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數(shù)學(xué)家的故事:解析幾何之父

來源:網(wǎng)絡(luò)資源 文章作者:奧數(shù)網(wǎng)整理 2018-08-18 23:45:51

  勒內(nèi)·笛卡爾,1596年3月31日生于法國安德爾-盧瓦爾省的圖賴訥拉海,1650年2月11日逝世于瑞典斯德哥爾摩,是法國著名的哲學(xué)家、數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家。他是西方近代哲學(xué)奠基人之一。

  他對(duì)現(xiàn)代數(shù)學(xué)的發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn),因?qū)缀巫鴺?biāo)體系公式化而被認(rèn)為是解析幾何之父。他還是西方現(xiàn)代哲學(xué)思想的奠基人,是近代唯物論的開拓者且提出了普遍懷疑的主張。他的哲學(xué)思想深深影響了之后的幾代歐洲人,開拓了歐陸理性主義哲學(xué)。人們?cè)谒哪贡峡滔铝诉@樣一句話:“笛卡爾,歐洲文藝復(fù)興以來,第一個(gè)為人類爭(zhēng)取并保證理性權(quán)利的人。”

  數(shù)學(xué)家笛卡爾的成就

  笛卡爾對(duì)數(shù)學(xué)最重要的貢獻(xiàn)是創(chuàng)立了解析幾何。在笛卡爾時(shí)代,代數(shù)還是一個(gè)比較新的學(xué)科,幾何學(xué)的思維還在數(shù)學(xué)家的頭腦中占有統(tǒng)治地位。笛卡爾致力于代數(shù)和幾何聯(lián)系起來的研究,并成功地將當(dāng)時(shí)完全分開的代數(shù)和幾何學(xué)聯(lián)系到了一起。于1637年,在創(chuàng)立了坐標(biāo)系后,成功地創(chuàng)立了解析幾何學(xué)。他的這一成就為微積分的創(chuàng)立奠定了基礎(chǔ),而微積分又是現(xiàn)代數(shù)學(xué)的重要基石。解析幾何直到現(xiàn)在仍是重要的數(shù)學(xué)方法之一。

  笛卡爾不僅提出了解析幾何學(xué)的主要思想方法,還指明了其發(fā)展方向。在他的著作《幾何》中,笛卡爾將邏輯,幾何,代數(shù)方法結(jié)合起來,通過討論作圖問題,勾勒出解析幾何的新方法,從此,數(shù)和形就走到了一起,數(shù)軸是數(shù)和形的第一次接觸。并向世人證明,幾何問題可以歸結(jié)成代數(shù)問題,也可以通過代數(shù)轉(zhuǎn)換來發(fā)現(xiàn)、證明幾何性質(zhì)。笛卡爾引入了坐標(biāo)系以及線段的運(yùn)算概念。他創(chuàng)新地將幾何圖形‘轉(zhuǎn)譯’代數(shù)方程式,從而將幾何問題以代數(shù)方法求解,這就是今日的“解析幾何”或稱“座標(biāo)幾何”。

  解析幾何的創(chuàng)立是數(shù)學(xué)史上一次劃時(shí)代的轉(zhuǎn)折。而平面直角坐標(biāo)系的建立正是解析幾何得以創(chuàng)立的基礎(chǔ)。直角坐標(biāo)系的創(chuàng)建,在代數(shù)和幾何上架起了一座橋梁,它使幾何概念可以用代數(shù)形式來表示,幾何圖形也可以用代數(shù)形式來表示,于是代數(shù)和幾何就這樣合為一家人了。

  此外,現(xiàn)在使用的許多數(shù)學(xué)符號(hào)都是笛卡爾最先使用的,這包括了已知數(shù)a,b,c以及未知數(shù)x,y,z等,還有指數(shù)的表示方法。他還發(fā)現(xiàn)了凸多面體邊、頂點(diǎn)、面之間的關(guān)系,后人稱為歐拉-笛卡爾公式。還有微積分中常見的笛卡爾葉形線也是他發(fā)現(xiàn)的。

  笛卡爾坐標(biāo)系

  在數(shù)學(xué)里,笛卡爾坐標(biāo)系(Cartesian坐標(biāo)系),也稱直角坐標(biāo)系,是一種正交坐標(biāo)系。二維的直角坐標(biāo)系是由兩條相互垂直、0點(diǎn)重合的數(shù)軸構(gòu)成的。在平面內(nèi),任何一點(diǎn)的坐標(biāo)是根據(jù)數(shù)軸上對(duì)應(yīng)的點(diǎn)的坐標(biāo)設(shè)定的。在平面內(nèi),任何一點(diǎn)與坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,類似于數(shù)軸上點(diǎn)與坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

