幾何之父——?dú)W幾里得

歐幾里得(Euclid,公元前325-公元前265 )是古希臘數(shù)學(xué)家。

歐幾里得在公元前300年編寫的《幾何原本》聞名于世,2000多年來都被看作學(xué)習(xí)幾何的標(biāo)準(zhǔn)課本,所以他被人們稱為幾何之父。沒有誰能夠像歐幾里得那樣,聲譽(yù)經(jīng)久不衰。關(guān)于他的生平,人們知道的都很少。只知道大約在公元前300年左右,在托勒密王的邀請下,來到亞歷山大,在那里當(dāng)過教師,他深知柏拉圖的學(xué)說。確立他歷史地位的,主要是那本偉大的幾何教科書《幾何原本》。

     

《幾何原本》作為教科書使用了兩千多年。在形成文字的教科書之中,無疑它是最成功的。歐幾里得的杰出工作,使以前類似的東西黯然失色。該書問世之后,很快取代了以前的幾何教科書,而后者也就很快在人們的記憶中消失了!稁缀卧尽肥怯孟ED文寫成的,后來被翻譯成多種文字。它首版發(fā)行于1482年,問世之后,它的手抄本流傳了1800多年。同時被譯為世界各主要語種,至今《幾何原本》已經(jīng)出版了上千種不同版本。

《幾何原本》是最成功的不朽的幾何教科書,歐幾里得在該書中列出的所有定理都是之前人們已經(jīng)知曉的,使用的證明也大都是如此。在《幾何原本》中,被公認(rèn)歸功于歐幾里得本人的唯一定理,就是他為畢達(dá)哥拉斯定理提出的證明。歐幾里得的偉大貢獻(xiàn)在于他匯集了前人的成果,他把泰勒斯時代以來積累的數(shù)學(xué)知識進(jìn)行了系統(tǒng)的整理,把兩個半世紀(jì)的研究成果編纂成為一本著作。歐幾里得將公元前7世紀(jì)以來希臘幾何積累起來的豐富成果整理在嚴(yán)密的邏輯系統(tǒng)之中,使幾何學(xué)成為一門獨(dú)立的、演繹的科學(xué)。

歐幾里得采用了獨(dú)特的、前所未有的編寫方式。首先他對公理和公設(shè)作了適當(dāng)?shù)倪x擇(這是非常困難的工作,需要超乎尋常的判斷力和洞察力),推出一系列令人欽佩的簡潔而精致的公理和公設(shè)。然后仔細(xì)地將這些定理做了適當(dāng)?shù)亟M織與安排, 形成了比較完整的知識體系。其邏輯性非常強(qiáng),幾乎無須改進(jìn)。

《幾何原本》主要討論了平面圖形和立體圖形幾何學(xué)方面的知識,但也也討論了整數(shù)、分?jǐn)?shù)、比例等大量代數(shù)和數(shù)論的內(nèi)容。提出了比率和比例的問題以及現(xiàn)在為大家所知的數(shù)論問題,正是歐幾里得證明了素數(shù)是無限的。他還通過將光視為直線,使光學(xué)成為幾何學(xué)的一部分。經(jīng)過歐幾里得堅持不懈努力。他終于完成了《幾何原本》這部巨著。

在訓(xùn)練人的邏輯推理思維方面,《幾何原本》比亞里土多德的任何一本有關(guān)邏輯的著作影響都大。在完整的演繹推理結(jié)構(gòu)方面,它是一個十分杰出的典范。過去多少世紀(jì)人們都認(rèn)為,在數(shù)學(xué)原理中,特別在公理、歐幾里得幾何學(xué)的基礎(chǔ)中,有一些客觀永恒的真理,例如,整體等于部分的總和,直線是兩點(diǎn)之間最短的距離。只是到了十九世紀(jì)人們才認(rèn)識到,公理僅是得到一致同意的陳述,而不是絕對真理。

對于歐洲人來講,只要有了幾個基本的物理原理,其他都可以由此推演而來的想法是很自然的。因為有歐幾里得這樣的典范,歐洲人不把歐幾里得的幾何學(xué)僅僅看作是抽象的體系,他們認(rèn)為歐幾里得的公設(shè)以及由此而來的定理都是建立在客觀事實之上。所有人都接受了歐幾里得《幾何原本》的思想,并把它作為他們數(shù)學(xué)知識的基礎(chǔ)。牛頓的《數(shù)學(xué)原理》一書就是按照與《幾何原本》的“幾何學(xué)”類似的形式寫成的,可見牛頓是受歐幾里得的影響。從那之后,西方的科學(xué)家都在模仿歐幾里得的方式,說明他們的結(jié)論是如何從最初的幾個假設(shè)邏輯地推導(dǎo)出來的。像數(shù)學(xué)家羅素、懷特海以及一些哲學(xué)家,如斯賓諾莎都是如此。

