更加了解虛數:平方為負的神奇數 人人伽利略25

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具体描述

  ★日本牛頓獨家授權精美圖解
  ★符合一○八課綱學習素養,延伸學習觸角
  ★學習虛數與複數的重要概念
 
  「什麼是虛數?」這個問題如果答不太出來的話,那麼,「少年伽利略」的《虛數》或許可以幫助你釐清觀念。
 
  虛數是從imaginary number翻譯而來,之所以是「想像」的,是因為它並不實際存在。虛數用i來代表,其定義是(-1)的平方根。從剛開始的整數,進而發現分數、小數、根號,好不容易接受了0跟負數的概念,卻又出現了平方之後竟然是負的,這跟一般「負負得正」的概念是相反的。虛數到底有什麼用處呢?
 
  ──有了將虛數與實數加起來的「複數」,想要用數學式表現波動、聲音、電磁波,便可化繁為簡。
  ──想要了解量子力學的基礎方程式,一定要學好虛數。
  ──利用傅立葉轉換的降噪耳機,也用了以虛數為主角的歐拉公式。
  ──與相對論有關的四維距離,流動著虛數時間?
 
   虛數看似與生活無關,其實很重要。理解虛數,不要求快,踏實最重要,《虛數》以精彩圖片搭配解說,從數的發展脈絡開始講解,帶領讀者一起釐清虛數和複數的基礎概念及其運用。
 
系列特色
 
  1. 本書系取得日本牛頓出版社的授權,以精美插圖、珍貴照片及電腦模擬圖像,深入淺出解說科學知識,淺顯易懂。
  2. 以一書一主題的系統化,縱向深入閱讀,橫向觸類旁通,主題涵蓋天文、數學、物理、化學、生命科學等領域。
  3. 以不同的角度提出各種科學疑問,啟發讀者對科學的探究興趣。
谜题与构建:纯粹数学的深层景观 这是一部带领读者穿越数学核心疆域的著作,它不涉及任何关于虚数、复数或特定代数结构的内容。相反,本书聚焦于数学的基石、逻辑的严谨性以及那些在看似简单问题背后隐藏的深刻结构。我们将从最基础的公理系统出发,逐步构建起一个坚实而宏伟的逻辑大厦。 第一部分:关于无限的哲学与算术基石 本书首先探讨了数学哲学中关于“无限”的根本性辩论。我们不讨论任何形式的数系扩展,而是深入研究皮亚诺公理如何确立自然数的结构。这里,重点在于对“后继”概念的严格定义,以及如何通过归纳法来证明简单的算术定律——例如加法交换律和结合律的真实性。 我们会仔细剖析集合论的早期发展,特别是朴素集合论中的悖论(如罗素悖论)如何促使数学家们寻求更严格的公理化基础。这不是一个关于集合论本身的详细介绍,而是关于“构建”数学所需面对的哲学困境的探讨。我们关注的是:如何在一个没有矛盾的框架内,安全地定义“存在”? 第二部分:几何的形变与度量之谜 在离开代数领域后,本书转向了几何学的本质。我们不会触及非欧几何或任何维度扩展,而是回归到欧几里得体系的纯粹性。重点将放在“公理”的内在张力上。例如,平行公设的不可避免性或其替代性的历史探索,但我们仅将其作为理解公理系统自我完备性的案例。 更深入地,我们将研究拓扑学的雏形——关于“形变”的初步概念。我们探讨的是,哪些性质在连续映射下保持不变?这部分内容侧重于拓扑不变量的直观理解,例如连通性和边界的概念。我们将通过构建简单的空间模型,如圆盘、球面和环面(仅作为拓扑形变的直观示例,不涉及其代数拓扑分类),来阐明“邻域”和“极限”在没有坐标系依赖下的意义。 第三部分:离散结构与逻辑的精确性 本书的第三部分完全沉浸于离散数学的领域,探索结构如何在有限或可数的基础上运作。我们详细分析了图论的早期形式,重点关注连通性、回路以及欧拉和哈密顿路径问题的基本表述。这里的分析完全基于点和边的关系,不涉及任何数值计算的复杂性。 我们将花费大量篇幅研究证明的艺术。这不是关于特定定理的证明技巧,而是关于证明本身的逻辑结构。归谬法(反证法)的有效性、演绎推理的链条构建,以及如何识别常见的逻辑谬误,构成了本部分的核心。我们通过分析一些经典的逻辑谜题(如骑士与无赖问题),来展示逻辑语言的精确性要求。 第四部分:数论的纯粹性与未解之谜 在本书的收尾部分,我们回归到整数的世界,但着重于其最纯粹的、不依赖于外部体系的性质。我们将深入探讨素数的分布规律,但着重于其在数论框架内的定义和内在特性,而不是任何与分析学相关的渐近性质。 我们讨论了模运算(同余关系)的初步概念,将其视为一种“循环”结构,而非一种数值操作。通过这种视角,我们审视了丢番图方程的早期形态——寻找整数解的问题,强调其作为结构约束的本质。 最后,我们将提及一些尚未完全解决的数论问题(例如哥德巴赫猜想的表述),不是为了提供任何线索,而是为了说明即使在看似最简单的整数结构中,逻辑的完备性也可能导向无法立即破解的深邃谜团。这部分强调的是数学探索的边界,是人类智力面对纯粹结构时所能达到的深度。 本书旨在为读者提供一个扎实的、跨越几何、逻辑和纯数论基础的视角,理解数学作为一种自我完善的、严密构建的知识体系的内在美感与挑战。它不提供任何“快捷方式”或“简化模型”,而是坚持对逻辑和定义的苛刻要求。