  采用直角坐標(biāo),幾何形狀可以用代數(shù)公式明確的表達(dá)出來。幾何形狀的每一個(gè)點(diǎn)的直角坐標(biāo)必須遵守這代數(shù)公式。

  笛卡爾坐標(biāo)系是由法國數(shù)學(xué)家勒內(nèi)·笛卡爾創(chuàng)建的。1637年,笛卡爾發(fā)表了巨作《方法論》。這本專門研究與討論西方治學(xué)方法的書,提供了許多正確的見解與良好的建議,對(duì)于后來的西方學(xué)術(shù)發(fā)展,有很大的貢獻(xiàn)。

  為了顯示新方法的優(yōu)點(diǎn)與果效,以及對(duì)他個(gè)人在科學(xué)研究方面的幫助,在《方法論》的附錄中,他增添了另外一本書《幾何》。有關(guān)笛卡爾坐標(biāo)系的研究,就是出現(xiàn)于《幾何》這本書內(nèi)。

  笛卡爾在坐標(biāo)系這方面的研究結(jié)合了代數(shù)與歐幾里得幾何,對(duì)于后來解析幾何、微積分、與地圖學(xué)的建樹,具有關(guān)鍵的開導(dǎo)力。

  數(shù)學(xué)家笛卡爾的小故事

  在笛卡爾之前,幾何是幾何,代數(shù)是代數(shù),它們各自為政,互不相擾。但是,傳統(tǒng)的幾何過分依賴圖形和形式演繹,而代數(shù)又過分受法則和公式的限制,這一切都制約了數(shù)學(xué)的發(fā)展。有一天,一位年輕的軍官突發(fā)奇想,能不能找到一種方法,架起溝通代數(shù)與幾何的橋梁呢?這位年輕的軍官就是笛卡爾,這個(gè)問題苦苦折磨著他。在沒有戰(zhàn)事的軍隊(duì)中,他常常花費(fèi)大量的時(shí)間去思考它。

  1619年,笛卡爾所在軍隊(duì)的軍營駐扎在多瑙河旁。11月的一天,他因病躺在了床上,無所事事的他又想起了那個(gè)折磨他很久的問題。

  天花板上,一只小小的蜘蛛從墻角慢慢地爬過來,吐絲結(jié)網(wǎng),忙個(gè)不停。從東爬到西,從南爬到北。要結(jié)一張網(wǎng),小蜘蛛該走多少路。〉芽柧烷_始想如何去算蜘蛛走過的路程。他先把蜘蛛看成一個(gè)點(diǎn),那么這個(gè)點(diǎn)離墻角有多遠(yuǎn)呢?離墻的兩邊多遠(yuǎn)?昏昏沉沉的,他思考著,計(jì)算著,病中的他又睡著了。夢(mèng)中,他好像看見蜘蛛還在爬,離兩邊墻的距離也是一會(huì)兒大些,一會(huì)兒小些……他好像悟出了什么,又看到了什么,大夢(mèng)醒來的笛卡爾茅塞頓開:要是知道蜘蛛和兩墻之間的距離關(guān)系,不就能確定蜘蛛的位置嗎?確定了位置后,自然就能算出蜘蛛走的距離了。于是,他鄭重地寫下了一個(gè)定理:在互相垂直的兩條直線下,一個(gè)點(diǎn)可以用到這兩條直線的距離,也就是兩個(gè)數(shù)來表示,這個(gè)點(diǎn)的位置就被確定了。這個(gè)發(fā)現(xiàn)在我們現(xiàn)在看來毫不稀奇,那不就是坐標(biāo)圖嗎?中學(xué)生的課本上多了去了,算什么呢?可是,這在當(dāng)時(shí)可真是一個(gè)了不起的發(fā)現(xiàn),這是第一次用數(shù)形結(jié)合的方式將代數(shù)與幾何聯(lián)起來了。它使幾何概念用數(shù)來表示,幾何圖形也可以用代數(shù)形式來表示。這是解析幾何學(xué)誕生的曙光,沿著這條思路前進(jìn),在眾多數(shù)學(xué)家的努力下,數(shù)學(xué)的歷史發(fā)生了重要的轉(zhuǎn)折,解析幾何學(xué)最終被建立起來。

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