著寫流傳2300年數學經典,被世人稱為「幾何學之父」——歐幾裡得

2020-12-11 遇見數學

歐幾裡得,有時被稱為亞歷山大裡亞的歐幾裡得,以便區別於墨伽拉的歐幾裡得,希臘化時代的數學家,被稱為「幾何學之父」。他活躍於託勒密一世時期的亞歷山大裡亞,也是亞歷山太學派的成員。他在著作《幾何原本》中提出五大公設,成為歐洲數學的基礎。歐幾裡得也寫過一些關於透視、圓錐曲線、球面幾何學及數論的作品。歐幾裡得幾何被廣泛地認為是數學領域的經典之作。

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生平資料

歐幾裡得(Euclid)是希臘文Εκλεδη 的英化名字,意思是「好的名譽」。歐幾裡得生前活躍於亞歷山大圖書館,而且很有可能曾在柏拉圖學院學習。直到現在都無法得知歐幾裡得的生卒日期、地點和細節。直到現在,還沒有找到任何歐幾裡得在世時期所畫的畫像,所以現存的歐幾裡得畫像都是出於畫家的想像。

歐幾裡得的生平資料流傳到現在的很少,而大部分關於歐幾裡得的資料都是來自公元450年時普羅克洛的評論,及公元320年帕普斯的評論,距歐幾裡得有幾個世紀之久。

位於牛津大學自然歷史博物館的歐幾裡得

普羅克洛在他的《對幾何原本的評論》(Commentary on the Elements)中簡單的介紹了歐幾裡得。根據普羅克洛的說法,歐幾裡得屬於柏拉圖那一派,將《幾何原本》集合在一起,這些著作原來是由柏拉圖的學生(特別是歐多克索斯、泰阿泰德及歐普斯的腓力等)所寫的,普羅克洛認為歐幾裡得沒有比他們年輕多少,不過因為阿基米德(公元前287-212年)有提到歐幾裡得,他應該有活到託勒密一世的年代。阿基米德文章中有一些明顯引用歐幾裡得著作的段落,雖然後來發現是後人加入的,一般仍認為歐幾裡得寫作的年代比阿基米德要早。

幾何原本

《幾何原本》(古希臘語:Στοιχεα,Stoicheia)是古希臘數學家歐幾裡得所著的一部數學著作,共13卷。這本著作是現代數學的基礎,據估計在西方是僅次於《聖經》的出版版本最多的書籍。在四庫全書中規賴於子部天文算法算書類。

《幾何原本》雖然其中的許多內容是來自早期的數學家,但歐幾裡得的貢獻是將這些資料整理成單一的,有邏輯架構的作品,容易使用也容易參考,其中有嚴謹的數學證明系統,是後來2300年數學的基礎。

俄克喜林庫斯29號莎草紙,現存最早的幾何原本殘頁之一,在俄克喜林庫斯發現的,其年代約為西元後100年。插圖和第2卷的命題5相同

幾何原本對於幾何學、數學和科學的未來發展,對於西方人的整個思維方法都有極大的影響。《幾何原本》的主要對象是幾何學,但它還處理了數論、無理數理論等其他課題,例如著名的歐幾裡得引理和求最大公因數的歐幾裡得算法。幾何原本也說明完全數和梅森質數的關係(歐幾裡得-歐拉定理)、質數有無限多個(歐幾裡得定理)、有關因式分解的歐幾裡得引理(導出了算術基本定理及整數分解的唯一性)等。

歐幾裡得使用了公理化的方法。公理(Axioms)就是確定的、不需證明的基本命題,一切定理都由此演繹而出。在這種演繹推理中,每個證明必須以公理為前提,或者已被證明了的定理為前提。這一方法後來成了建立任何知識體系的典範,在差不多二千年間,被奉為必須遵守的嚴密思維的範例。《幾何原本》是古希臘數學發展的頂峰。歐幾裡得將公元前七世紀以來希臘幾何積累起來的豐富成果,整理在嚴密的邏輯系統運算之中,使幾何學成為一門獨立的、演繹的科學。

歐幾裡得在《幾何原本》中提到的幾何系統後來簡稱為幾何,長久以來視為唯一一種可能的幾何方式,不過當數學家在19世紀發現非歐幾裡得幾何後,上述的幾何就稱為歐幾裡得幾何。

