专栏名称: 量子学派
专注于自然科学领域(数理哲)的教育付费平台
目录
相关文章推荐
量子学派  ·  薛定谔的猫,竟然活了23.3333······分钟 ·  3 月前  
科普中国  ·  正式投产! ·  2 天前  
51好读  ›  专栏  ›  量子学派

一个银币:隐藏着东西方数学故事

量子学派  · 公众号  · 科学  · 2024-10-31 23:20

正文


在微积分展区的神秘角落,

一枚古银币静静地躺着,

它看似平凡,却大有来头。


每一道纹理、每一个符号

都在诉说着数学发展历程中的传奇故事,

从微观到宏观、从离散到连续、

从有限到无穷的伟大思想征程,

下面是这个二进制银币的故事


····


1与0,一切数字的神奇渊源。

这是造物美妙的典范,

因为,一切无非都来自上帝。



从一枚古银币谈起


1697年元旦,莱布尼茨写了一封信给鲁道夫·奥古斯都公爵。


写信的同时,他赠送了一颗自己制造的银币给公爵, 这颗银币的出现,真正预示着二进制的诞生。


银币的正面当然是公爵帅气威风的肖像,这是为了获得“科研经费”必须做出的妥协。


反面是一则创世故事:水面上笼罩着黑暗,顶部光芒四射……中间部分雕刻的是从1到17的二进制数学式。


考虑到公爵的智商,文笔晦涩的莱布尼 讲述了他构思的一枚题为“造化之象”的纪念币:全能的上帝从无创造有。 现在我们可以说,数字的起源是世上能最好展示和说明这种力量的事物,它以“一”和“零”或者说“无”的形式呈现,既朴素又简练。


银币上面刻着十进制与二进制的对比状态:


十进制   二进制

0       0

1       1

2       10

3       11

4       100

……(以此类推)

13      1101

14      1110

15      1111

16      10000

17      10001


从这一天起,现代数学意义上的“二进制”诞生了。





1

十进制PK二进制

牛顿与莱布尼茨的对话


牛顿实在是看不下去了,你丫为了骗“科研经费”,又开始忽悠领导了。


作为莱布尼茨的老对手,牛顿这次放出话来要正面KO死莱布尼茨。


老祖宗传承下来的十进制不是用得好好的吗?搞个二进制出来完全是制造社会混乱,混淆人类视听, 可惜英国的警察不能跨省去德国,否则早就把这厮抓回剑桥整成神经病。


我都用它推导出万有引力来了,还有什么事情十进制搞不定?


莱布尼茨心里也正窝着火呢,PK就PK,关于微积分的事情,你丫多次“洗我的稿”还没时间找你呢,正好一起算总账。


PK正式开始:

牛顿:你丫凭什么说二进制比十进制更简洁?

莱布尼茨:上帝只用二根手指就可以搞定一切。

牛顿:你确定两根手指可以演算世间万物?


莱布尼茨:你看看我这张东方的康熙皇帝赐予的“先天八卦图”就明白了。


牛顿吓了一大跳,我靠,这丫背景很硬,连东方的皇帝都搞上关系了,我得小心。


牛顿认真研究了下《莱布尼茨——二进制与伏羲八卦图考》, 作为具有大智慧的人物,牛顿恍惚有些明白,他心中怦怦直跳,莱布尼茨这丫看来又要搞大事啊。


牛顿当然不会认输:可二进制与十进制比,在计数上没什么太大意义。


莱布尼茨:计数上意义不大,但它具有逻辑性,“零”表示“无”,“壹”表示“有”,我的二进制不是代数运算,而是数理逻辑运算。


…………(这个有点难,牛顿花了点时间才算整明白)


牛顿:可这二进制实在太麻烦,完全没有办法制造机器运算。


莱布尼茨:我这个又不是给你用, 我这个是给计算机准备的。


牛顿傻眼了:计算机是什么玩意儿?


莱布尼茨:说了你也不懂, 那是200多年后的宝贝。


牛顿气得口吐白沫:就不能好好说个话吗?


莱布尼茨:没办法, 你代表的是古典十进制,我代表的是未来的二进制。





2

为什么计算机只爱“二进制”


人类天生有十个手指,自然也就有了十进制。


在亚马逊边上打渔回来分食人鱼,所有人伸出十个手指,基本够用。


那数字到底怎么表述呢,人类毕竟是视觉动物。


东方的圣贤说:零一二三四五六七八九十……

西方的大哲说:one,two,three,four,five,six,seven,eight,nine,ten.....


