解析幾何的誕生是變量數學的第一個裡程碑,它是人類首次將幾何圖形和代數式聯繫在一起,人們不但獲得了簡便的證明方法,還意識到數學的每個分支都是想通的。解析幾何的誕生促使數學家們把目光轉向變量和函數,為微積分的創立搭建了舞臺。
說到解析幾何,幾乎所有的人都會想到笛卡爾。1637年,笛卡爾在他劃時代的巨作《幾何學》中論述了代數與幾何的結合,證明了幾何結構與代數運算的等價性,建立了點與實數的對應關係,把「形」(點、線、面)和「數」統一起來,建立了曲線和方程的對應關係,標誌著解析幾何的誕生,因此,笛卡爾也被後人尊稱為解析幾何之父。
笛卡爾
其實除了笛卡爾,還有一位數學家為解析幾何的誕生做出了巨大貢獻,他就是業餘數學之王——費馬。
費馬大法官是法國數學家、物理學家,他一生從未受過專門的數學教育,對數學的研究只是他的業餘愛好,但是很多數學領域取得了巨大的成就,除了在數論領域中提出的費馬大定理和費馬小定理,他還是古典概率論的奠基人,是微積分的思想先驅,對於微積分誕生的貢獻僅次於牛頓和萊布尼茨,而我們今天要說的是他在解析幾何方面的成就。
費馬
費馬獨立於笛卡兒發現了解析幾何的基本原理,應該說解析幾何的真正發明應該歸功於笛卡爾和費馬兩個人,他們工作的出發點不同,但卻殊途同歸。
與笛卡爾不同,費馬工作的出發點是恢復失傳的阿波羅尼奧斯(古希臘幾何學家)的著作《平面軌跡》,他用代數方法對書中關於軌跡的失傳的證明進行補充,並對古希臘幾何學尤其是圓錐曲線論進行總結和整理,進而對曲線進行研究。在研究的基礎行,1630年費馬撰寫了《平面與立體軌跡引論》。
在這本書中他闡述了自己的解析幾何原理:「只要在最後的方程中出現兩個未知數,我們就有一條軌跡,這兩個量之一的末端描繪出一條直線或曲線,直線只有一種,而曲線的種類則有無限種可能,可以是圓、拋物線、橢圓等等。」
1660年費馬的手稿
在書中費馬定義了以下曲線:
不僅如此,費馬在書中還提出並使用了坐標的概念,包括斜坐標和直角坐標,他稱所指的未知量其實就是變量,也就是我們今天所說的橫坐標和縱坐標。
其實費馬發現解析幾何的基本原理比笛卡爾還要早7年,但他的這一成果遲遲沒有出版,直到1679年他的兒子才整理並出版了他的遺作,這時候費馬已經去世14年了。雖然關於解析幾何的誕生,費馬和笛卡爾之間也精力了一場曠日持久的鬥爭,但是他們兩人在解析幾何上的研究最終導致了17世紀後期微積分的創立,兩個人都對17世紀的數學做出重大貢獻。
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