A 12-13. században jelentek meg Európában az aritmetikai könyvek latin fordításai. A könyvekben bemutatott decimális pozíciószámozás híveit al-Khwarizmi arab matematikus latin nevéről kezdték "algoristának" nevezni [90] . A 13. század elején Nyugat-Európában két számrendszer létezett: a régi, az abakuszra épülő és Herbert által támogatott, valamint az új, pozicionális indiai rendszer, amelyet Leonardo Fibonacci támogat. Fokozatosan az új rendszer vette át az uralmat [85] [91] . Fő előnye az aritmetikai műveletek egyszerűsítése. Németországban, Franciaországban és Angliában azonban csak a 15. század végén kezdtek új számokat használni. A régi számozás teljesebb kiszorítása csak a 16-17. században következett be [91] .

1427-ben al-Kashi leírta a tizedestörtek rendszerét, amely Stevin 1585 -ös írása után terjedt el [11] . Stevin a tizedes rendszert a lehető legszélesebb körben el akarta terjeszteni. Ezért írta kompozícióit franciául és flamandul , nem latinul. Emellett energikus bajnoka lett a tizedes mértékrendszer bevezetésének [37] .

Modern aritmetika

A 17. században a tengerészeti csillagászat , a mechanika és a bonyolultabb kereskedelmi számítások új követelményeket támasztottak a számítástechnika aritmetikájával szemben, és lendületet adtak a további fejlődésnek. A szám fogalma jelentős változáson ment keresztül. Ha korábban jórészt csak pozitív racionális számokat tulajdonítottak a számok mezőjének, akkor a 16. századtól egyre inkább felismerték az irracionális és negatív számokat. Newton előadásaiban a számokat három típusra osztja: egész számokra (egységgel mérve), törtre (egy egység többszörös törtrésze) és irracionális (egységgel össze nem mérhető). 1710 óta a számnak ez a definíciója szilárdan szerepel minden tankönyvben [92] .

A 17. század elején Napier feltalálta a logaritmusokat . A logaritmusok és tizedes törtek használata, az irracionális szám fogalmának a racionális közelítések sorozataként való beemelése az aritmetikába a 17. század végére kiterjesztette az aritmetika hatókörét, és meghatározta a tudomány alapvető jelentőségét a folytonos mennyiségek vizsgálatában. [11] .

A matematika alapjainak kritikai felülvizsgálatának folyamata, amely a 19. században történt, Lobacsevszkij geometriai munkájához kapcsolódik . Már a 18. században megindultak a kísérletek a számmal kapcsolatos elképzelések elméleti igazolására. Leibniz volt az első, aki feladatul tűzte ki az aritmetika deduktív felépítését, és különösen megmutatta a „kettő plusz kettő egyenlő négy” egyenlőség bizonyításának szükségességét 1705-ös Új kísérletek az emberi elmével című művében. Wolf 1770-ben, Schultz  1790-ben, Ohm  1822-ben, Grassmann  1861-ben, végül Peano  1889-ben [93] mutatta be axiómáit a probléma megoldására .

Kestner 1758-ban Az aritmetika, a geometria, a sík- és gömbtrigonometria és a perspektíva első alapjai című művében minden aritmetikai fogalom egész számmal való igazolása mellett érvelt. Így definiálta sorrendben a könyvben a természetes számokat, a törteket, a negatív számokat, a tizedesjegyeket, az irracionális számokat, és csak ezután az összefüggéselméletet [94] . A negatív számok elméletének kialakításában a fő probléma az volt, hogy a negatív szám kisebb, mint nulla, azaz kisebb, mint a semmi [95] .

A komplex számok teljes geometriai értelmezését Caspar Wessel javasolta 1799-ben "An Essay on the Analytic Represent of Direction and its Applications, Főleg a sík- és gömbsokszögek megoldására" című művében. Wessel megpróbálta általánosítani az elméletet a háromdimenziós térre, de nem járt sikerrel. A kérdés mindaddig nyitott maradt, amíg Hamilton meg nem konstruálta a kvaterniók elméletét , amelynek szorzása nem tartja fenn a kommutatív törvényt. Ugyanakkor Weierstrass, Frobenius és Pierce tanulmányai kimutatták, hogy bármelyik aritmetikai törvényt el kell hagyni a számfogalom bármilyen kiterjesztéséhez a komplex számok határain túlra [96] .