中國最早的《幾何原本》譯本是1607年義大利傳教士利瑪竇和中國學者徐光啟根據德國神父克里斯多福·克拉維烏斯校訂增補的拉丁文本《歐幾裡得原本》(15卷)合譯的,定名為《幾何原本》,幾何的中文名稱就是由此而得來的。他們只翻譯了前6卷,後9卷由英國人偉烈亞力和中國科學家李善蘭在1857年譯出。

歐幾裡得算法

在數學中,輾轉相除法,又稱歐幾裡得算法(英語:Euclidean algorithm),是求最大公約數的算法。輾轉相除法首次出現於歐幾裡得的《幾何原本》(第VII卷,命題i和ii)中,而在中國則可以追溯至東漢出現的《九章算術》。

兩個整數的最大公約數是能夠同時整除它們的最大的正整數。輾轉相除法基於如下原理:兩個整數的最大公約數等於其中較小的數和兩數的差的最大公約數。例如,252和105的最大公約數是21(252=21×12; 105=21×5);因為 252 105 = 21 × (12 5) = 147 ,所以147和105的最大公約數也是21。在這個過程中,較大的數縮小了,所以繼續進行同樣的計算可以不斷縮小這兩個數直至其中一個變成零。這時,所剩下的還沒有變成零的數就是兩數的最大公約數。由輾轉相除法也可以推出,兩數的最大公約數可以用兩數的整數倍相加來表示,如21 = 5 × 105 + (2) × 252 。這個重要的結論叫做裴蜀定理。

輾轉相除法的演示動畫(圖自維基):

兩條線段長分別可表示252和105,則其中每一小分段長代表最大公約數21。如動畫所示,只要輾轉地從大數中減去小數,直到其中一段的長度為0,此時剩下的一條線段的長度就是252和105的最大公因數。

輾轉相除法有很多應用,它甚至可以用來生成全世界不同文化中的傳統音樂節奏。在現代密碼學方面,它是RSA算法(一種在電子商務中廣泛使用的公鑰加密算法)的重要部分。它還被用來解丟番圖方程,比如尋找滿足中國剩餘定理的數,或者求有限域中元素的逆。輾轉相除法還可以用來構造連分數,在施圖姆定理和一些整數分解算法中也有應用。輾轉相除法是現代數論中的基本工具。

輾轉相除法處理大數時非常高效,如果用除法而不是減法實現,它需要的步驟不會超過較小數的位數(十進位下)的五倍。拉梅於1844年證明了這點,同時這也標誌著計算複雜性理論的開端。

