不知你有没有听说过这样一个故事:有三个年轻的建筑工人一起在工地上劳动,有一个记者采访他们:“请问你在做什么呢?”第一个年轻人说:“我在搬砖和泥。”第二个年轻人说:“我在建设本市最高的商厦。”最后一个年轻人说:“我在规划这个城市的未来。”同样是辛苦的体力劳动,三个人感受到的却是完全不同的。数年以后,第一个年轻人还在那里搬砖和泥;第二个年轻人成为优秀的建筑设计师;而第三个年轻人则成了城市规划设计的专家。为什么我要讲这个故事呢?因为我们平时在学数学的时候,大部分时间也是在做一些看起来枯燥无聊的题目。在这种情况下,如果我们不能处在一个较高的位置上,不能有一个开阔的胸襟,很快就会失去奋斗的目标,迷失学习的方向。因此,我们就要站在一个制高点上,宏观地看一下代数知识的整体架构。
前面我们曾经介绍了代数要处理的内容,代数要处理的就是一堆由字母、数字和加减乘除组成的算式,如果说小学数学我们学的是算得数,那么初中数学学的就是算式子。那么,对这些式子,我们应该怎么分类呢?又从哪里开始学起呢?要想明白这个问题,我们就得分析一下,这些代数算式里面包含哪些内容,算式不是由字母、数字和加减乘除组成的吗?别忘了,算式里头还会有等号或者大于号、小于号,而这些组成部分就是我们的分类方法。代数的知识架构可以通过三种方法分类:第一,按等号和不等号分类;第二,按字母的个数和次数分类;第三,按照加减乘除的计算方法分类。
如果把算式按照等号还是大于号、小于号来区分的话,可以把算式分成等式和不等式,显而易见的是:含有等号的式子就叫等式,而含有大于号、小于号的式子就叫作不等式。不过对于含有变量的等式,我们还有一个中国传统的名字,叫作方程。为什么叫方程呢?这个方程的方,代表的就是几行几列的一个方阵,而程就是天平的意思,把一个方阵摆放到天平上就是处理含有乘法的等式。方程是我们2000年前的老祖宗处理等式的一种工具,就跟算盘的道理差不多。不过把等式叫作方程还是有点太古板了,而且你把等式叫作方程,那不等式叫什么?对不起,它没别的名字,只能叫不等式。
前面我们用等号和大于号、小于号,把代数分成了方程和不等式。接下来我们再说字母,字母怎么分类呢?我们知道了,在代数里,字母表示的是常量和变量,常量好说,不用分类。那么,我们就根据变量出现的个数和次数的多少来分类。什么叫变量的个数呢?简单理解就是我们要做的题目里面有几个不知道的数字。那什么叫次数呢?就是化简以后,每个变量之间相乘了几次。讲到这里你可能会问,为什么乘了几次就算次数,加减几次它就不算呢?别忘了,我们的式子不是可以化简吗?假设我们处理的算式是2 x +3 x ,我们不就直接把它变成5 x 了吗?这个变量 x 不就只出现了一次吗?在代数里面,变量又被简称为“元”。因此如果一个题目中只有一个变量,而且只出现了一次,我们就管它叫一元一次。如果处理的是等式,就叫一元一次方程;如果是不等式,就叫一元一次不等式。如果是两个变量,并且两个变量之间只是加减关系,没有乘除关系,那就叫二元一次。当然,还有三元一次、四元一次,初中阶段不学那么多,学会了二元一次就基本够用了;至于三元以上的那些方程,叫作线性代数,那是高中和大学阶段要学的内容。
如果在一个问题中,有一个变量间出现了相乘的情况,乘了一次呢?就相当于这个变量出现了两次,所以就叫一元二次,当然还会有三次、四次方程了,初中阶段学习的就是一元二次和二元二次的情况。多元一次的方程叫作线性代数,那么一元多次的方程叫什么,多元多次方程又叫什么呢?我要告诉你,三次、四次方程还是能够勉强求出得数的,超过四次以上的方程就很难求解了。这类问题大多数情况下只能通过解析几何、微积分、混沌系统进行大致的分析和描述。这些内容也都是大学阶段要学习的,初中肯定不会涉及。我们要知道的是,不是所有的问题都是一定有解的。
说完了变量的个数和次数,再说加减乘除的算法。按照加减乘除也可以对算式分类,如果一个算式最后是由加减号连接起来的,这个式子就叫多项式;如果一个式子是由乘法连接起来的,这个式子就叫因式;如果一个式子是由除法连接起来的,这个式子就叫分式。除了这四个常用计算方法之外,我们还会学两种新的计算方法,第一种方法用来处理一个数连续相乘的情况,这种算法叫作指数,或者叫作幂,所以这种算式又叫幂式;另一种算法是用来求一个数是哪个数的平方,这样的算法叫作开方,通过开方得到的数字叫作根,这样的式子又叫根式。多项式、因式、分式、幂式、根式这五类算式就是初中阶段学的所有算式的分类。
到这里,我们学习了代数的知识架构,什么叫架构?架构就好比是一个整体的架子。我们要建设一个城市,就得先把交通网架设好;我们要建造一个楼房,就需要把钢筋水泥的骨架搭设好。同样,学习数学也得先有一个整体的认识,整个代数知识的大厦就是从字母、加减乘除这些最基本的东西展开的,它只不过是小学算术的一个升级版本而已。