追本溯源 | 前世今生話「斜率」

2021-02-14 邊搖擺邊學數學

早在17世紀,解析幾何的發明者之一、法國「業餘數學家之王」費馬已經證明:二元一次方程

表示直線,但他並沒有進一步討論係數 a、b、c 的幾何意義,這種情況一直持續了大約一個半世紀。

19世紀初,英國數學家哈密頓(Hamilton)證明了二元一次方程

表示直線,並且這個方程可化為

的形式,並推導出

可見,此時雖然沒有斜率概念,但數學家們已經知道 a 等於直線與x軸的夾角的正切值。

我們至少知道了:沒有斜率的直線「斜截式」方程是長這樣的——

很快,人們從方程

出發,深入探討了直線的斜截式、兩點式、截距式方程,並求出了關於a的兩點坐標公式:

顯然,斜率概念已經呼之欲出了,但1874年以前(距離費馬的發現已經差不多兩個世紀了),「斜率」一詞沒有出現在任何一本專著或教科書中。

「斜率(slope)」一詞最早出現在測繪學中,表示「斜坡」、「斜率」,主要用來刻畫平面的傾斜程度。

例如,有這樣兩個斜坡,第一個斜坡的傾斜程度相當於在水平方向前進2 km,豎直方向上升2 km,那麼坡度(就是斜率)就是2:2=1(相當於坡角的正切值);

而另一個斜坡的傾斜程度相當於在水平方向前進2 km,豎直方向上升3 km,那麼其坡度就是3:2=1.5;

顯然第二個斜坡的斜率更大、更陡峭。

1875年,美國數學家佩克(W.G. Peck)最早把「斜率」概念引進數學領域,並指出:「斜率」一詞與工程中的「梯度」、「坡度」是同義詞,至此,數學中才有了「斜率」這個概念。

在佩克主編的解析幾何教科書中,首先定義了傾斜角及其範圍,然後給出過兩點

的直線的傾斜角公式:

最後將「傾斜角的正切值」稱為「斜率」,並討論了斜率的正負值與傾斜角大小之間的關係,但沒討論斜率為零或不存在的情形。

19世紀80年代起,陸續有數學家對斜率作出完整的討論,例如1891年,英國數學家哈代(Hardy)對直線的斜率和截距做了完整的討論,至此,斜率作為直線的基本概念得以完整的體現其價值。

一、根據以上史實,我們不難得出以下結論:

1、歷史上斜率概念的出現要比直線方程晚得多,斜率概念並非直線方程的必要條件;

2、傾斜角概念的使用要早於斜率的概念;

3、在進入數學界之前,斜率本身就等於坡腳的正切,並用來刻畫斜坡的傾斜程度,它和已知的直線「斜截式」方程

中的a的含義完全相同,因此,用傾斜角的正切來定義斜率是順其自然的,也是唯一的選擇。這就是「為什麼要用傾斜角的正切而不是正弦或餘弦來定義斜率」這個問題的答案。

二、為什麼有了傾斜角,還要引入斜率來描述直線的傾斜程度呢?

1、解析幾何的基本思想是:將幾何問題代數化,用代數運算研究幾何問題。能夠實現這些的基本紐帶是——點與坐標一一對應。由於兩點確定一條直線,所以從代數化的角度分析,就是如何由直線上兩點的坐標來確定傾斜角,進而表示出直線的傾斜程度。

2、如果沒有斜率,雖然直線方程也能簡化為

等形式,但方程中x、y的係數的幾何意義不明確,不利於深入探討和發現。

3、從微積分的視角看,可導函數在某個點處的瞬時變化率(導數)就是該點處的切線的斜率,這對於我們形象的理解導數概念、函數的增減性、凹凸性等是很有幫助的;

4、在物理學中,用斜率來理解和計算平均速度、瞬時速度、加速度等是很方便的。

5、斜率可以幫助我們更好的理解,推導,理解公式以及其他各個方面……

以上就是侯哥從歷史的角度對兩個「為什麼」的問題進行的解答,如有不妥之處,望請讀者朋友們留言探討。

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