Számtan az oktatásban

Az aritmetikai fogalmak kialakulása szorosan összefügg a számolás folyamatával. A mentális tevékenység olyan elemeire épül, mint a tárgy felismerésének képessége; tárgyak megkülönböztetése; osszuk fel az objektumok halmazát olyan elemekre, amelyek számolása egyenlő (más szóval használjon számláló egységet); az elemek szekvenciális elrendezésének, elrendezésének képessége , ami a különböző minőségű tárgyak megszámlálásához és a számfogalom kialakulásához vezet. Hasonló folyamatok figyelhetők meg a fogalmak gyermekek általi asszimilációjában [11] .

Boethius az aritmetikáról [97]

Tehát melyik tudományágat érdemes először tanulmányozni, ha nem azt, amelyik a kezdet, és anyaként hat más [tudományágakhoz] képest? Ez csak aritmetika. Minden mást megelőz, nem csak azért, mert maga Isten, ennek a világegyetemnek a teremtője, először őt vette mintaképül gondolataiban, és [elve] szerint mindent elrendezett, ami a számokon keresztül, a teremtő elme erejével, harmóniát talált a kialakult sorrendben, hanem azért is, mert az aritmetika az előzőnek van deklarálva, hogy ha a természetüknél fogva megelőző entitásokat kiiktatjuk, akkor a következő entitásokat azonnal kiküszöböljük. Ha a későbbiek elpusztulnak, akkor az előző anyag állapotában semmi sem változik.

Az alapfokú oktatási normák magukban foglalják a számok számlálását és összehasonlítását millióig, az alapvető mértékegységekkel és a köztük lévő összefüggésekkel való munkát, négy számtani alapművelet elvégzését (szóban 100-ig, írásban 10 000-ig), valamint a maradékkal való osztást, több aritmetikai műveletből álló numerikus kifejezés értékének keresése [98] [99] . Az iskolai tananyag bemutatása vizuális ábrázolások segítségével történik. Az első osztályban a gyerekek számszerű képekkel, tárgymennyiségekkel foglalkoznak, a számolás 20-ig megy. Második osztályban bemutatják a tizedes rendszert, helyzetrendszert, szorzótáblát, a számolás 100-ig megy. A harmadik osztályban többértékű számokkal végzett aritmetikai műveletek tanulmányozása. A következő lépés az áttérés a betűjelölésekre, vagyis a konkrétról az absztraktra. Klein szerint ezzel kezdődik a matematika [100] . Az általános iskolai aritmetika tanulásának nehézsége abban rejlik, hogy a számítást az objektumok természetétől elvont módon kell elvégezni [101] .

A középiskolai oktatás a számfogalom kiterjesztéséhez kapcsolódik, vezessen be törteket és a rájuk vonatkozó műveleteket, negatív számokat, irracionális számokat [102] . A valós és komplex számok, valamint az Euklidész-algoritmus és az aritmetika alaptétele a teljes középfokú oktatásnak minősül. Az Orosz Szövetségi Állami Oktatási Szabvány szerint „Az aritmetika rész tartalma alapul szolgál a diákok további matematikai tanulmányozásához, hozzájárul logikus gondolkodásuk fejlesztéséhez, az algoritmusok használatának képességének kialakításához, valamint a matematika elsajátításához. a mindennapi életben szükséges gyakorlati készségek” [103] .

A modern világban a matematikai műveltség az oktatás egyik fő célja. Ez magában foglalja különösen az aritmetikai műveletek végrehajtásának, a számítások és mérések elvégzésének képességét [104] . Az olyan szervezetek, mint az UNICEF és az UNESCO [105] [106] foglalkoznak a gyermekek és felnőttek matematikai műveltségének kérdéseivel .

Ugyanakkor az aritmetikai műveletek tanítása sokáig a minták mechanikus végrehajtására korlátozódott. Az ókori Kínában nagy figyelmet fordítottak a matematika tanítására, beleértve a vizsgák letételét is. A matematikát hét évig tanulták a Birodalmi Akadémián. A klasszikus matematikai értekezéseket azonban dogmaként kezelték, és változtatás nélkül újranyomták [107] .

Európában az összeadás, kivonás, szorzás és osztás szisztematikus gyakorlatait Tartaglia javasolta a 16. században, de ezek sokáig nem kerültek használatba [108] . Ezenkívül a középkorban számos magánszámítási feladat megoldására voltak szabályok. Egyes tankönyvekben legfeljebb 26 ilyen szabály található, és ezek nem feltétlenül esnek egybe tankönyvről tankönyvre [109] . Néhány szabály a mai napig nem veszítette el jelentőségét. Ide tartoznak az arányok (a törteket két szám arányának tekintettük, ami az arányok figyelembevételéhez vezetett a műveletek elvégzéséhez), százalékok [110] .

