偉大的物理學家愛因斯坦在《自述》中曾這樣回憶道:“在我12歲時,我經(jīng)歷了另一種性質(zhì)完全不同的驚奇:這是在一個學年開始時,當我得到一本關(guān)于歐幾里得平面幾何的小書時所經(jīng)歷的。這本書里有許多斷言,比如,三角形的三個高交于一點,它們本身雖然并不是顯而易見的,但是可以很可靠地加以證明,以致任何懷疑似乎都不可能。這種明晰性和可靠性給我造成了一種難以形容的印象。……我記得在這本神圣的幾何學小書到我手中以前,有位叔叔曾經(jīng)把畢達哥拉斯定理告訴了我。經(jīng)過艱巨的努力以后,我根據(jù)三角形的相似性成功地‘證明了’這條定理。……對于第一次經(jīng)驗到它的人來說,在純粹思維中竟能達到如此可靠而又純粹的程度,就像希臘人在幾何學中第一次告訴我們的那樣,是足夠令人驚訝的了!保ā稅垡蛩固刮募ǖ谝痪恚罚
面對幾何世界這筆豐厚的遺產(chǎn),難怪H·G·弗德會說出這樣的話:“誰看不起歐氏幾何,誰就好比是從國外回來看不起自己的家鄉(xiāng)!
幾何學歷史悠久,早在古希臘時代就逐漸形成一門獨立的學科,無論在實際材料方面,還是在某些理論基礎(chǔ)的奠定方面,都得到了光輝的發(fā)展。古代希臘的許多數(shù)學家,如泰勒斯(約公元前640-546年)、畢達哥拉斯(約公元前582-493年)、希波克拉底(約公元前430年)、柏拉圖(約公元前427-347年)、歐幾里得(約公元前330-275年)諸人,對幾何學都有莫大的功績。歐幾里得搜集當時所有已知的初等幾何材料(包括他自己的發(fā)現(xiàn)),按照嚴密的邏輯系統(tǒng),編成《幾何原本》十三卷,后世譽為幾何學的杰作。
幾何學內(nèi)容豐富。美國數(shù)學家E·T·貝爾說過:“幾何學的浩瀚的文獻比算術(shù)和代數(shù)的加在一起還要多,其廣泛的程度至少和分析的文獻相當,這是比數(shù)學的其他部門更有意思的、然而是半遺忘的東西組成的豐富的寶庫,但是匆忙的一代人無暇去欣賞它。”整個歐氏幾何確實像是一座豐厚的寶藏,經(jīng)過兩千多年的采掘,大部分菁華已經(jīng)落入人類的手中。到了19世紀后半葉,又涌現(xiàn)出了一大批瑰寶,發(fā)現(xiàn)了數(shù)以百計的新定理,形成了所謂的近代歐氏幾何學,像Torricelli-Fermat點,Nagal點,Gergonne點,Brocard點和圓,Lemoine點和圓,九點圓,Euler線,Steiner點之類的獨特對象都得到了深入的探索和研究。正如M·克萊因在《古今數(shù)學思想》中所指出的:“這些成果,或許重要性不大,然而顯示出這門古老學科的新的主題和幾乎無窮無盡的豐富多彩!
