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1 0.123 は なぜ小数というのか? 微小数の世界 VS. 巨大数の世界 小数の概念はいつから存在していたか?(1) 十進法以外を含めるなら バビロニア数学での数字表記が最古の小数である ( バビロニア数学では六十進法の位取り記数法で数字を記述していた ) ただし 現在で言う小数点に相当するものは存在しなかった バビロニアメソポタミア ( チグリス川とユーフラテス川の間の平野 現在のイラクの一部 ) シュメール人による都市国家 アッカドの時代 アムル人によるバビロン第 1 王朝 首都バビロン (B.C.1900~B.C1600 頃 ) ヒッタイトやアッシリア時代 新バビロニア 首都バビロン (B.C.625~B.C.539) 数学や天文学の研究がもっとも活発だったのは バビロン第 1 王朝の時代 小数と大数 1 数学用語と記号 3 なぜ 小数って言うのか? 小数は文字通り (1 よりも ) 小さい数を表すところから生まれた概念である 1 より大きい数を大数ともいう 0 と 1 の間の数を 0.23 のように整数の記数法で表したものを純小数といい 純小数に整数部分を付けて 3.75 のように表した数を帯 ( たい ) 小数といい これらを一括して小数という [ 三省堂 大辞林 より ] 英語では decimal fraction という ( 因みに 分数は common fraction) decimal は 10 進法の の意 fraction は 破片 断片 ほんの少し 少量 の意 小数の概念はいつから存在していたか?(2) バビロニアの数学 60 進法にもとづいた位取り記数法 B.C.2000 年頃に 1 と 10 を表す記号によって 60 進記数法が用いられるようになった これにより 天文学が発展したほか 分数の簡潔な表現も可能となり 小数の概念も存在した 数学用語と記号 2 数学用語と記号 4

2 小数の概念はいつから存在していたか?(3-1) 古代中国の数学 (1) 現代の小数と同じ十進法における小数は 古代中国が最古 劉徽が著した数学書 九章算術 (263 年 ) の注釈本の中に小数の表記が見られる 現在の を 八寸六分六釐二秒五忽 五分忽之二 と書いている ( 小数第 6 位を表す単位が無いため 分数との併記になっている ) 小数の概念はいつから存在していたか?(4) インドと仏教では インドでは古くから 塵 が最小の量と考えられていた マヌ法典 (B.C.200 年 ~A.D.200 年 ) には 格子戸を通じて来れる日光のうちにみられる微細なる塵埃はすべての量のなかのもっとも小さきものにして の記述がある 仏典 仏典に出てくる時間の最小単位は 刹那 である ふんり ( りん ) もうしこつびせんしゃじんあい 分厘亳糸忽微繊沙塵埃 塵劫記 1627 年 吉田光由 せつなたんせつなろうばくしゅゆ 刹那怛刹那 (120 刹那 ) 臘縛 (60 怛刹那 ) 須臾 (30 臘縛 ) 昼夜 (30 須臾 ) 月 (30 昼夜 ) 年 (12 月 ) 数学用語と記号 5 数学用語と記号 7 小数の概念はいつから存在していたか?(3-2) 古代中国の数学 (2) 塵劫記の種本は中国の 算法統宗 (1592 年 ) 塵 埃以下の単位として じんあいびょうばくもこしゅんじゅんしゅゆしゅんそくだんしせつなりくとくこくうせいじょう 塵埃渺漠模糊逡巡須臾瞬息弾指刹那六徳虚空清浄を挙げているが ただこの名ありて実なし 公私また用いず と記しているように 思考の産物であり 実際に使われることはなかった 小数の概念はいつから存在していたか?(5) ヨーロッパの数学ヨーロッパではエジプト式分数表記が普及していたため小数の導入が遅れた ヨーロッパで初めて小数を提唱したのは オランダのシモン ステヴィンである (1585 年 十進分数論 ) 分数の分母を10の累乗に固定した場合に 計算が非常にやりやすくなることを発見し それが小数の発明となった ステヴィンの提唱した表記法では は 現代のような小数点による表記となったのは 20 年ほど後のジョン ネイピアの提唱 数学用語と記号 6 数学用語と記号 8