两者争得不可开交时,从沙漠赶来的阿拉伯人翻译道: 还是用我们的0123456789吧。


经过上千年的折腾,人类基本达成了一致,看在真主的份上,那就用阿拉伯数字。


但到了计算机时代,计算机怎么识别0123456789呢。


伟大的冯诺依曼为这事一脸愁容,折腾了一年,才发现问题出在十进制。


这时候一个聪明人想到了:电这东西其实可以表示很多状态,比如用电流来表示数字,0~0.9A表示0,1A表示1,2A表示2,3A表示3。想到这里,聪明人开始自我表扬了,这世界上还有难题可以击倒我吗?!


冯诺依曼翻了个白眼,这个还需要你提醒吗, 这毕竟是1945年,二次大战还没有完全结束呢,这个时候的电子元件根本无法让电流变得非常稳定。


聪明人表示了不满:这都控制不了,搞什么科学研究。


冯诺依曼心中有一万匹草泥马跑过:you can you up, no can no bb!


其实这还不是冯诺依曼最担心的,最让人焦虑的是图灵提出来的“计算思想”的问题, 就算用电流计算的方式表示出10个状态,也没有办法让电脑真正思考啊。毕竟电子计算机除了计数之外,还有判断对错的问题。


这个晚上,冯诺依曼做出一个重要的决定,根据电子元件双稳工作的特点,在电子计算机中采用二进制。





3

二进制的计算原理


我的智商有限,让诸葛亮先生来告诉你二进制的计算原理。


诸葛亮为了北定中原兴复汉室,亲自驻守西城,此时的司马懿兵强马壮,诸葛亮派爱将马谡驻守街亭,与西城首尾相望。


街亭山高谷深,地势险要,为兵家必争之地,进可攻关中,退可守陇右。


诸葛亮叮嘱马谡: 魏军若来100人,你就点亮1盏“孔明灯”通知我,我想清楚知道魏国来了多少敌军,我派王平和赵云做好准备,这次必将活捉司马懿。


马谡脑瓜儿挺机灵:丞相我懂了,若是敌人来了100个,我就放飞1盏孔明灯。若是敌人来了1000个,我就放飞10盏孔明灯。若是敌人来了10000个,我就放飞100盏个孔明灯。若是敌人来了100000个,我就放飞1000盏孔明灯。


诸葛亮差点跳起来:你以为孔明灯那么好做,放飞250盏孔明灯,你知道要多少军费吗? 今天下三分,益州疲弊,你还这么浪费。


马谡脑眼珠一转:丞相我懂了,敌人来了一个,我就点亮一次,这样的话,我就只需要1盏孔明灯了。


诸葛亮长叹了口气:幼常啊,你想一想,我现在快五十岁的人了,又近视得厉害,你认为我能够看得清楚你点了多少次吗?而且你这点来点去的,中间万一数错了呢?


马谡这下傻眼了:丞相,求答案。


诸葛亮摇了摇羽毛扇: 你得学学二进制,多安几盏孔明灯,你把它们装在街亭最高处,但注意,必须以同样的距离排列。


马谡完全糊涂了:丞相,什么是二进制?


诸葛亮摇了摇羽毛扇:二进制,乃天人之学也。


两人耳语甚久,马谡似懂非懂,最终拜服,丞相乃天人也。


诸葛亮道: 现今你明白了二进制,只须排列好10盏灯,就可以将敌情准确上报。 我在西城定好位置,按照定好的方位观察亮灯的位置,就可以运筹帷幄。


0000000000,8盏灯全灭,说明无敌军来犯。(状态0)

0000000001,第一个位置亮了灯,来了100个敌人,你负责干掉他就行了。(状态1)

0000000010,第二个位置亮了灯,来了200个敌人,小菜一碟,街亭无忧。(状态2)

0000000011,第一二位置都亮了灯,来了300个敌人,也不是什么大事。(状态3)

0000000100,第三个位置亮了灯,来了400个敌人,派出小股军队灭了他们。(状态4)

0000000101,第一三位置都亮了灯,来了500个敌人,得小小注意下了。(状态5)







请到「今天看啥」查看全文