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图形的量化解析几何:图形的位置(一)
笛卡尔
关于数与图形结合的根本性工作,即坐标系和解析几何的发明,
是由两位法国数学家笛卡尔和费马完成的。柯郎在他的著作《什么是
数学》中说,费马的工作是在1626年,笛卡尔的工作是在1637年完
成的。
虽然笛卡尔在数学上作出过杰出的贡献,但他更重要的贡献却是
在哲学方面,他的思想对于科学的发展影响深远,甚至影响到莱布尼
茨和牛顿这样的伟人。笛卡尔崇尚科学,关于科学考察的对象,在
《探求真理的指导原则》的“原则二”中,他明确地写道:
“应当仅仅考察凭我们地心灵似乎就足以获得的确信无疑的认识
的那些对象”
在这一点,笛卡尔说得比柏拉图更为深刻,因为他不仅说出了科
学所应当考察的对象,也就是柏拉图所说的必须用思考才能看到的对
象,笛卡尔还说了凭借什么去考察,这就是心灵,也就是直观。在
“原则三”中,他又进一步强调:
“关于打算考察的对象,应当要求的不是某些别人的看法,也不
是我们自己的推测,而是我们能够从中清楚而明显地直观出什么,或
者说,从中确定无疑地演绎出什么,因为,要获得真知,是没有其他
方法的”
在这里,我们能够明晰地知道,无论是知识获取的方法还是科学
研究的方法,笛卡尔强调的是直观和演绎。关于直观,他接着论述道:
“我用直观一词,指的是纯粹而专注的心灵的构想,产生
于唯一的光芒,即理性的光芒的不容置疑的构想,这种构想由于更单
纯而比演绎本身更为确实无疑”
更进一步,笛卡尔又对直观和演绎的功能进行了分工:
“起始原理本身则仅仅通过直观而得知,相反,较远的推论是仅
仅通过演绎而获得”
我们看到,虽然对于直观的解释有所不同,但无论是古希腊的柏
拉图,文艺复兴后的笛卡尔,还是工业革命后的康德,都非常强调直
观对于思维的重要,强调直观对于知识的重要,我们将在后续《数学
的抽象》专门讨论这个问题。
笛卡尔《方法论》
笛卡尔于1637年发表了著名的《更好地指导推理和寻求科学真理
的方法论》,因为书名太长,人们通常称这部书为“方法论”。在
《方法论》中,笛卡尔说出了他对数学的看法,阐述了一个大胆的,
对后世产生了重要影响的思想:
“我发现在逻辑方面,三段论式和大部分其他法则只能用来向别
人说明已知的东西,,并不能求知未知的东西。至于古代人的
几何和近代人的代数,都是只研究非常抽象,看来毫无用处的题材。
此外,前者始终局限于考察图形,直到把想象力累得疲惫不堪后才运
用理解力;后者则一味地用规则和数字来约束,使人感觉晦涩枯燥,
头昏脑胀,却得不到心灵的学问。正因为如此,我才要寻找另一种方
法,包含这三种学问的长处,而没有它们的短处”
笛卡尔在《方法论》的附录《几何学》中实践了上述想法,他寻
找的另一种方法就是解析几何,通过解析几何笛卡尔把传统几何与代
数有机地结合起来了。《几何学》共分三编,第一编的题目为“仅使
用直线和圆的作图问题”,讨论如何利用尺规把算术问题转化为几何
问题;第二编的题目为“曲线的性质”,在这一编,笛卡尔批判了传
统的尺规作图的方法,认为应当引入度量的方法来研究复杂的曲线,
这样,他发明了坐标系和解析几何;第三编的题目为“立体及超立体
问题的作图”,讨论高次方程的根与几何作图的关系,虽然笛卡尔对
负数还不理解,比如他认定方程的负数根为假根,但在这一编他给出
了三个重要的,对后来数学的发展影响深远的概念:(1)n次方程有
n个根;(2)代数基本定理的雏形,即如果a是方程f(x)=0的根,则
x-a一定能够整除f(x);(3)方程可能会出现虚根。
下面,我们通过两个例子来分析笛卡尔的几何与欧几里得几何的
差别,从而分析笛卡尔是如何发明解析几何的。第一个例子:作图求
二次方程的根,考虑下面的二次方程
y=ay+b
22
y=-ay+b
22
y=ay-b
22
因为笛卡尔出版这部书是在韦达之后半个世界,因此他应当知道
上面三种形式是有统一解的,可是笛卡尔希望用几何作图的方法给出
方程的解,因此必须分别讨论。比如第一种形式可以等价地得到
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