正文 第14章 變臉大王——幾何(1)(1 / 3)

幾何學發展的曆史悠久,內容豐富。它和代數、分析、數論等關係極其密切。幾何思想是數學中最重要的一類思想。目前的數學各分支發展都呈幾何化趨向,即用幾何觀點及思想方法去探討各分支數學理論。

趣談幾何

埃及和巴比倫人在畢達哥拉斯之前1500年就知道了畢達哥拉斯定理,也就是我們中國的勾股定理。古埃及人還有方形棱錐(截去尖頂的金字塔形)的體積計算公式,巴比倫還有一個三角函數表。這些先進的數學原理,有時令我們不得不懷疑是否有史前人類或外星人的參與呢。

最早的幾何記錄

最早有關幾何的記錄可以追溯到公元前3000年的古埃及、古印度和古巴比倫。它們利用長度、角度、麵積和體積的經驗原理,用於測繪、建築、天文和各種工藝製作等方麵的測算。這些原理非常複雜和先進,現代的數學家都需要用微積分來推導它們。

“幾何”一詞的來曆

我們都知道幾何學,但你知道“幾何”這個名稱是怎麼來的嗎?

在古代,這門數學分科並不叫幾何,而是叫“形學”。聽名字大概是指與圖形有關的數學。但中國古時候的“幾何”並不是一個專有數學名詞,而是文言文虛詞,意思是“多少”。

例如曹操的著名樂府詩《龜雖壽》裏寫道:“對酒當歌,人生幾何?”這裏的“幾何”就是多少的意思。而《陌上桑》中那個從南而來的使君看上了美麗的采桑女羅敷,詢問她:“羅敷年幾何?”這裏的“幾何”也是“多少”的意思。

直到20世紀初,“幾何”這個名字才有了比較明顯地取代“形學”一詞的趨勢,到了20世紀中期,“形學”一詞再難得露上一麵,“幾何”成為了數學分科的正式名稱。

笛卡爾與解析幾何

在笛卡爾之前,幾何是幾何,代數是代數,他們各自獨立互不相擾。但是,傳統的幾何過分依賴圖形和形式演繹,而代數又過分受法則和公式的限製,這一切都製約了數學的發展。有一天,笛卡爾突發奇想,能不能找到一種方法,架起溝通代數與幾何的橋梁呢?為此他常常花費大量的時間去思考。

1619年11月的一天,笛卡爾因病躺在了床上,無所事事的他又想起了那個折磨他很久的問題。

這時,天花板上有一隻小小的蜘蛛從牆角慢慢地爬過來,吐絲結網,忙個不停。從東爬到西,從南爬到北。結一張網,小蜘蛛要走多少路啊!笛卡爾開始計算蜘蛛走過的路程。他先把蜘蛛看成一個點,接著思考這個點離牆角有多遠?離牆的兩邊又有多遠?

想著想著就睡著了。結果在夢中,他好像看見蜘蛛還在爬,離兩邊牆的距離也是一會兒大,一會兒小……大夢醒來的笛卡爾突然明白——要是知道蜘蛛和兩牆之間的距離關係,不就能確定蜘蛛的位置嗎?確定了位置後,自然就能算出蜘蛛走的距離了。於是,他鄭重地寫下了一個定理:在互相垂直的兩條直線下,一個點可以用到這兩條直線的距離,也就是兩個數來表示,這個點的位置就被確定了。

笛卡爾寫下的定理就是現在應用廣泛的坐標係。可在當時,這真是了不起的發現,這是第一次用數形結合的方式將代數與幾何連接起來了。它用數來表示幾何概念,代數形式表示幾何圖形。這是解析幾何學的誕生。沿著這條思路,在眾多數學家的努力下,數學的曆史發生了重要的轉折,解析幾何學也最終被建立起來。

最絢爛的語言──幾何語言

許多數學符號很形象,一看就明了它的含意。如第一個使用現代符號“=”的數學家雷科德就這樣說道:“再也沒有別的東西比它們更相等了。”他的巧妙構思得到了公認,從而相等符號“=”沿用了下來。

現代數學符號體係的形成

數學的說理性很強,因此用文字語言來敘述說理過程時,寫的人嫌麻煩,讀的人又覺得繁瑣,寫和讀的人都跟不上思考,常常迫使思路中斷。為了簡化敘述,自古至今數學家們努力創造了大量縮寫符號,使解決問題的思路順暢。隨著科學的迅速發展,作為科學公仆的數學迫切需要改進表述的方式方法,於是現代數學的符號體係開始在歐洲形成了。

三位數學家對符號的貢獻

為了進一步發展,許多幾何符號應運而生。如平行符號“∥”多麼簡單又形象,給人們抽象而豐富的想象,在同一個平麵內的兩條線段各自向兩方無限延長,它們永不相交,揭示了兩條直線平行的本質。

數學符號有兩個基本功能:一是準確、明了地使別人知道指的是什麼概念;二是書寫簡便。自覺地引入符號體係的是法國數學家韋達(公元1854-1603年)。而現代數學符號體係卻采取笛卡兒(公元1596-1650年)使用的符號,歐拉(公元1707-1783年)為符號正規化普及作出不少貢獻。如用a、b、c表示三角形ABC的三邊等等,都應歸功於歐拉。