然而,數(shù)學也與服裝一樣,講究時尚。“20世紀的幾何學家早就虔誠地把這些珍品送進了幾何博物館,歷史的塵埃很快地把這些珍品的光澤湮沒”(《數(shù)學的發(fā)展》,第323頁)。隨著時間的推移,幾何在上個世紀的發(fā)展遭受挫折,曾一度步入低谷。布爾巴基學派的代表人物之一狄多涅,在《我們應(yīng)該講授新數(shù)學嗎?》一文中提出過“歐幾里得滾蛋”的說法,試圖推倒歐氏幾何在數(shù)學課程中的基礎(chǔ)地位,其影響波及面廣,以致在一些西方國家課程改革中歐氏幾何體系不復(fù)存在,而被其它的一些結(jié)構(gòu)觀念所取代。但他的主張當即就遭到許多人的非議,引起了激烈的爭論。法國數(shù)學家托姆(突變理論的創(chuàng)始人,拓撲學家,菲爾茲獎獲得者)認為“幾何思維可說是人類理性活動的正常發(fā)展中不能省略的階段”,并建議恢復(fù)歐氏幾何體系的教學。經(jīng)過近半個世紀來的實踐和反思,人們對此有了重新認識。1995年《美國數(shù)學月刊》刊出了“三角形幾何學的興起、衰落和可能的東山再起:微型歷史”一文,全面分析了“一個被歷史的塵埃和灰燼所掩埋的科目能夠東山再起嗎?”這一饒有意趣的議題,并得出了正面的回答。
作者堅信:三角形幾何過去是為歐幾里得精神作證明的實踐的基地,如今已變成了決定性、證明和發(fā)現(xiàn)定理策略的實驗基地。由計算機帶來的三角形幾何的變革,以及其它領(lǐng)域中的這種變革,已經(jīng)重新證實和加強了人類在“做數(shù)學”美妙活動中的根本作用。
1998年美國科學年會上,學者們一致認為21世紀的教育應(yīng)把幾何學放在頭等重要的地位。硅谷的馬克斯韋爾等人甚至喊出“幾何學萬歲”的口號。與會科學家和教育學家大都認為,21世紀教育的一個重要原則是,學校傳授給下一代的將不只是知識,更重要的是技能。幾何學具有較強的直觀效果,有助于提高學生認識事物的能力,應(yīng)當成為自然科學教育大綱中的首選和重點內(nèi)容。由美國N·Jackiw等人編制的《幾何畫板》正是順應(yīng)這種需要而設(shè)計出的一種軟件,它具有獨到的設(shè)計思想和強大功能,已成為探索幾何學奧秘的強有力的輔助工具。
《幾何畫板》的精彩之處在于它是一個動態(tài)的幾何學環(huán)境,利用其動態(tài)幾何功能,可以隨意改變一個圖形的形狀,并仍保持原來的幾何關(guān)系。隨著圖形的拖動,已構(gòu)建的幾何關(guān)系變得極為直觀,能更容易地揭示出蘊藏在特殊圖形背后的一般規(guī)律,發(fā)現(xiàn)幾何關(guān)系將變得多么令人興奮!《幾何畫板》還提供了豐富而方便的創(chuàng)造功能,通過編寫畫板和腳本,可以方便地驗證一些新的幾何猜測,隨心所欲地編寫出自己需要的范例,使幾何的優(yōu)雅得到最為完美的表現(xiàn)。毫不夸張地說,這是目前所能見到的最出色的教學軟件之一,或許可以稱為偉大的教學軟件。它的出現(xiàn),無疑會推動幾何的復(fù)興,重新喚起人們對幾何學知識的探索熱情。
在這樣的形勢下,數(shù)學家單士尊先生經(jīng)過艱辛的素材搜集,創(chuàng)作出了《平面幾何中的小花》一書,即將在2001年度出版。它通過很多豐富的示例,把讀者帶入到令人眼花繚亂的幾何世界中,任你隨意漫游。全書共有一百余個小標題,擷取了平面幾何中若干朵小花,供大家欣賞,其中既有我們近期遇到的問題,也有著名的經(jīng)典結(jié)果。各節(jié)之間沒有特別緊密的聯(lián)系,而且每節(jié)都不太長,中學生讀來并不困難。
它連同還在撰述中的《平面幾何中的小草》一起,將幾何學輝煌的昨日顯示給人看;它告訴我們,數(shù)學是一門博大精深的學問,學習它的最好方法是自己去發(fā)現(xiàn)它;如果淺嘗輒止,就不能深刻體會數(shù)學中的樂趣所在;唯有對美的執(zhí)著追求,才會把自己帶入到“奇?zhèn)ァ⒐骞、非常”的新境界?/p>
它還啟示我們,為什么有必要不時地重溫昔日的成就,為什么必須對舊有的知識成果不斷加以再現(xiàn)和整理。這是因為數(shù)學的目的,就是用簡單而基本的詞匯去盡可能多地解釋世界,如果我們積累起來的經(jīng)驗要一代一代傳下去的話,我們就必須不斷地努力地把它們加以簡化和統(tǒng)一。拋棄傳統(tǒng),就會斷絕未來。繼往開來,才能發(fā)揚光大。
愿幾何世界中的這些瑤草瓊花迎風綻放,來點綴美麗紛芳的數(shù)學百花園。
最后,讓我們且以本書作者單士尊先生的一首小詩來作為全文的結(jié)尾:“數(shù)學花園大,幾何算一家。春日興致好,請來看小花。學海無涯樂作舟,逍遙自在任我游。已覺此處景物好,更有好景在前頭。”
(《平面幾何中的小花》即將由上海教育出版社出版)
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