fbpx

A matematikai jelölésrendszer és a hatványfogalom fejlődése, a logaritmus kialakulása

erettsegi.hu - emelt matek

Kilencedik osztályban ismerkedünk meg a pozitív egész, a 0 és a negatív egész kitevőjű hatvány fogalmával. Tizenegyedik osztályban a hatványozást kiterjesztetjük racionális kitevőre és érzékeltetjük, hogyan lehet irracionális kitevő esetén értelmezni. A hatványfogalomnak ez az általánosítása a matematika története során nagyon hosszú, közel kétezer éves folyamat volt.

A pozitív egész kitevőjű hatvány fogalma már az ókori görögöknél megjelent, többek között a III. században Alexandriában élt matematikus, Diophantosz munkáiban. Az ő jelölésrendszere a szavak rövidítésén alapult, ami átmenet volt az algebrai összefüggések szóbeli kifejezése („retorikus” algebra) és e kifejezések rövidítése („szinkopikus” algebra) között.

Diophantosz ezzel a szimbolikával az Aritmetika című művének 2-6. könyvében sok –többségükben másodfokú egyenletre vezető- problémát oldott meg. Tehát ő tekinthető a szinkopikus algebra előfutárának.

A szimbolikus algebra legnagyobb előretörése a XVI-XVII. századra tehető. E folyamatban első lépésként itt is -a Diophantosz által már használt- szinkopikus algebra jelent meg, és ezután kerültek bevezetésre második lépésként a szimbólumok. Már Cardanónál is igen jelentős ez az átmenet. Például a „cubus p 6 rebus aequalis 20” azaz az x^3+6x=20 egyenlet megoldását az alábbi alakban adta meg

Rxucu 108 p 10 | m Rx ucu Rx 108 m 10”

ami annyit jelent, hogy

(108^1/2 +10)^1/3 – (108^1/2 -10)^1/3 .

 Itt  (radix) természetesen a négyzetgyököt, míg az = radix universalis cubica a köbgyököt jelenti. Ebben az időszakban egyre növekedett az igény arra, hogy minél egyszerűbb és tökéletesebb szimbolikát alkalmazzanak. A következetesen végigvitt egységes szimbólumrendszert minden jel szerint Viète dolgozta ki. Minden mennyiséget betűkkel jelölt, az ismeretleneket magánhangzókkal, az ismerteket mássalhangzókkal. A második és a harmadik hatvány értelmezése nála még szorosan kötődött a terület és a térfogat fogalmához. A magasabb hatványokat az előzőekre vezette vissza, például a negyedik hatványt terület-területnek, az ötödiket terület-térfogatnak, a hatodikat térfogat-térfogatnak nevezte. Tehát Viète szimbolikáját a geometriai szemlélet terheli, nem mindig érthető, váltakozva szerepelnek benne rövidített és nem rövidített szavak. Például „A cubus+B planum in  aequatur D solido”, ami x^3+3Bx=D, hisz manapság x-szel szokás jelölni az ismeretlent.

Descartes volt az, aki bevezette az a^2, a^3, … jelölés használatát és a második, illetve harmadik hatványt függetlenítette a területtől és a térfogattól.

Az előzőekben felvázoltuk azt az utat, ami a pozitív egész kitevőjű hatványok esetén elvezetett a mai szimbólumrendszer kialakulásához. De most ugorjunk vissza 300 évet az időben. A párizsi egyetem professzora Nicolaus Oresmicus (1328-1382) volt az, aki a hatványfogalmat általánosította az által, hogy bevezette a törtkitevőjű hatványt, megadta a velük végzett műveletek szabályait és kidolgozott rájuk egy szimbolikát. Ezzel már ténylegesen megelőzi a logaritmus gondolatát. Az ő jelölésrendszerében például (1*p)/(2*27)=27^1/2  .

A XV. század végén a párizsi egyetemen dolgozó Nicoalus Chuquet (olv. Süké) vezette be a 0 és a negatív egész kitevőjű hatványokat. Ezeknek a fogalmaknak a pontos értelmezése és használata azonban csak a XVII. században terjedt el többek között John Wallisnek (1616-1703) köszönhetően.

Az irracionális kitevőjű hatvány precíz és pontos fogalmához szükség volt a mai igényeknek megfelelő számfogalom kialakulásához. Erre R. Dedekind (1831-1916) és G. Cantor (1845-1918) munkásságának köszönhetően a XIX. század végén, a XX. század elején került sor.

A logaritmust a XVII. században fedezték fel. Elméleti alapjai azonban jóval korábbra nyúlnak vissza. Az egész alapjául szolgáló gondolat, nevezetesen a számtani és mértani sorozat összehasonlításának gondolata, már az ókorban is megjelent Archimédész, ill. Diphantosz munkáiban. Később találkozunk ezzel a XIV. században Orasmicusnál, ill. a XVI. században Stifelnél a hatványfogalom általánosítása kapcsán. Ahhoz, hogy ezen a gondolat alapján a műveleteket egyszerűbb műveletekre vezessék vissza, arra volt szükség, hogy olyan táblázatok készüljenek, melyek az egymás utáni hatványokat az egymás utáni kitevőkhöz rendelik hozzá. Ilyen táblázatok a XVII. század elején már léteztek, ezeket S. Stevin (1548-1620) állította össze. Az ő táblázatai nyomán készítette el az első logaritmustáblázatot J. Bürgi (1552-1632) svájci órásmester. Bürgi a prágai csillagászati obszervatóriumban dolgozott Johannes Kepler munkatársaként. A csillagászati számítások megkönnyítése érdekében alkotta meg 8 év alatt (1603-1611) logaritmustáblázatát. Sokáig nem publikálta eredményeit, csak 1620-ban adta ki könyvét Kepler sürgetésére. Késlekedése az elsőségébe került, mivel 1614-ben John Napier (1530-1617) skót báró, aki csak műkedvelőként foglalkozott tudományokkal, megjelentette A csodálatos logaritmus táblázat leírása című művét. Táblázata elkészítésének elve, amely 1594-ben merült fel benne, ebben a korban új volt. Az érdekessége, hogy egy egyenletes és egy egyenletesen lassuló mozgást hasonlított össze, melyek kezdősebessége azonos. Az általa létrehozott logaritmus táblázat alapszáma 1/e volt, ez kissé nehézkessé tette használatát. Ezek a nehézségek vezették Napiert a tízes alapú logaritmus gondolatához, mely ebben az időben felmerült egy londoni professzor Henri Briggs (1561-1630) elméjében is. Briggs két ízben is meglátogatta Napiert Skóciában, melynek nyomán összebarátkoztak és közösen dolgozták ki az új, gyakorlatilag kényelmesebb tízes alapú logaritmusrendszert. Ennek alapja a

0,01 0,1 1 10 100
-2 -1 0 1 2

 sorozatok összehasonlítása volt. Briggs már 1617-ben publikálta 1-től 108 -ig terjedő számok 8 jegyű logaritmustáblázatát, majd 1624-ben megjelentette Logaritmikus aritmetika című részletesebb munkáját. Innentől kezdve a logaritmus a számítási technikák fontos részévé vált és az egész világon elterjedt. A XIX. században megjelentek olyan eszközök, melyek segítséget nyújtottak a gyors számításokhoz. Ilyen volt az 1827-ben elkészült logarléc is. Manapság a számítógépek világában, ezek már jelentőségüket vesztették.

(Forrás: K. A. Ribnyikov: A matematika története)