Az aritmetika a hét szabad művészet közül a negyedik a tanulás szempontjából. Ezt a nyelvtanból , retorikából és dialektikából álló trivium előzi meg , és maga a quadrivium vezető tudománya , amely magában foglalja a geometriát , a zenét és a csillagászatot is . Az első európai egyetemek megjelenésével a matematikát a művészeti karokon quadriviumként oktatták, és segédtudomány volt. Az első aritmetikai előadásokat a bécsi egyetem mestere, Johann of Gmunden tartotta 1412-ben [112] .

Aritmetika a filozófiában és a művészetben

Miután a püthagoreusok az egész számok összefüggéseit használták a szegmensek geometriai kapcsolatainak, valamint a harmónia és a zene hasonló összefüggéseinek kifejezésére, arra a következtetésre jutottak, hogy a világ összes törvénye leírható számokkal, és számtani kell ahhoz. kapcsolatok kifejezésére és mintabéke kialakítására [113] . Ugyanakkor a pitagoreusok egyik felfedezése, hogy az egész számok arányai nem elegendőek bármely szakasz arányának kifejezésére (a négyzet átlója és oldala összemérhetetlen), és ez alapján nem lehet építeni metrikus geometria [73] . A véges mérték megalkotásának és a valós szám meghatározásának problémái tudományos válságot tártak fel a Kr.e. V. században. e., amelyből az ókori Görögország összes filozófiai iskolája részt vett. Eleai Zénó paradoxonaiban vagy apóriáiban [114] sikerült megmutatnia mindazokat a nehézségeket, amelyek e problémák megoldása során felmerülnek .

Marcianus Capella "A filozófia és a Merkúr házassága" című értekezésében vizuális képeket alkotott mind a hét művészetről, beleértve az aritmetikát is. A művészeteket megfelelő attribútumokkal rendelkező nők személyesítették meg, akiket a szféra ismert képviselői kísértek. Az aritmetikus számokkal felírt táblát vagy abakuszt tart a kezében. Pythagoras [115] elkíséri .

A számolás Buddha egyik próbája volt . Az íjászat , a futás és az úszás versenyei után Arjuna matematikus megparancsolta neki, hogy minden számbeli fokozatot magasabbra nevezzen . Buddha huszonkét fokot nevezett el (csak a páratlan fokozatoknak volt neve), és ez csak az első számolás volt, a második számolásnál Buddha folytatta . Buddha következő feladata az volt, hogy megszámolja az atomok számát egy mérföldön, majd az univerzumban [116] . Hasonló "számlétrák" ismétlődően megtalálhatók az indiai vallásos költészetben, míg a számok szavai eltérőek lehetnek. Az ilyen létrák célja, hogy a halandó világ fölé emelkedjenek. A "Lilavatistara" indiai könyv a föld hölgye, a gyönyörű Gopa kérői közötti versengést írja le írásban , számtanban, birkózásban és a nyíldobás művészetében. A munka [117] jelentős részét az aritmetikai teszteknek szentelték .

Akárcsak Indiában, a maja papok által mesterségesen megszerkesztett igen nagy számok arról a vágyról beszélnek, hogy feljebb kapaszkodjanak a "számos ranglétrán", közelebb az istenekhez [118] .

