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阅读梳理|《如何培养学生的数感》(3)为什么是十进制?

阅读梳理|《如何培养学生的数感》(3)为什么是十进制?

作者: 温州王晓锋 | 来源:发表于2018-06-22 15:29 被阅读7次

上一章的梳理中,我们已经提到,当人类在牙牙学语时就出现了符号。而当人类在岩壁上、动物骨骸中刻痕时,就有了对符号的记录。在数学上,最重要而又最基础的符号无疑就是阿拉伯数字,在人类历史上,从最初计数符号的产生到现今阿拉伯数字的“一统天下”经过了数千年。今天,我们来讲讲为什么是十进制“一统天下”。

一、什么是十进制?

十进制全称应该是“十进位值制”,其中的关键有两点:其一就是“满十进一”,“满十进一”就是在某位上满10之后,要向高一位进1;其二是“位值制”,“位值制”则是数字在不同的数位上代表的数值是不一样的。十进制需要的数字符号就是从0到9这10个数字,通过这10个数字(可重复可遗漏)分布在不同的数位中,表示出所有的自然数。比如1234就表示1个千、2个百、3个十及4个一组成的自然数。

以上是计数的规则,我们再来考察自然数之间计算的规则。加法的基础是什么?加法的基础是加法表(加法表中的加法源于直观),在十进制下,加法表是这样的:

“九九”加法表

这是一个完整的十进制下的加法表(包含0,不考虑加法交换律)。从中我们可以看到,十进制下的加法表一共有100(10×10)条加法组成,也就是说,我们只要记住了这100条加法,加上熟练运用“满十进一”的原则,就可以计算所有的自然数加、减法了。

其实,有加法表和“满十进一”的原则,我们也可以计算所有的自然数乘、除法了,只要不嫌麻烦地慢慢去加。人类在探索乘法的过程中,也形成了一个表格,就是我们非常熟悉的九九乘法表(乘法表中的乘法源于加法)。在十进制下,完整的九九乘法表是这样的:

“九九”乘法表

有了乘法表和“满十进一”的原则,我们就可以就可以计算所有的自然数乘、除法了,而且比利用加法表来计算,大为便利。这也是我们要求二年级孩子背诵九九乘法表的价值所在,但哪怕去除了含0的乘法(19条),去除了加法交换律下重复的36条,仍然有45条,背诵的难度仍然不小。庆幸的是,因为语言发音的原因,普通话背景下的九九乘法表朗朗上口,背诵难度大大降低(欧美的学生已经哭晕在厕所里),这也是我们的孩子计算能力遥遥领先的一个重要原因。

二、其他进制又是怎样的?

痛恨九九乘法表的小朋友可能会很喜欢二进制,二进制的加法表和乘法表是这样的:

二进制下的加法表和乘法表

加法表去掉含0的之后,只有一条:1+1=10。乘法表去掉含0的后,只有一条1×1=1(ps:遇到学二进制的孩子,老师还会让他背乘法表吗?)。可以说,二进制为加减乘除四则运算提供了极大的便利,但二进制除了作为电脑的基石而被应用外,在其他地方很少被采用,这是为什么呢?

其实,二进制也是在位值制基础下的,也就是说它的计数原理仍然是两个字符(0和1)分别在不同的数位上来表征不同的数的。在十进制下的99,二进制下应该表示为1100011,位数将从原来的两位数扩大到七位数,而瑞安市常住人口141.92万人在二进制下应该表示为101011010011111000000,足足21位数。如此,估计一篇十进制下几千字的论文,在二进制下会冗长到上万字了,写论文的数学家倒是赚钱了,但估计数学杂志都得改成大部头书籍。

当然,要说数位的短小精悍,十进制自然不是最短小精悍的。n进制的n越大,数位就将只减不增。比如说刚刚的141.92万在十六进制下应该表示为15a7c0(用a、b、c、d、e、f代替十进制中的11、12、13、14、15),而在六十二进制(数字+小写字母+大写字母)下,更只有四位数(5Xck)。

但是,话又说回来,数位虽然少了,计算却变得麻烦无比。我们来看一下十六进制下的乘法表:

十六进制乘法表

这样一来,一个乘法表需要记住的乘法(去掉含0的,去掉乘法交换律之下相同的)有足足120条,任你口诀编得再朗朗上口,也够搓掉学生的一层皮了。

三、为什么是十进制?

这样一对比,我们发现,选择几进制实际上是一个权衡的结果。合理的进制既不能让数位太冗长(像二进制),也不能让后面的加法表和乘法表过于“庞大”(十六进制下的加法表和乘法表就足够吓人了)。所以,你看,n进制中的这个n既不能太大,也不能太小。

十进制无疑就是这样的一个合理的进制,数位长度在合理的范围以内,加法表和乘法表也不至于太庞大(容易记忆)。但是,难道在这个权衡之下,十进制才是唯一合理的进制吗?自然不是,我相信八进制和十二进制同样合理,那么为什么最后“一统天下”的是十进制?

关于这个问题,诸多的数学史上也尝试做出过回答,但是没有一个确凿的证据,只是推测可能跟我们人类有10个手指有关。

其实,在我看来,十进制可能完全出于一次偶然。但如果不是十进制,自然会有其他进制最终“一统天下”。与其问:为什么是“十进制”?不如问:为什么不能是“十进制”?

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