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代数、方程和数学问题解决的实际工作原理

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要点

代数是数学的一个分支,它使用诸如x和y之类的符号来表示未知数或一般性的数字,这样解决问题的规则可以写成一次并重复使用于任何数字。方程表明两个表达式相等,解方程意味着找到使该语句成立的未知数的值。广泛使用的四步法由数学家乔治·波利亚(George Pólya)在1945年制定,它为解决这类问题的方法奠定了基础。

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代数是算术课程、工程公式和计算机代码的基础,然而许多人只是在学校科目中接触这个词,而对它的真正作用没有清晰的认识。从本质上讲,代数是一种使用符号来编写关于数字的一般规则的方法,而不是写出每一个具体情况。

代数实际上是什么

根据教育网站Mathsisfun,代数是数学的一个分支,它使用诸如x或y之类的字母作为代表未知数字或可以取多个值的数字的变量,并附带规则说明如何组合和改变由这些符号构建的表达式和方程。

Mathsisfun的基本术语表定义了构成任何代数语句的基本要素。变量是符号,通常是字母如x或y,代表尚未知道的数字。常数是独立的固定数字,不带变量,例如表达式4x − 7中的−7。系数是用于乘以变量的数字——例如4x中的4——而项是单个数字或变量,或数字和变量的乘积,表达式是由加号或减号连接的项的组合。

方程添加了另一个要素:等号。根据Mathsisfun的说法,方程表明两个表达式相等,这意味着等号左侧的值必须与右侧的值匹配,如x + 2 = 6中所示。解方程意味着找到使该语句成立的变量值。

'代数'这个词的来源

这个词本身可以追溯到9世纪的巴格达。根据数学教育网站Mathigon的说法,波斯学者Muhammad al-Khwarizmi(780–850)在智慧之家工作,并撰写了一本用英文称为《通过完成和平衡的计算概览》的书。根据Mathigon,该书展示了如何解决线性和二次方程,并在几个世纪内成为欧洲大学使用的主要数学教科书。

Mathigon指出,术语'代数'直接来自于al-Khwarizmi书籍的阿拉伯语标题,而'algorithm'这个词同样来自他的名字。因此他经常被描述为代数之父。圣安德鲁斯大学的MacTutor数学历史档案馆是由数学家John O'Connor和Edmund Robertson维护的资源,涵盖了相关的历史课题,包括求解二次、三次和四次方程,以及16世纪后期数学家Niccolò Tartaglia和Gerolamo Cardano之间关于三次方程方法的争议,但在其索引页上没有提供进一步的叙述细节。

方程的类型及其区别

不是每个方程都用相同的方式求解。线性方程涉及仅升至一次幂的变量(如x + 2 = 6),而二次方程包括升至二次幂的变量(如方程中的x²)。根据Mathigon的说法,Al-Khwarizmi的书展示了如何使用系统规则求解线性和二次方程。

基本代数词汇
术语定义(根据Mathsisfun)例子
变量代表尚未知道的数字的符号x, y
常数没有符号的固定数字4x − 7中的−7
系数乘以变量的数字4x中的4
项数字、变量或它们的乘积4x或7
表达式由+或−符号连接的项,没有等号4x − 7
方程表明两个表达式相等的语句x + 2 = 6

解决问题的四步法

除了词汇之外,数学教育还依赖于解决问题的一般策略,而不仅仅是方程。最广泛引用的框架是由匈牙利数学家George Pólya在他的书《如何解决它》中提出的。通过剑桥大学出版社访问的1946年《数学公报》上发表的书评记录,第一版有204页,价格为16先令6便士,并由Princeton University Press与Humphrey Milford一起在1945年出版。

Pólya的方法在肯塔基大学数学课程页面和数学LibreTexts资源上阐述,包括四个步骤。第一个是理解问题:仔细阅读它,用自己的话重新表述,并确定给出了什么以及被要求什么。第二个是制定计划,从诸如画图、制作列表、寻找模式、引入变量或将问题分解成较小部分之类的策略中进行选择。

第三步是执行计划,通过选择的方法进行工作,如果计划没有取得进展,则重新考虑该计划。第四步'回顾'意味着检查结果是否合理,验证答案,并考虑是否存在更简单的方法或问题是否可以推广。

  1. 理解问题——确定给出了什么以及被要求什么。
  2. 制定计划——选择一个策略,如使用变量、绘制图表或寻找模式。
  3. 执行计划——逐步应用所选方法。
  4. 回顾——检查答案的合理性,并考虑更简单或更普遍的解决方案。

肯塔基课程页面和LibreTexts资源都将此序列呈现为通用方法,而不是仅限于任何一种方程类型的公式,这就是为什么它仍然出现在今天的数学教师培训材料中。

两条历史线索都描述了确定未知值的系统程序:al-Khwarizmi的9世纪完成和平衡方程的规则,以及Pólya的20世纪四步过程,每一种都提供了一种可重复的方法,而不是将未知数量转变为已知数量的一次性技巧。

常见问题

代数最简单的定义是什么?
根据教育网站Mathsisfun,代数是数学的一个分支,它使用符号(通常是字母如x或y)来表示未知数或可以变化的数字,并为处理这些符号设定一般规则。
'代数'这个词来自哪里?
根据教育网站Mathigon,它来自波斯学者Muhammad al-Khwarizmi的9世纪书籍的阿拉伯语标题,该书为解决方程提出了系统方法。
表达式和方程之间的区别是什么?
根据Mathsisfun,表达式是由加号或减号连接的项的组合,没有等号(例如4x − 7),而方程使用等号表明两个表达式相等(例如x + 2 = 6)。
Pólya解决数学问题的四个步骤是什么?
根据肯塔基大学和数学LibreTexts的资源,George Pólya在他1945年的书《如何解决它》中描述的方法包括理解问题、制定计划、执行计划和回顾以检查结果。
谁被认为是代数之父?
根据Mathigon,Muhammad al-Khwarizmi通常被称为代数之父,因为他的书给了这个领域它的名字,并介绍了解决线性和二次方程的系统方法。

来源

  1. Mathigon — Muhammad Al-Khwarizmi (timeline entry)
  2. MacTutor History of Mathematics (University of St Andrews) — Algebra, History Topics index
  3. Mathematics LibreTexts — George Polya's Four Step Problem Solving Process
  4. University of Kentucky — Polya's four steps to solving a problem
  5. Math Is Fun — Algebra: Basic Definitions
  6. Cambridge University Press (The Mathematical Gazette, 1946) — Review of Pólya's How to Solve It, 1945 Princeton University Press edition

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