相關焦點

  • 歐幾裡得是希臘因《幾何原本》而流傳百世
    歐幾裡德(Ε'νκλειδη,Euclid of Alexandria),生活在亞歷山大城的歐幾裡得(約前330~約前275)是古希臘最享有盛名的數學家。以其所著的《幾何原本》(簡稱《原本》)聞名於世。《幾何原本》是我國歷史上最早翻譯的西方名著。歐幾裡得(Euclid)是古希臘著名數學家、歐氏幾何學開創者。
  • 歐幾裡得
    歐幾裡得(希臘文:Ευκλειδης ,公元前330年—公元前275年),古希臘數學家。濃鬱的文化氣氛深深地感染了歐幾裡得,當他還是個十幾歲的少年時,就迫不及待地想進入柏拉圖學園學習。一天,一群年輕人來到位於雅典城郊外林蔭中的柏拉圖學園。只見學園的大門緊閉著,門口掛著一塊木牌,上面寫著:「不懂幾何者,不得入內! 」這是當年柏拉圖親自立下的規矩,為的是讓學生們知道他對數學的重視,然而卻把前來求教的年輕人給鬧糊塗了。
  • 非歐幾裡得幾何學的重要性
    據說,在 19 世紀所有複雜的技術創造中間,最深刻的一個,非歐幾裡得幾何學,在技術上是最簡單的。這個創造引起數學的一些重要新分支,但它的最重要影響是迫使數學家們從根本上改變對數學的性質的理解以及對它和物質世界的關係的理解,並由此引出關於數學基礎的許多問題,這些問題在 20 世紀仍然進行著爭論。非歐幾裡得幾何是在歐幾裡得幾何領域中一系列長期努力所達到的頂點。
  • 偉大的數學家歐幾裡得
    歐幾裡得(希臘文:Ευκλειδη,公元前330年—公元前275年),古希臘數學家。他活躍於託勒密一世(公元前364年-公元前283年)時期的亞歷山大裡亞。被稱為「幾何之父」,數學巨著《幾何原本》的作者,亦是世界上最偉大的數學家之一。
  • 「幾何學中的哥白尼」:數學成果被質疑,卻在離世12年後成為經典
    曾經有這麼一位偉大的數學家,重大成果好不容易公布於眾,卻因為顛覆經典,遭到正統數學家的冷漠和反對。不僅如此,他因為堅持自己的數學理論,失去了大學校長的職務。這位備受委屈的數學家,就是非歐幾何的早期發現人之一,羅巴切夫斯基。
  • 著寫最早幾何學集大成之作,歐幾裡得曾是怎樣影響世界的?
    幾何學是數學中一個基礎分支,應用於人類許多領域。我們需要用幾何學來測量東西、理解形狀,並對我們所居住的這個空間進行度量。但是幾何學並不僅限於此:它與人類思想和生活的各個方面都相互作用,許多文化中都有它的發展。
  • 現代數學之幾何學的變革
    幾何學的家醜在現代代數學獲得新的發展的同時,幾何學的內部也正在發生著革命性的變化。歐幾裡得幾何在數學的嚴格性和推理性方面樹立了典範,2000多年的歷史積澱,對人類的思想影響深遠,貫穿著整個數學體系的發展。
  • 古希臘數學家幾何之父-歐幾裡得:科學上沒有專供國王行走的捷徑
    2000多年前,歐幾裡得就把數學學習分析的相當透徹了。「科學上沒有專供國王行走的捷徑」,簡單的一句話告訴我們,要想學好數學,沒有捷徑,唯有踏踏實實的學習。歐幾裡得其人其事說來很多人可能不太相信,我們現在所學的大部分的幾何知識都是來源於2200多年前的歐幾裡得的專注《幾何原本》,歐幾裡得是把幾何學系統化,條理化,科學化的第一人。
  • 歐幾裡得掀起2000年數學風波,被黎曼撲滅,還促成了相對論的誕生
    而之後,歐幾裡得總結了以前全部幾何學知識,建立起第一個幾何公理系統(歐幾裡得-希爾伯特幾何公理系統)。還編寫出《幾何原本》一書。這無疑是數學思想上的一次巨大革命,古典邏輯與歐氏幾何就是第一次危機的產物。歐幾裡得的《幾何原本》對數學的發展起到了巨大的推動作用,被譯成了世界各種文字,在它的發行量僅次於《聖經》而位居第二。
  • 數學巨人——歐幾裡得,是如何影響世界幾千年的?
    我記得我的數學教育是從數字開始的。首先是家長,然後是我的小學老師,教我如何計算小學數學。然而,2400年前,一切都完全不同,孩子們首先學習幾何。在耶穌之前,幾何學比數字更重要。例如,當西方世界上第一所高等教育機構的創始人柏拉圖回到雅典時,他決定成立「學院」,在那裡它將成為世界的知識中心。
  • 從結繩記事到千禧年大獎難題:數學簡史知識合集