Jegyzetek

Hozzászólások
  1. Meg kell találni a gyökét , - az első közelítést hátrányos, - a közelítést a többlettel. A második közelítést a számtani középképlet alkotja , és ennek felel meg és így tovább) [68] .
Felhasznált irodalom és források
  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Vinogradov I. M. Aritmetika // Matematikai enciklopédia. - M . : Szovjet Enciklopédia, 1977. - T. 1.
  2. 1 2 3 4 Vinogradov I. M. Formális aritmetika // Mathematical Encyclopedia. - M . : Szovjet Enciklopédia, 1977. - T. 1.
  3. 1 2 3 4 5 6 7 Számtan, tudomány // Brockhaus és Efron enciklopédikus szótára  : 86 kötetben (82 kötet és 4 további). - Szentpétervár. , 1890-1907.
  4. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 MacDuffee CC Aritmetika . Encyclopædia Britannica. Letöltve: 2012. március 20. Az eredetiből archiválva : 2012. május 27..  (Angol)
  5. SZÁMÍTÁS . Nagy Orosz Enciklopédia . Letöltve: 2017. június 15. Az eredetiből archiválva : 2017. június 27.
  6. Arnold, 1938 , p. 3-5.
  7. Pontryagin, 1986 , p. 4-6.
  8. Beljusztin V. 12. fejezet A cselekvések, jelek és definíciók száma és sorrendje // Hogyan jutottak el az emberek fokozatosan a valódi aritmetikához ? - M . : K. L. Menshov nyomdája, 1909.
  9. Depman, 1965 , p. 195-199.
  10. Arnold, 1938 , p. 151-156.
  11. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Aritmetika // Nagy Szovjet Enciklopédia  : [30 kötetben]  / ch. szerk. A. M. Prohorov . - 3. kiadás - M .  : Szovjet Enciklopédia, 1969-1978.
  12. Algebra // Nagy Szovjet Enciklopédia  : [30 kötetben]  / ch. szerk. A. M. Prohorov . - 3. kiadás - M .  : Szovjet Enciklopédia, 1969-1978.
  13. Depman, 1965 , p. 21-25.
  14. Depman, 1965 , p. 129-130.
  15. 1 2 3 A matematika története, I. kötet, 1970 , p. 23-24.
  16. 1 2 3 4 Depman, 1965 , p. 212-232.
  17. 1 2 3 Depman, 1965 , p. 204.
  18. Aritmetika, 1951 , p. 142.
  19. Klein, 1987 , p. 23-26.
  20. 1 2 3 4 Klein, 1987 , p. 26-35.
  21. Aritmetika, 1951 , p. 77-79.
  22. Klein, 1987 , p. 37-44.
  23. Aritmetika, 1951 , p. 157.
  24. Klein, 1987 .
  25. 1 2 3 Aritmetika, 1951 , p. 172-178.
  26. Aritmetika, 1951 , p. 188-201.
  27. Aritmetika, 1951 , p. 227.
  28. Klein, 1987 , p. 35-36.
  29. 1 2 Klein, 1987 , p. 23-25.
  30. ARITHMETIKA // Collier's Encyclopedia. — Nyitott társadalom. – 2000.
  31. 1 2 Knuth , p. 216.
  32. A matematika története, II. kötet, 1970 , p. 66-67.
  33. A matematika története, III. kötet, 1972 , p. 42-45.
  34. Klein, 1987 , p. 45-49.
  35. Depman, 1965 , p. 263-267.
  36. Boyer & Merzbach, 2010 , Aritmetika és logisztika.
  37. 1 2 Aritmetika, 1951 , p. 57-71.
  38. Knuth , p. 216, 221.
  39. Depman, 1965 , p. 275-285.
  40. Klein, 1987 , p. 49-57.
  41. 1 2 3 Vinogradov I. M. Számelmélet // Mathematical Encyclopedia. - M . : Szovjet Enciklopédia, 1977. - T. 5.
  42. Vinogradov I. M. Elemi számelmélet // Matematikai enciklopédia. - M . : Szovjet Enciklopédia, 1977. - T. 5.
  43. Arnold, 1938 , p. 413-415.
  44. 1 2 3 Axiomatikus módszer // Nagy Szovjet Enciklopédia  : [30 kötetben]  / ch. szerk. A. M. Prohorov . - 3. kiadás - M .  : Szovjet Enciklopédia, 1969-1978.
  45. Aritmetika, 1951 , p. 100-107.
  46. 1 2 3 Depman, 1965 , p. 117-126.
  47. 1 2 Aritmetika, 1951 , p. 135-138.
  48. 1 2 Aritmetika, 1951 , p. 139-142.
  49. Aritmetika, 1951 , p. 133.
  50. 1 2 3 4 Aritmetika, 1951 , p. 150-151.
  51. 1 2 Aritmetika, 1951 , p. 172-179.
  52. 1 2 Aritmetika, 1951 , p. 160-167.
  53. Depman, 1965 , p. 258-262.
  54. Aritmetika, 1951 , p. 188.
  55. 1 2 Aritmetika, 1951 , p. 202.
  56. Aritmetika, 1951 , p. 228.
  57. 1 2 3 4 5 Formális aritmetika // Nagy Szovjet Enciklopédia  : [30 kötetben]  / ch. szerk. A. M. Prohorov . - 3. kiadás - M .  : Szovjet Enciklopédia, 1969-1978.
  58. Avigad, 2003 , p. 260.
  59. Nechaev, 1975 , p. 52-53.
  60. Nechaev, 1975 , p. 48.
  61. Nechaev, 1975 , p. 68-72.
  62. A matematika története, I. kötet, 1970 , p. 19-20.