著者信息

图书目录

一、虛數的誕生歷程
自然數

負數
負數的乘法
有理數 ①∼②
無理數
實數
Column 1 小數的表示法誕生於16世紀
Column 2 畢達哥拉斯認為有理數是數的一切
Column 3 古代美索不達米亞黏土版刻畫的 2
Column 4 古人是這樣作平方根的圖
Column 5 證明 2是無理數
Column 6 用分數表示 2的方法—連分數
Column 7 何謂方程式?
Topics 實數的完成與無窮的概念

二、何謂虛數
虛數是什麼?
解不開的問題
虛數的誕生 ①∼②
虛數獲得市民權
Column 8 「二次方程式」不一定有實數解
Column 9 有4000年歷史的「二次方程式」
Column 10 以二次方程式的「公式解」求解卡當諾問題
Column 11 虛數誕生的契機是16世紀的 「數學擂台」
Column 12 卡當諾喜歡賭博,還促成 機率論發展
Q&A 1 複數平面為何又稱「高斯平面」?
Q&A 2 虛數能比較大小嗎?

三、虛數與複數
複數的表示方式
複數的加法
複數的乘法 ①∼②
以虛數求解奇妙的謎題 ①∼②
高斯與複數 ①∼②
數擴張的終點站
Column 13 以複數平面確認
「卡當諾問題」
Column 14 為什麼不是「負負得負」?
Column 15 複數的「極式」是什麼?
Column 16 在幾何學上運用複數平面
Column 17 複數平面的反轉與無窮遠點
Q&A 3 -1的四次方根、八次方根、十六次方根該如何計算?
Column 18 證明「代數基本定理」
Column 19 碎形與複數
Column 20 以複數的牛頓法求解碎形
Topics 黃金比例、正五邊形與複數

四、人類的至寶歐拉公式
三角函數
泰勒展開 ①∼②
何謂虛數次方?
歐拉的兩個公式
π、i與e
鑑賞歐拉公式
為什麼歐拉公式重要?
Column 21 何謂三角函數?
Column 22 何謂自然對數的底數「e」?
Column 23 何謂圓周率「π」?
Column 24 為近代數學奠基的天才
數學家歐拉

五、虛數與物理學
光、天體與虛數
四維時空與虛數 ①∼②
未知粒子與虛數
量子力學與虛數 ①∼③
Q&A 4 為什麼不存在的虛數跟自然界有關?
Topics 量子力學與複數
Topics 小林-益川理論與虛數

图书序言

  • ISBN:9789864612390
  • 叢書系列:人人伽利略科學叢書
  • 規格:平裝 / 176頁 / 21 x 27.5 x 0.8 cm / 普通級 / 全彩印刷 / 初版
  • 出版地:台灣

图书试读

用户评价

评分

哇,最近手邊這本新書真的有夠讓人驚艷的啦!封面設計就很有吸引力,那種深邃的藍配上跳躍的黃色線條,一看就知道不是那種死板板的教科書。我本身對數學是抱著一種又愛又怕受傷害的複雜情感,尤其是看到那些抽象的符號就頭皮發麻。不過,這本書的作者真的很有心,他不是直接丟一堆公式來考驗我們,而是用非常生活化的例子來切入,像是從生活中遇到的各種對稱、旋轉問題去引導,讓人感覺好像在玩一個解謎遊戲,而不是在上課。特別是他們解釋「i」這個神奇的數字時,不是只告訴你它是 $sqrt{-1}$ 就結束了,而是用了一種像是講故事的方式,把虛數從一個純粹的數學概念,變成一個非常「實用」又「有趣」的存在。讀完第一章,我對那些原本只存在於教科書課本角落的虛數,突然有了一種「原來如此!」的豁然開朗感,感覺自己的視野好像被打開了一扇新的窗戶,不再覺得數學是冰冷的數字堆砌。這本書的排版也很舒服,字體大小適中,圖表的設計也很精美,就算唸到比較需要動腦筋的部分,也不會讓人覺得眼睛很累。真心推薦給所有對數學有點抗拒,但又想知道世界運作更深層原理的朋友們!