    >中國古人發明的數學工具,是具有同樣長度和粗細的小棒.使用算籌進行計算的方法,則稱為籌算▌B.C. 445 — 芝諾悖論古希臘時期的詭辯術《幾何原本》"幾何學裡沒有王者之路."是古希臘數學家歐幾裡得所著的一部數學著作,共13卷, 在西方是僅次於《聖經》而流傳最廣的書籍▌B.C. 287 — 數學之神 - 阿基米德
  • 全世界的焦點,只因打敗了歐幾裡得空間,踹飛了數學怪物
    數千年以來,幾何學的研究主要集中在歐幾裡得幾何上。正因如此,歐式幾何一直是人類認識自然物體形狀的有力工具,還是各種學科理論的基礎。
  • 丘成桐:現代幾何學與計算機科學
    在歷史上,幾何學是數學的開始。古希臘數學家歐幾裡得(Ευκλειδης)¹(公元前330~前275年)將平面幾何的所有定理組合,發現這些定理都可以由五個公理推導出來,這是人類理性科學文明的重要裡程碑之一。
  • 歐幾裡得和他的《幾何原本》
    自成書兩千多年以來,一直流傳至今,經久不衰。它是第一本向人們展示了數學推理,歸納演繹的極致著作。它不僅奠定了幾何學的基礎,也是西方數學和哲學的集大成之作。明朝末期的徐光啟——《幾何原本》傳入中國的首位譯者,在評論該書時說:「此書為益能令學理者祛其浮氣,練其精心;學事者資其定法,發其巧思,故舉世無一人不當學。」
  • 幾何界「容」不下的歐幾裡得,給世界都留下了哪些財富?
    歐幾裡得很顯然,幾何是數學中一個非常有用的分支。我們需要用它去進行測量,用它來理解物體的形狀,還需要用它進行導航。但我想說的是幾何學的內涵比這些豐富的多:它與人類的思想和生活的各個方面都有關係。首先,讓我們介紹一下公認的「幾何學之父」:古希臘數學家歐幾裡得。歐幾裡得的工作是系統研究幾何學的最早的例子。當你做一個幾何中的一般性陳述時,例如畢達哥拉斯定理,如果你想證明這個定理,那麼你需要從一些不言而喻的陳述中將它推導出來。兩千年來,歐幾裡得的系統性方法似乎證明了有關幾何物體的各種真理,從而達到了確定性。
  • 數學趣味史:歐幾裡得「幾何之父」的名號竟然是這麼得來的?
    歐幾裡得是古希臘乃至世界歷史中最負盛名的數學家之一,歐幾裡得一生的成就將古希臘的數學研究推向了一個新的高度,其研究成果至今在學術界的影響依然十分深遠。並且,歐幾裡得也被如今的很多人尊敬地稱呼其為「幾何之父」那麼你知道歐幾裡得到底是為什麼才讓人們將他尊稱為「幾何之父」的嗎?
  • 數學史之希臘數學
    古代文化發展中的數學是多樣的。但是,希臘數學把邏輯推理和證明放在數學的C位。歷史記載,希臘數學可以追溯到公元前600年,然後保持發展和活躍延續到公元400年。根據古希臘幾何學史學家的說法,最早的希臘數學家是大約公元前600年的泰勒斯,畢達哥拉斯比他要晚一個世紀。據載,泰勒斯是試圖證明某些幾何定理第一人,包括在任意三角形的內角和等於兩個直角和、相似三角形的對應邊成比例、圓被它的任一直徑平分等定理。
  • 它打敗了歐幾裡得空間,踹飛了數學怪物,成為全世界的焦點
    數千年以來,幾何學的研究主要集中在歐幾裡得幾何上。正因如此,歐式幾何一直是人類認識自然物體形狀的有力工具,還是各種學科理論的基礎。甚至伽利略曾斷言:「大自然的語言是數學,它的標誌是三角形、圓和其他幾何圖形」。
  • 羅巴切夫斯基創立非歐幾裡得幾何學,彼得羅夫發現電弧和電氣分解
    羅巴切夫斯基於1792年12月1日出生於下諾夫哥羅德一個平民家庭,父親很早去世。1807年他進入喀山大學物理數學系學習。1811年羅巴切夫斯基獲得喀山大學的物理與數學碩士學位,並留校任教。1822年他年僅30歲時被推選為副教授。1827年年僅35歲的羅巴切夫斯基就擔任了喀山大學校長職務。
  • 幾何學遠不止歐幾裡得這麼簡單,非歐幾何才是現代幾何學的重點!
    幾何學包羅萬象,分支眾多,其分類其實並不是絕對的,我們從幾何學的發展大致可以將它分為歐氏幾何與非歐幾何,非歐幾何又分為羅氏幾何和黎曼幾何、仿影幾何和拓撲幾何等.雙曲線和拋物線)的幾何結構和度量性質(長度、面積、角度等),當然平面幾何自然的過渡到三維空間的立體幾何,為了計算面積和體積問題,人們已經開始涉及微積分的概念.笛卡爾引入坐標系之後,代數與幾何的關係變得明朗,且日益緊密,這就促使了解析幾何的產生,從解析幾何的角度出發,幾何圖形的性質可以歸結為方程的分析性質和代數性質.總體來講,歐氏幾何的幾何結構是平坦的空間結構背景下考察,沒有真正關注彎曲空間下的幾何結構.歐幾裡得幾何公理本質上是描述平坦空間的幾何特性