数学运算符简史 

    数学的基本运算可分为三个等级。第一级为加、减运算，虽然加减法的概念在公元前20世纪的古埃及数学家艾哈迈斯(Ahmes)的纸草书中就有体现，但今天的加号“+”和减号“-”，最早有史料记载的，是在15世纪末的德国人的手稿中，现保存于德国德累斯顿(Dresden)图书馆。

    后来，人们发现在遇到“连加”或“连减”时，加减法的效率很低，于是就发明了第二级运算——乘法和除法以及与此对应的乘号和除号。在西方，“×”被称为“圣安德鲁斜十字(St. Andrew’s Cross)”。安德鲁是耶稣的12门徒之一，由于其被钉死在斜十字架上，因此，斜十字架也成为圣安德鲁斜十字。现代意义上的“×”号最先出自于1631年英国数学家奥特雷德(William Oughtred)的《数学之钥》中。

    1698年，莱布尼兹(Gottfried Wilhelm Leibniz)在其给瑞士数学家雅各比·伯努利(Jacob Bernoulli)的信件中首次使用“·”表示乘法，以此来避免乘号“×”和字母“X”的混淆。不过，后来在向量代数中，用“·”表示“数量积”或“内积”，而“×”则表示“向量积”或“外积”，这就算是另一种区分方法了。

Gottfried Wilhelm Leibniz

(1646-1716)

(图片来源: Wikipedia)

    今天我们所用的除号“÷”也称为“雷恩记号”。它是瑞士数学家雷恩(Rahn)在其1659年出版的一本代数书中首先使用，在1688年，这本书被译成英文，这个符号也随之通用起来。

    但人们还不满足，因为人们遇到了“连乘”和“连除”，即“乘方”。而且，乘方有两种逆运算，分别是“开方”和“对数”。这是第三级运算与加减乘除的不同之处。

    法国数学家笛卡尔(Descartes)在1637年定义了现代乘方符号，即在字母或数字的右上角用小的阿拉伯数字表示指数。1732年卢贝(Loubere)首次使用根号来表示开方，并逐渐流行起来。

“开方”的诞生似乎顺理成章，但是乘方的另一种逆运算——“对数”，就有些“难产”了。

    斯蒂菲尔(Michael Stifel)是德国德国哥尼斯堡大学的数学讲师，1544年，他写了一本书叫《整数的算术》，在这本书中他应用“一一对应”的方法几乎造就了一座数学丰碑。

Michael Stifel

(1487-1567)

(图片来源: Wikipedia)

    斯蒂菲尔在书中写道：“关于整数的这些奇妙性质，可以写成整本整本的书！”下面就是他书中列出的两列数字：

    可以看出，上一列其实就是通项公式为2ⁿ的等比数列（n为整数），他称其为“原数”；下一列则是一个由整数构成的等差数列，他称其为“代表数”，德语是Exponent，也可译为“代言人”。

    他发现，两个“原数”相乘等于“代表数”相加后得到的“代表数”所对应的“原数”；“原数”相除等于“代表数”相减后得到的“代表数”所对应的“原数”。即，利用这两列数可以把较为复杂的乘除法变成较为简单的加减法。

    其实，现在在我们看来，这个结论没有什么神奇之处，因为所谓的“代表数”其实就是“原数”以2为底的对数。但是在当时，这种计算方法思想却是开创性的。

    约翰·纳皮尔(John Napier)是苏格兰数学家、物理学家兼天文学家。1614年，其在爱丁堡出版了《奇妙的对数定律说明书》中提出了对数的概念。

John Napier

(1550-1617)

(图片来源: Wikipedia)

'看起来在数学实践中，最麻烦的莫过于大数字的乘法、除法、开平方和开立方，计算起来特别费事又伤脑筋，于是我开始构思有什么巧妙好用的方法可以解决这些问题。'

--约翰·纳皮尔，《奇妙的对数定律说明书》

    作为数学家、物理学家兼天文学家，他在计算各种行星轨道数据时，也被浩瀚的计算量所折磨，因此很痛恨这些乏味的重复性工作。为了解决这一问题，他用了20年的时间，进行了数百万次的计算，发明了对数和对数表，听起来很矛盾，一个不想做重复工作的人结果做了20年重复性工作。

    但是，他的努力确实为后人减少了大量的重复性工作，大大减少了数学家、天文学家的计算量，由此可见，这在天文学界算得上是一项伟大的发明了，看看名人们对其的评价就能看出其重要性。

“对数的发明、解析几何的创始和微积分的建立是17世纪数学的三大成就。”

——恩格斯

“对数的发现，因其节省劳力而延长了天文学家的寿命。”

——拉普拉斯

“给我空间、时间及对数，我就可以创造一个宇宙。”

——伽利略

    对数使得手算变得简单而且快多了，也因此为后来许多科学进步开启了大门。那么如何理解对数？一个直观的解释是：对数指的是到达某一数量所需要的时间。这里先介绍自然对数。即以自然常数e为底的对数，也即自然对数。

    例如，有一个土豪投资的项目正好满足年利率为100%的连续复利。但是这个土豪小学文化，数学水平也就加减乘除，假设你是这个项目的负责人，想劝说土豪再多投资，如果跟他说什么连续复利、什么100%、什么指数增长，土豪听不懂啊，你再这么说下去感觉在欺负人啊！

    土豪就发话了：“别整那些没用的，你就告诉我，我的钱啥时候能涨到10倍，100倍，1000倍？”你有些发懵了，一般人不怎么问啊，不都是问一年后是多少，两年后是多少之类的吗？所以这里的问题就是知道时间求数量的逆向问题——知道数量求时间。

    土豪就是土豪，有的是钱，他只想从翻倍时间的长短来判断哪项投资赚得快。因此，这里就要用到对数，在这样一个年利率为100%的连续复利增长模型下，如果你想得涨到你本金10倍，你需要等待的时间其实就是ln(10)≈2.302年，到100倍所需时间就是ln(100)≈4.605年，到1000倍所需时间就是ln(1000)≈6.907年。