3 これって どのくらい小さいの?(1) 1 円玉の直径は? 1 円 5 円 10 円 50 円 100 円 500 円 直径 20mm 22mm 23.5mm 21mm 22.6mm 26.5mm 厚さ 1.5mm 1.5mm 1.5mm 1.7mm 1.7mm 1.8mm 重さ 1g 3.75g 4.5g 4g 4.8g 7g これって どのくらい小さいの?(3) 水の分子 H 2 O の大きさは? 水素原子 H の大きさは約 m = 10 7 mm = 1A ( オングストローム : 1A = m) = 0.1 nm = 1000 pm ( ナノ : 1 nm = 10 9 m, ピコ : 1pm = m) 水の分子もほぼ同じ大きさである では 水素の原子核である陽子 1 個の大きさは? 約 m = mm = 10 5 A さらに 電子やクオークの大きさは? 約 m = mm = 10 8 A tokyo.ac.jp/elementaryparticle/standardmodel.html 小数と大数 9 小数と大数 11 これって どのくらい小さいの?(2) 髪の毛の太さは? コンピュータ時代の小さい数 日本人の平均 0.05~0.15 mm では 絹繊維の太さは? 綿 12~28 μ ミクロン : 1μ = 10 6 m 絹 15~50 羊毛 18~50 麻 8~50 ナイロン 1~10~ ポリエステル 1~10~ アクリル 1~10~ ガラス繊維 3~20 小数と大数 10 小数と大数 12

4 コンピュータ時代の大きい数 大きい数の位の名称 ( 英語 ラテン語 ) 英語 ラテン語 ( 語根 ) 英語 ラテン語 ( 語根 ) 10 0 one unus nonillion novem 10 1 ten decem decillion decem 10 2 hundred centum undecillionundecim 10 3 thousand mille duodecillion duodecim 10 6 million decies centena milia tredecillion tredecim 10 9 billion miliens miliaria milia quattuordecillion quattuordecim trillion tri quindecillion quindecim quadrillion quarter sexdecillion sexdecim quintillion quintus septendecillion septendecim sextillion sex octodecillion octodecimo septillion septem novemdecillion novemdecim octillion octo vigintillion viginti centillion 小数と大数 13 小数と大数 15 大きい数の位の名称 ( 漢字 ) 因みに 数に関する接頭辞 ローマ数字 ( ラテン語由来 ) いちじゅうひゃくせんまんおくちょうけいがいじょじょうこうかんせいさい一十百千万億兆京垓忬穣溝澗正載 ごくごうがしゃあそうぎなゆたふかしぎむりょうたいすう極恒河沙阿僧祇那由也不可思議無量大数 元の朱世傑 山学啓蒙 (1299 年 ) において初めて登場した 正しくは禾偏 恒河沙 : ガンジス川の砂阿僧祇 : 数えることができない の意那由也 : きわめて大きな数量不可思議 : 思ったり言葉で言い表したりできない の意無量大数 : 測ることができないくらい大きい数 1 unus, a, um I 2 duo, duae, duo II 3 tres, tria III 4 quattuor IIII / IV 5 quinque V 6 sex VI 7 septem VII 8 octo VIII 9 novem VIIII / IX 10 decem X 50 quinquaginta L 100 centum C 500 quingenti, ae, a D 1000 mille M 小数と大数 14 小数と大数 16

5 よく知られた数の増加速度 増加速度の大きい関数 (2) 自然数 素数 平方数立方数フィボナッチ数 2の冪 階乗 組合せ指数 n p n n 2 n 3 F n 2 n n! n n * * * * * * * * * * * p n n 番目の素数 π x Θ x/log x F n f 0 0, f 1 1, f n 1 f n fn 1 f n n n Θ 2 n 2 n, n!, nn 2 n =o n!, n!=θ nlog n), n!=o n n A x,y アッケルマン関数 n n =o A n, n A 0, y y 1 A x 1,0 A x, 1 A x 1, y 1 A x, A x 1, y f n = Θ g n f n の増加速度は g n の増加速度と同じ程度 f n = o g n f n の増加速度は g n の増加速度より真に小さい 小数と大数 17 小数と大数 19 これの具体的値は = = ! = ! = F 100 = f 1000 = 増加速度の大きい関数 (3) アッケルマン関数 A x, y A 0, y y 1 A x 1,0 A x, 1 A x 1, y 1 A x, A x 1, y A 0, y y 1 A 1, y y 2 A 2, y 2y 3 A 3, y 2y 3 3 A 4, y y 3 個 3 A(3,3) = A(2,A(3,2)) = A(2,A(2,A(3,1))) = A(2,A(2,A(2,A(2,0)))) = A(2,A(2,A(2,A(1,1)))) = A(2,A(2,A(2,A(0,A(1,0))))) = A(2,A(2,A(2,A(0,A(0,1))))) = A(2,A(2,A(2,A(0,2)))) = A(2,A(2,A(2,3))) = A(2,A(2,A(1,A(2,2)))) = A(2,A(2,A(1,A(1,A(2,1))))) = A(2,A(2,A(1,A(1,A(1,A(1,0)))))) = A(2,A(2,A(1,A(1,A(1,A(0,1)))))) = A(2,A(2,A(1,A(1,A(1,2))))) = 小数と大数 18 小数と大数 20

