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等号是天平,不是箭头

方框里应该填什么数? $$8+4=\square+5$$1990 年代末,美国研究者卡伦·福克纳、琳达·利瓦伊和托马斯·卡彭特把这个问题拿去问一到六年级的学生。在每个年级,答 $7$ 的都不到十分之一。最常见的答案是 $12$ 和 $17$。 答 $12$ 的学生算了 $8+4$,像往常一样把结果写在 $=$ 后面。答 $17$ 的学生把看到的数全加了起来。两组人都没有算错。他们都读错了等号。 箭头还是天平? 对很多学生来说,$=$ 的意思是“结果是”。这是计算器教给我们的读法:按下 $8$、$+$、$4$,再按 $=$ 键,它就做出计算,显示答案。按这种读法,等号是一支箭头:左边是问题,右边是答案,计算只朝一个方向走。 可这并不是雷科德在 1557 年画下的意思。两条一样长的平行线说的是:两样东西价值相同。等号是一架天平:两个托盘是平衡的,哪一边在左边都无所谓。 两边都等于 12。方框里填 7,因为 7 + 5 = 12。等式可以从两个方向读。为本书绘制的教学示意图。 按天平的读法,答案一目了然:左盘重 $12$,右盘也必须重 $12$,还差 $7$。在方框里填 $12$,就会得到 $8+4=12+5$,也就是 $12=17$,一架失去平衡的天平。 天平的读法还说明了为什么 $7=3+4$ 和 $3+4=7$ 一样正确,为什么 $3+4=5+2$ 是一个完全正确的句子,尽管它根本没有“结果”。用数学语言来说,相等是一种对称关系:如果 $A=B$,那么 $B=A$。 等号连写 箭头式的读法,会在书写计算过程时造成一个很常见的错误:$5\cdot3=15+2=17$。本意是好的(先算 $5\cdot3$,再加 $2$),可写出来的意思是 $5\cdot3$ 等于 $15+2$,这是错的,因为 $15\ne17$。把等号读成“然后”的人看不出问题;把它读成天平的人则会看到三个不平衡的托盘。 逐个符号读一个方程 正是天平的读法让代数成为可能。回到第 1 章的那个方程,“一个量加上它的一半,得五”:

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公式的语法:括号、顺序与空白

2019 年,一道只有四个数的算式在社交网络上流传,引发了数以百万计的争论: $$8\div2(2+2)=\;?$$一半人回答 $16$,另一半人回答 $1$。不同品牌的计算器给出不同的答案。数学老师们也意见不一。最有意思的是:双方都有道理,各自依据一种约定。 回答 $16$ 的人从左往右读:$8\div2=4$,$4\cdot(2+2)=16$。回答 $1$ 的人认为,没有符号、“粘”在一起的乘法 $2(2+2)$ 构成一个整体,要先于除法计算:$8\div(2\cdot4)=1$。这两种约定都存在,严肃的书里也都在用。问题不在计算,而在句法:这个表达式的写法没有说清楚符号如何组合。数学家绝不会这样写;他会写成 $\frac{8}{2}(2+2)$ 或 $\frac{8}{2(2+2)}$,争论也就不存在了。 同样的零件,不同的组装 公式不是一串排队的符号,而是一种组装,组装方式本身就是意义的一部分。比较: $$a+b\cdot c\qquad\text{和}\qquad(a+b)\cdot c.$$零件是一样的:三个字母、一个 $+$、一个 $\cdot$。但按照通常的约定,第一个式子先做乘法;第二个式子里,括号迫使我们先做加法。取 $a=2$、$b=3$、$c=4$: 取 a = 2、b = 3、c = 4,两种组合分别得 14 和 20。为本书绘制的教学示意图。 括号是一种奇特的符号。它既不代表任何量,也不代表任何运算或对象。它只说明其他符号如何结合在一起。在莫里斯的分类中,它是纯粹句法性的。可它却改变了结果。 先乘后加的规则并不是自然法则,而是一种约定,它在十七到十九世纪之间确立下来,那时笛卡儿的代数开始在多项式中省去括号:写 $3x^2+2x+1$ 时,谁也不想写成 $(3\cdot(x^2))+(2\cdot x)+1$。这种约定的存在,是为了让最常见的表达式变短。 隐藏的树 每个表达式都有一个树状结构,读一个公式,归根结底就是重建这棵树。看看 $2(x+3)^2$: 如何组装 2(x + 3)²(点击继续) 从最“里面”的部分开始:$x+3$。 把结果平方:$(x+3)^2$。高高在上的小小指数,作用于整个括号。 乘以 $2$:$2\,(x+3)^2$。粘在左边的 $2$ 最后才起作用。 再和 $2x+3^2$ 比较一下,它的零件几乎一样。这里 $3^2$ 单独计算,$2x$ 是另一根枝杈,最后由加法把两者连起来。当 $x=1$ 时,第一个表达式得 $2\cdot16=32$,第二个得 $2+9=11$。

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从文字到字母:代数学会了书写

大约公元 820 年,在巴格达,穆罕默德·伊本·穆萨·花拉子米在“智慧宫”工作,那是哈里发马蒙的大图书馆。他在那里写了一本书名很长的书:《还原与对消计算概要》。“还原”在阿拉伯语里是 al-jabr,“代数”(algebra)一词就从这里来。 花拉子米关于 al-jabr 与 al-muqābala 一书的手抄本扉页。花拉子米 · Wikimedia Commons · 公有领域 整本书里没有一个符号。没有 $x$,没有 $+$,也没有 $=$。连数都是用文字写出来的。其中最有名的一个问题是这样的: 一个平方加上它的十个根,等于三十九迪拉姆。取根数的一半,是五;让它自乘,得二十五;加到三十九上,得六十四。取它的根,是八,减去根数的一半,也就是五。剩下三:这就是所求平方的根。 — 花拉子米,约 820 年(意译) 今天我们会把这个问题写成 $x^2+10x=39$,答案写成 $x=3$。花拉子米的做法正是我们所说的配方法,而他用一个图形来论证:一个边长为 $x$ 的正方形,靠上两个 $5\times x$ 的长方形,再补上一个 $5\times5$ 的小正方形,就拼成一个边长为 $x+5$、面积为 $39+25=64$ 的大正方形。 花拉子米的图形:边长为 $x$ 的正方形与两个 $5\times x$ 的长方形之和是 $39$;面积为 $25$ 的小正方形把它补成面积 $64$、边长 $8$ 的正方形。根据本站早期文章为本书绘制的教学示意图。 这种写法叫作文字代数:一切都用句子表达。它行得通,但有代价。每个问题都被讲成一个带具体数字的小故事,读者得自己发现同样的做法也适用于别的数。一般的规则藏在例子里面。