数论是数学中独具魅力的分支,它以整数为研究对象,探求它们的性质、解决相关问题,并在现代科技中发挥着重要作用。这个领域涵盖了素数、因数分解、同余等概念,并在密码学与计算机科学等领域中有着广泛的应用。在数论概念中,幂次方数在数论中占据着基础而重要的位置。一个数的二次幂被称为平方数,例如;三次幂则被称为立方数,如。
这些数的性质不仅在数论中有着丰富的内涵,在几何、代数及现实世界的许多问题解决中也扮演着关键角色。
古希腊数学家对数的看法今天有所不同,他们更偏好用几何的方式来考虑数,喜欢将所有的数,视为几何量。希腊数学的这种几何代数思想,尤其是在欧几里得的《几何原本》中,对后来的数学发展产生了深远的影响。在《几何原本》中,欧几里得不仅系统地阐述了几何学的基本原理和定理,还提出了“数”的几何化表达,数以线段的长度出现,乘积和比例问题通过构造具有某种长度的线段来解决。
将这一概念进一步发展,我们还可以将乘积视为在一个矩形点阵中,一边有个点,另一边有个点的点数总和。这种将数的乘积几何化的方法,为数的视觉表现提供了一种生动的方式,它不仅帮助学生更好地理解数学概念,也在现代课堂教学中被广泛采用,展示了古典数学思想对现代教育的持续影响。然而,并非所有的整数都能被表示为了类似矩形的点阵,一类特殊的数只能用单独的“一行”表示出来:一边长度为1,另一边长度为该数本身。
例如,数字只能表示为一行,即一边有1个点,另一边有5个点,请看下图中红点圆点的图形。在古希腊数学中,这样的数被定义为素数,因为它们不能被表示为除了这种一行模式之外的任何其他矩形排列。而他们将其视为构建所有其他数的基本单元。因此,1在那时就不被视为素数,这一观点一直延续至今。
希腊数学家如毕达哥拉斯及其学派的思想,他们对数的这样几何性质兴趣浓厚,他们认为一切事物都可以用数来解释,而数的性质可以通过几何形状来可视化和理解。他们发现了有形数(Figurate number)——排成有一定规律形状的各种数,除了正方形和矩形,还有三角形数、正方形数(平方数)、五角数等,这些都是可以用点来形成特定的几何图形的数。三角形数(Triangular number)是一类特殊的形数。
这些数的名称来自它们可以排列成等边三角形的点阵。例如,第1个三角形数是1,第2个是3(可以排列成一个等边三角形),第3个是6,如此类推。第个三角形数的一般公式是。从连续自然数的简单算术序列中,就可以推导出这个优雅的公式。有趣的是,每两个连续的三角形数相加,总能得到一个正方形数。例如,第二个三角形数3加上第三个三角形数6等于9,而9恰好是3的平方。
五角数(Pentagonal number)是可以排列成五边形的点阵的数。五角数序列的前几个数是1, 5, 12, 22, 35等。第个五角数的公式是。
六边形数(Hexagonal Numbers)是由正六边形的点阵构成的数,每增加一层,就会在现有的基础上增加更多的点,形成一个新的六边形数。第个六边形数的公式是。
而边形数,则是更一般的概念,它涵盖了所有可以通过正多边形的点阵来表示的数。这些图形不仅在视觉上吸引人,而且它们的性质揭示了数的深层次结构,这对于当时数学家来说是相当震撼,他们研究为后人提供了丰富的研究材料,也影响了数学的进一步发展。