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這本書帶給我的感受,可以用「顛覆」來形容。我以前總以為,要理解虛數,就必須先具備紮實的微積分和線性代數基礎,但這本書證明了,只要邏輯清晰,我們完全可以從最基本的算術概念出發,逐步構建起複數世界的完整圖像。它在解釋虛數的乘法性質時,那個圖形化的描述,比任何代數推導都來得直觀有力。特別是作者花了篇幅探討虛數在不同文化和歷史時期受到的質疑,這讓我覺得數學不再是高高在上的真理,而是一個充滿了人類爭議、探索與最終接納的動態過程。這種人性化的敘事角度,大大拉近了讀者與學科的距離。而且,這本書的裝訂品質也非常好,拿在手上很有份量感,內頁用紙的質感也很棒,讓閱讀體驗提升了好幾個層次。總之,這是一本知識性與娛樂性兼具,而且真正能讓人「想再讀一遍」的優秀作品,它讓我對「數學之美」有了更深層次的體悟。

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說真的,我原本對這類標榜「人人都能懂」的科普書抱持著懷疑的態度,畢竟很多時候作者只是把複雜的東西包裝得很漂亮,但核心內容還是很硬核。但這本《更加了解虛數:平方為負的神奇數》徹底顛覆了我的印象。它最厲害的地方,在於它沒有迴避虛數的「怪異性」,反而大方承認它一開始確實很反直覺,然後就開始建立一套非常嚴謹又漸進的論證體系。作者在闡述虛數的幾何意義時,那個筆法簡直是神來一筆,讓我立刻聯想到複數平面上的旋轉操作,這讓原本只會乖乖遵守代數規則的我,忽然意識到數線的概念可以被擴展到二維空間,這對我理解物理學上的相位和電路學上的阻抗,簡直是撥雲見霧。我尤其欣賞作者對於歷史脈絡的梳理,從皮卡塔開始的困惑,到歐拉的突破,那種人類智慧逐步推進的過程描寫得非常細膩,讓人不只學到知識,更能感受到數學家們面對未知時的勇氣和堅持。這本書的深度絕對是足夠的,但它的語氣卻是如此的親切,就像一位耐心極好的教授在課後跟你一對一討論,讓人讀起來毫無壓力,卻能收穫滿滿。

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我必須說,這本書的文字風格非常獨特,它融合了學術的嚴謹性與大眾科普的幽默感。我喜歡它在討論一些較為艱澀的概念時,會穿插一些小小的「數學冷知識」或者典故,讓整個閱讀過程不會顯得枯燥。舉例來說,當談到虛數的「想像性」時,作者並沒有流於表面地批判,反而更深入地探討了人類認知邊界擴展的過程,那種哲學思辨的深度,讓我讀起來非常有收穫。這本書的結構處理得非常好,它很清楚地知道目標讀者是希望「了解」而非「精通」複變函數,所以它會精準地在達到該目標後,就優雅地轉向另一個相關但更基礎的概念,避免了不必要的數學細節糾纏。對於我這種非數學科班出身的讀者而言,這本書的「留白」藝術處理得恰到好處,它讓你覺得自己「好像懂了」,但事實上,你真的懂了,因為它已經幫你把那些最難跨越的門檻給拆掉了。如果身邊有朋友問我該不該買這本關於數學的書,我會毫不猶豫地推薦,它絕對是數學科普書中的一股清流。

评分

這本書的編排邏輯,簡直是教科書設計的典範啊!它不是線性的介紹,而是採用了一種螺旋上升的方式。一開始拋出一個看似簡單的問題,讓你帶著好奇心往下讀,然後在後面的章節,會不斷地利用之前學過的知識點來深化理解。最讓我佩服的是,它對於虛數的應用介紹非常廣泛,從基礎的量子力學概念(當然是用非常簡化的方式),到電子工程裡的交流電分析,甚至是信號處理,都有所著墨。這讓我體會到,虛數這個「莫名其妙」的數字,其實是現代科技不可或缺的基石。我以前總覺得那些高深的理論離我很遙遠,但透過這些實例,我彷彿能摸到那些知識的邊緣了。書中附帶的一些小練習題,雖然份量不多,但設計得極巧,往往只需要用到前面剛學到的概念就能迎刃而解,這種及時的回饋機制,大大增強了學習的動機。而且,作者對「為什麼」的解釋非常到位,不會讓人停留在「記住就好」的層面,而是真正理解了背後的數學原理,這點對於想真正掌握知識的人來說,太重要了。

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