  63. 1 2 Depman, 1965 , p. 49-52.
  64. A matematika története, I. kötet, 1970 , p. 25.
  65. A matematika története, I. kötet, 1970 , p. 34.
  66. A matematika története, I. kötet, 1970 , p. 40.
  67. A matematika története, I. kötet, 1970 , p. ötven.
  68. A matematika története, I. kötet, 1970 , p. 46-47.
  69. Depman, 1965 , p. 53-54.
  70. A matematika története, I. kötet, 1970 , p. 62.
  71. A matematika története, I. kötet, 1970 , p. 68-69.
  72. 1 2 A matematika története, I. kötet, 1970 , p. 74-76.
  73. 1 2 A matematika története, I. kötet, 1970 , p. 73.
  74. A matematika története, I. kötet, 1970 , p. 144-146.
  75. Depman, 1965 , p. 57-58.
  76. A matematika története, I. kötet, 1970 , p. 178.
  77. A matematika története, I. kötet, 1970 , p. 160-161.
  78. A matematika története, I. kötet, 1970 , p. 163-164.
  79. A matematika története, I. kötet, 1970 , p. 167-169.
  80. A matematika története, I. kötet, 1970 , p. 183-185.
  81. A matematika története, I. kötet, 1970 , p. 185.
  82. A matematika története, I. kötet, 1970 , p. 190-191.
  83. 1 2 Depman, 1965 , p. 72-78.
  84. A matematika története, I. kötet, 1970 , p. 209-210.
  85. 1 2 Depman, 1965 , p. 90-94.
  86. A matematika története, I. kötet, 1970 , p. 211-212.
  87. A matematika története, I. kötet, 1970 , p. 212-214.
  88. A matematika története, I. kötet, 1970 , p. 218-219.
  89. A matematika története, I. kötet, 1970 , p. 254-256.
  90. A matematika története, I. kötet, 1970 , p. 256-257.
  91. 1 2 Aritmetika, 1951 , p. 50-57.
  92. A matematika története, II. kötet, 1970 , p. 34-36.
  93. A matematika története, III. kötet, 1972 , p. 47-49.
  94. A matematika története, III. kötet, 1972 , p. 49-52.
  95. A matematika története, III. kötet, 1972 , p. 52-56.
  96. A matematika története, III. kötet, 1972 , p. 61-66.
  97. Boethius. I, 1 // A számtan alapjai .
  98. Egy oktatási intézmény hozzávetőleges alapképzési programja. Általános iskola (elérhetetlen link) . Szövetségi állami oktatási szabvány. Letöltve: 2012. december 5. Az eredetiből archiválva : 2012. december 7.. 
  99. Egy oktatási intézmény hozzávetőleges alapképzési programja. Általános iskola / ösz. E. S. Savinov. - 4. - M . : Oktatás, 2013. - S. 32-35. — 223 p. — ISBN 9785090264167 . Archivált másolat (nem elérhető link) . Hozzáférés dátuma: 2012. december 6. Az eredetiből archiválva : 2013. augusztus 24. 
  100. Klein, 1987 , p. 20-23.
  101. Depman, 1965 , p. 1-3, 103-109.
  102. Klein, 1987 , p. 37.
  103. Hozzávetőleges programok a tudományos tárgyakhoz. Matematika (elérhetetlen link) . Szövetségi állami oktatási szabvány. Letöltve: 2012. december 5. Az eredetiből archiválva : 2012. december 7.. 
  104. Műveltség, matematikai képességek és problémamegoldó készségek egy technológiailag fejlett társadalomban (elérhetetlen link) . Nemzeti Kutatóegyetem Közgazdaságtudományi Főiskola. Letöltve: 2012. december 5. Az eredetiből archiválva : 2012. december 7.. 
  105. Minőség meghatározása az oktatásban  (angol)  (elérhetetlen link) . UNICEF . Letöltve: 2012. december 5. Az eredetiből archiválva : 2012. október 15..
  106. Oktatás minden  cél érdekében . UNESCO . Letöltve: 2012. december 5. Az eredetiből archiválva : 2012. december 7..
  107. A matematika története, I. kötet, 1970 , p. 157.
  108. Depman, 1965 , p. 199-203.
  109. Depman, 1965 , p. 305.
  110. Depman, 1965 , p. 306.
  111. Szabadművészet . Encyclopædia Britannica. Letöltve: 2012. március 20. Az eredetiből archiválva : 2012. május 27..  (Angol)
  112. A matematika története, I. kötet, 1970 , p. 259-260.
  113. A matematika története, I. kötet, 1970 , p. 67.
  114. A matematika története, I. kötet, 1970 , p. 88-89.
  115. Seven Liberal Arts (elérhetetlen link) . Szimbolárium. Letöltve: 2012. március 20. Az eredetiből archiválva : 2012. május 27.. 
  116. Menninger, 2011 , p. 176-179.
  117. Aritmetika, 1951 , p. 49.
  118. Menninger, 2011 , p. 82.

Irodalom

Linkek