多少個世紀(jì)以來,中國在技術(shù)方面一直領(lǐng)先于歐洲。但是從來沒有出現(xiàn)一個可以同歐幾里得對應(yīng)的中國數(shù)學(xué)家。其結(jié)果是,中國從未擁有過歐洲人那樣的數(shù)學(xué)理論體系。中國人對實際的幾何知識理解得不錯,但他們的幾何知識從沒有提高到演繹體系這樣的高度。直到1600年,歐幾里得《幾何原本》才被介紹到中國。之后又經(jīng)過了幾個世紀(jì),希臘的演繹幾何體系才被中國人普遍知曉。在日本,情況也是如此。直到18世紀(jì),日本人才知道歐幾里得的著作,并且用了很多年才理解了該書的主要思想。

如今數(shù)學(xué)家們已經(jīng)認(rèn)識到歐幾里得的幾何學(xué)并不是能夠設(shè)計出來的唯一的一種內(nèi)在統(tǒng)一的幾何體系。在過去的150年間,人們已經(jīng)創(chuàng)立出許多非歐幾里得幾何體系。自愛因斯坦的廣義相對論已被接受以來,人們已經(jīng)認(rèn)識到,在現(xiàn)實的宇宙中歐幾里得的幾何學(xué)并非總是正確的。例如,在黑洞和中子星的周圍,引力場極強(qiáng)。在這種情況下,歐幾里得的幾何學(xué)無法準(zhǔn)確地描述宇宙的情況。但是,這些情況是相當(dāng)特殊的。在大多數(shù)情況下,歐幾里得的幾何學(xué)能夠給出非常接近現(xiàn)實世界的結(jié)論。

歐氏幾何現(xiàn)在仍廣泛地應(yīng)用于科學(xué)研究和生產(chǎn)實踐之中,也是中學(xué)生必學(xué)的一門科學(xué)知識。歐氏幾何包括一系列的公理和定理,其中最著名的是平行公理,即平面上一直線和兩直線相交,當(dāng)同旁兩內(nèi)角之和小于兩直角時,則兩直線在同一側(cè)充分延長后一定相交;虮硎鰹,在平面上過直線外一點(diǎn)只能作一條和這直線不相交的直線。這一公理是歐氏幾何的基本原理。 按討論的圖形位置關(guān)系,歐氏幾何又分為平面幾何和立體幾何。歐氏幾何所研究的空間稱歐氏空間,它是現(xiàn)實空間的一個最簡單并且相當(dāng)確切的近似描述。在現(xiàn)代數(shù)學(xué)中,研究多維歐氏空間已成為研究多變量函數(shù)和線性代數(shù)的重要工具之一。        

歐幾里得的著作較多,除了《幾何原本》之外,他還有不少著作,如《數(shù)據(jù)》、《圖形分割》、《論數(shù)學(xué)的偽結(jié)論》、《光學(xué)之書》、《反射光學(xué)之書》等,對自然科學(xué)的發(fā)展都有一定的價值可惜大都失傳。《已知數(shù)》是除《原本》之外惟一保存下來的他的希臘文純粹幾何著作。《圖形的分割》現(xiàn)存拉丁文本與阿拉伯文本,論述用直線將已知圖形分為相等的部分或成比例的部分!豆鈱W(xué)》是早期幾何光學(xué)著作之一,研究透視問題,敘述光的入射角等于反射角,認(rèn)為視覺是眼睛發(fā)出光線到達(dá)物體的結(jié)果。

歐幾里得是一位數(shù)學(xué)教育家。對不肯刻苦鉆研、有投機(jī)取巧想法的人,他是持批判態(tài)度的。據(jù)記載,托勒密王曾經(jīng)問歐幾里得,除了他的《幾何原本》之外,還有沒有其他學(xué)習(xí)幾何的捷徑。歐幾里得回答說:“在幾何里,沒有專為國王鋪設(shè)的大道。”這句話后來成為千古傳誦的學(xué)習(xí)箴言。他也反對那種對學(xué)習(xí)采取實用主義的態(tài)度。斯托貝烏斯記述了另一則故事,說一個學(xué)生剛學(xué)了第一個命題,就問歐幾里得學(xué)習(xí)幾何學(xué)有什么用。歐幾里得說:給他三個錢幣,因為他想在學(xué)習(xí)中獲取實利。