6 Knuth の 記法 arrow_notation Graham 数 (2) グラハム数 D.E.Knuth, 1976 は掛算の反復 (= 累乗 ) を表す : は累乗の反復 (=tetration) を表す : は tetration の反復 (=pentation) を表す : とするとき n 1 のとき n 1 かつ b 0 のとき その他 3 が個 小数と大数 21 小数と大数 23 Graham 数 (1) R.Graham, 1970 n 次元超立方体の 2n 個の頂点のそれぞれを互いに全て線で結ぶ 次に 2つの色を用いて連結した線をいずれかの色に塗り分ける このとき n が十分大きければ どんな塗り方をしても 同一平面上にある四点でそれらを結ぶ線が全て同一の色であるものが存在する これを満たす n として与えられた数 G のこと. F 1, n 2n n 2 F m, 2 4 m 1 F m, n F m 1, F m, n 1 m 2, n 3 G F F F F F F F 12,3, 3, 3, 3, 3, 3, 3 Conway のチェイン表記 (1) J.H.Conway, p, q を正整数とし X をチェインとするとき 0. 空のチェイン (= 長さが 0 のチェイン ) は 1 を表す 1.p だけからなるチェイン p は整数 p を表す 2.p qは p q を表す 3.X 1は X に等しい 4.X p q 1 は X X X X q q qを表す 4. は次と同じ : p 個の X と p 1 個の q, ( ) は p 1 組 小数と大数 22 小数と大数 24

7 Conway のチェイン表記 (2) 多変数のアッケルマン関数 ルール 4 による 余分な括弧を削除 ルール 3 による ルール 2 による余分な括弧を削除ルール 3 によるルール 2 による A 0, 0, z z 1 A x 1, 0, z A x, z, z A x, y 1, 0 A x, y, 1 A x, y 1, z 1 A x, y, A x, y 1, z 2 変数のアッケルマン関数より増加速度が大きい 小数と大数 25 小数と大数 27 Conway のチェイン表記 (3) グーゴル googol とプレックス plex など n 個の と定義すると グラハム数 G は 64 個の 3 3 層 アッケルマン関数は (m 3) 1 googol = n plex = 10 n 1 googol plex =10 (1 googol) n = n 101 googol 10 = 2 = 100 plex = 10 (2 plex) 1 googol plex = = =(100 plex) plex = 2 小数と大数 26 小数と大数 28

8 n を再帰的に適用すると これって どのくらいたくさんあるの?(2) n = n 2 = = = 2 平面上に 20 個の点がある これらすべての点同士をループがないように線で結ぶ 何通りの結び方がある? 1 n 3 の場合 1 1 n 4 の場合のいくつか nc2 C n 1 通り n 20 のとき 190C 19 = = 64 septillion 小数と大数 29 小数と大数 31 これって どのくらいたくさんあるの?(1) 8 8 の盤を白黒に塗り分ける方法は何通りある? 2 64 = 通り これって どのくらいたくさんあるの?(3) アボガドロ数 炭素 12 グラムの中に含まれている炭素原子 12 C の個数は? アボガドロ数 ( アボガドロ定数 ) とは 物質量 1 モルとそれを構成する粒子 ( 分子 原子 イオンなど ) の個数との対応を示す比例定数 約 = 18.5 quintillion など モル とは原子や分子の単位のこと 原子や分子は重さをもっているが とても小さいので 1 個単位では測定ができないので モル という単位を使う 12 C の質量数は 12 で 12 C 原子 1 個の質量が約 g なので 炭素 12 グラムの中に含まれている 炭素原子の数は 12/( ) = = 602 sextillion である この という数をアボガドロ数という 小数と大数 30 小数と大数 32

9 これって どのくらいたくさんあるの?(4) これって どのくらいたくさんあるの?(6) 土星って ガスの塊だけど その重さは? 約 Kg = 1.8 octillion Kg では 太陽の重さは? 約 Kg = 1.8 nonillion Kg の格子状マス目を 10 色で塗り分ける方法は何通りある? 通り = 1 googol 通り では 1 googol 1 googol の格子状マス目を 1 googol 色で塗りつぶす方法は何通り? (1 googol) (1 googol)2 = = 通り 小数と大数 33 小数と大数 35 これって どのくらいたくさんあるの?(5) 参考文献 地球は何個の原子でできている? 約 個 これって 48 個の点をループができないようにつなぐ方法の個数 約 通り = 1 googol(= ) よりは小さい に近い ( と言えるかな?) [1] Wikipedia の各項目 ( それぞれのシートに記した ). [2] P.H.Davis, The Lore of Large Numbers, Random House, 1970 ( 秋月康夫訳 大きい数 河出書房新社 [3] R.E.Schwartz, Really Big Numbers, Amer. Math. Soc., 2014 ( 著者は米国ブラウン大学数学科教授. 幼児向け ). [4] フィッシュ 巨大数論 ( 第 2 版 ) インプレス R & D, 小数と大数 34 小数と大数 36

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