【笛卡尔哲学著作】数学家的小故事:“解析几何之父”笛卡尔
法国是一个充满了浪漫的国度,这个国家给人的印象是香榭大道,诗歌和浪漫情怀。但是这个泡在香槟里的国家也在发酵着属于自己的科学。法国历史上出现过许多科学家,今天极客数学帮的《数学家的小故事》就要给大家介绍其中的一位著名的数学家——笛卡尔。
勒内·笛卡尔,1596年3月31日生于法国安德尔-卢瓦尔省的图赖讷拉海,1650年2月11日逝世于瑞典斯德哥尔摩,是法国著名的哲学家、数学家、物理学家。他是西方近代哲学奠基人之一。
他对现代数学的发展做出了重要的贡献,因将几何坐标体系公式化而被认为是解析几何之父。他还是西方现代哲学思想的奠基人,是近代唯物论的开拓者且提出了普遍怀疑的主张。他的哲学思想深深影响了之后的几代欧洲人,开拓了欧陆理性主义哲学。人们在他的墓碑上刻下了这样一句话:“笛卡尔,欧洲文艺复兴以来,第一个为人类争取并保证理性权利的人。”
数学家笛卡尔的成就
笛卡尔对数学最重要的贡献是创立了解析几何。在笛卡尔时代,代数还是一个比较新的学科,几何学的思维还在数学家的头脑中占有统治地位。笛卡尔致力于代数和几何联系起来的研究,并成功地将当时完全分开的代数和几何学联系到了一起。于1637年,在创立了坐标系后,成功地创立了解析几何学。他的这一成就为微积分的创立奠定了基础,而微积分又是现代数学的重要基石。解析几何直到现在仍是重要的数学方法之一。
笛卡尔不仅提出了解析几何学的主要思想方法,还指明了其发展方向。在他的著作《几何》中,笛卡尔将逻辑,几何,代数方法结合起来,通过讨论作图问题,勾勒出解析几何的新方法,从此,数和形就走到了一起,数轴是数和形的第一次接触。
并向世人证明,几何问题可以归结成代数问题,也可以通过代数转换来发现、证明几何性质。笛卡尔引入了坐标系以及线段的运算概念。他创新地将几何图形‘转译’代数方程式,从而将几何问题以代数方法求解,这就是今日的“解析几何”或称“座标几何”。
解析几何的创立是数学史上一次划时代的转折。而平面直角坐标系的建立正是解析几何得以创立的基础。直角坐标系的创建,在代数和几何上架起了一座桥梁,它使几何概念可以用代数形式来表示,几何图形也可以用代数形式来表示,于是代数和几何就这样合为一家人了。
此外,现在使用的许多数学符号都是笛卡尔最先使用的,这包括了已知数a, b, c以及未知数x, y, z等,还有指数的表示方法。他还发现了凸多面体边、顶点、面之间的关系,后人称为欧拉-笛卡尔公式。还有微积分中常见的笛卡尔叶形线也是他发现的。
笛卡尔坐标系
在数学里,笛卡尔坐标系(Cartesian坐标系),也称直角坐标系,是一种正交坐标系。二维的直角坐标系是由两条相互垂直、0 点重合的数轴构成的。在平面内,任何一点的坐标 是根据数轴上 对应的点的坐标设定的。在平面内,任何一点与坐标的对应关系,类似于数轴上点与坐标的对应关系。
采用直角坐标,几何形状可以用代数公式明确的表达出来。几何形状的每一个点的直角坐标必须遵守这代数公式。
笛卡尔坐标系是由法国数学家勒内·笛卡尔创建的。1637年,笛卡尔发表了巨作《方法论》。这本专门研究与讨论西方治学方法的书,提供了许多正确的见解与良好的建议,对于后来的西方学术发展,有很大的贡献。
为了显示新方法的优点与果效,以及对他个人在科学研究方面的帮助,在《方法论》的附录中,他增添了另外一本书《几何》。有关笛卡尔坐标系的研究,就是出现于《几何》这本书内。
笛卡尔在坐标系这方面的研究结合了代数与欧几里得几何,对于后来解析几何、微积分、与地图学的建树,具有关键的开导力。
数学家笛卡尔的小故事
在笛卡尔之前,几何是几何,代数是代数,它们各自为政,互不相扰。但是,传统的几何过分依赖图形和形式演绎,而代数又过分受法则和公式的限制,这一切都制约了数学的发展。有一天,一位年轻的军官突发奇想,能不能找到一种方法,架起沟通代数与几何的桥梁呢?这位年轻的军官就是笛卡尔,这个问题苦苦折磨着他。在没有战事的军队中,他常常花费大量的时间去思考它。
1619年,笛卡尔所在军队的军营驻扎在多瑙河旁。11月的一天,他因病躺在了床上,无所事事的他又想起了那个折磨他很久的问题。
天花板上,一只小小的蜘蛛从墙角慢慢地爬过来,吐丝结网,忙个不停。从东爬到西,从南爬到北。要结一张网,小蜘蛛该走多少路啊!笛卡尔就开始想如何去算蜘蛛走过的路程。他先把蜘蛛看成一个点,那么这个点离墙角有多远呢?离墙的两边多远? 昏昏沉沉的,他思考着,计算着,病中的他又睡着了。
梦中,他好像看见蜘蛛还在爬,离两边墙的距离也是一会儿大些,一会儿小些……他好像悟出了什么,又看到了什么,大梦醒来的笛卡尔茅塞顿开:要是知道蜘蛛和两墙之间的距离关系,不就能确定蜘蛛的位置吗?确定了位置后,自然就能算出蜘蛛走的距离了。
于是,他郑重地写下了一个定理:在互相垂直的两条直线下,一个点可以用到这两条直线的距离,也就是两个数来表示,这个点的位置就被确定了。
这个发现在我们现在看来毫不稀奇,那不就是坐标图吗?中学生的课本上多了去了,算什么呢?可是,这在当时可真是一个了不起的发现,这是第一次用数形结合的方式将代数与几何联起来了。它使几何概念用数来表示,几何图形也可以用代数形式来表示。这是解析几何学诞生的曙光,沿着这条思路前进,在众多数学家的努力下,数学的历史发生了重要的转折,解析几何学最终被建立起来。
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