【物理數學】數學家的故事丨從笛卡爾到解析幾何

2021-01-14 環球物理

你是否為了那條心臟線而驚嘆數學之美?

你是否認為數形結合是一種完美的思想?

你是否感覺到了解析幾何的奇巧與精妙?

今天,就讓我們走進解析幾何之父——笛卡爾

了解他的故事吧!

中文名字

勒內·笛卡爾

出生日期

1596年3月31日

身屬國籍

法國

英文名字

Rene Descartes

出生地點

安德爾-羅亞爾省

逝世日期

1650年2月11日

勒內·笛卡爾1596年3月31日生於法國安德爾-羅亞爾省的圖賴訥(現笛卡爾,因笛卡兒得名),1650年2月11日逝世於瑞典斯德哥爾摩,是世界著名的法國哲學家、數學家、物理學家。他對現代數學的發展做出了重要的貢獻,因將幾何坐標體系公式化而被認為是解析幾何之父。他還是西方現代哲學思想的奠基人,是近代唯物論的開拓者且提出了"普遍懷疑"的主張。黑格爾稱他為"現代哲學之父"。他的哲學思想深深影響了之後的幾代歐洲人,開拓了所謂"歐陸理性主義"哲學。堪稱17世紀的歐洲哲學界和科學界最有影響的巨匠之一,被譽為"近代科學的始祖"。

少年時期

少年時期他上過一所環境優雅的耶穌會學校──尖塔中學。二十歲在普瓦提埃大學獲得法律學學位。雖然笛卡爾受過良好的教育,但他卻認為除了數學以外任何其它領域的知識皆是有懈可擊的。從此,他沒有繼續接受正規教育,而是決定漫遊整個歐洲,開闊視野,見悉世面。由於笛卡爾的家庭經濟富裕,足以使他囊滿無掛,悠哉遊哉。

長大以後

從1616年到1628年,笛卡爾做了廣泛的遊歷。他曾在三個軍隊中(荷蘭、巴伐利亞和匈牙利)短期服役,但從未參加任何戰鬥。觀光過義大利、波蘭、丹麥及其它許多國家。在這些年間,系統陳述了所發現真理的一般方法。五十二歲時,決定用此方法將世界做個綜合性的描述。1629年寫了<思維指南錄>一書,概述了他的方法。在1630年到1634年期間,笛卡爾運用自己的方法研究科學。為了能學到更多的解剖學和生理學知識,親自做解剖。在光學、氣象學、數學及其他幾個學科領域內都獨立從事過重要研究。

唏噓離世

1649年,笛卡爾接受了瑞典女王克裡斯蒂的慷慨之邀,來到斯德哥爾摩做她的私人教師。笛卡爾喜歡溫暖的臥室,總是習慣晚些起床。當他得知女王讓他清早五點鐘去上課,他深感焦慮不安。笛卡爾擔心早上五點鐘那刺骨的寒風會要了他的命。果然不出所料,他很快就患了肺炎,1650年2月,在他達瑞典僅四個月後,被病魔奪去了生命。

笛卡爾在1637年發表了最有名的著作《正確思維和發現科學真理的方法論》,通常簡稱為《方法論》。《方法論》是用法文而不是用拉丁文寫成的,一切有文化的人都可以通讀,包括沒有學過古典語言的人。在《方法論》中附有三篇論文,在這三篇論文中笛卡爾給出了用自己的方法做出發明的例子。第一篇《光學》論文中,笛卡爾提出了光的折射定律(但是這個定律在此之前就已被威勒勃勞德·斯內爾發現);討論了透鏡和多種其它光學儀器;描述了眼睛的功能及病態的原因;提出了一種光的學說,後來為克裡斯琴·海更斯系統闡述的光波學說揭開了序幕。第二篇論文第一次用現代的觀點來探索氣象,討論了雲雨風,正確解釋了彩虹的形成原因。批駁熱是一種不可見的流體組成的觀念,指出熱是一種內在運動形式的正確推論(但是這個推論以前已由弗朗西斯,培根和其他人提出過)。在第三篇論文中,笛卡爾介紹了解析幾何。這是一項重大的數學進展,為牛頓發明微分開闢了道路。


笛卡爾強調科學的目的在於造福人類,使人成為自然界的主人和統治者。他反對經院哲學和神學,提出懷疑一切的「系統懷疑的方法」。但他還提出了「我思故我在」的原則,強調不能懷疑以思維為其屬性的獨立的精神實體的存在,並論證以廣延為其屬性的獨立物質實體的存在。他認為上述兩實體都是有限實體,把它們並列起來,這說明了在形上學或本體論上,他是典型的二元論者。笛卡爾還企圖證明無限實體,即上帝的存在。他認為上帝是有限實體的創造者和終極的原因。笛卡爾的認識論基本上是唯心主義的。他主張唯理論,把幾何學的推理方法和演繹法應用於哲學上,認為清晰明白的概念就是真理,提出「天賦觀念」。笛卡爾的自然哲學觀同亞里斯多德的學說是完全對立的。在他認為,所有物質的東西,都是為同一機械規律所支配的機器,甚至人體也是如此。同時他又認為,除了機械的世界外,還有一個精神世界存在,這種二元論的觀點後來成了歐洲人的根本思想方法。


在物理學方面,笛卡爾也有所建樹。他在<屈光學>中首次對光的折射定律提出了理論論證。他還解釋了人的視力失常的原因,並設計了矯正視力的透鏡。力學上笛卡爾則發展了伽利略運動相對性的理論,強調了慣性運動的直線性。笛卡爾發現了動量守恆原理。他還發展了宇宙演化論、漩渦說等理論學說,雖然具體理論有許多缺陷,但依然對以後的自然科學家產生了影響。

笛卡爾對數學最重要的貢獻是創立了解析幾何。笛卡爾成功地將當時完全分開的代數和幾何學聯繫到了一起。在他的著作<幾何>中,笛卡爾向世人證明,幾何問題可以歸結成代數問題,也可以通過代數轉換來發現、證明幾何性質。笛卡兒引入了坐標系以及線段的運算概念。笛卡爾在數學上的成就為後人在微積分上的工作提供了堅實的基礎,而後者又是現代數學的重要基石。此外,現在使用的許多數學符號都是笛卡爾最先使用的,這包括了已知數a, b, c以及未知數x, y, z等,還有指數的表示方法。他還發現了凸多面體邊、頂點、面之間的關係,後人稱為歐拉-笛卡爾公式。還有微積分中常見的笛卡爾葉形線也是他發現的。

1619年,23歲的笛卡爾在一支德國部隊服役,軍營駐紮在多瑙河旁,11月的一天,他因病躺在了床上,無所事事的他默默地思考著……20歲時,他大學畢業繼承父業,當了一名律師,當時法國的社會風氣是「非紅即黑」。也就是說,有志之士不是致力於宗教事業就是獻身於軍事,笛卡爾選擇了後者。軍旅中一個偶然機會,他解出了數學教授別克曼的一道難題。從此成了別克曼教授的上賓,在數學的海洋中漫遊,並遊進了深水區。他開始看到了傳統的幾何過分依賴圖形和形式演繹的缺陷。同時也深感代數過分受法則和公式的限制而缺乏活力。代數與幾何的各自為政、畫地為牢的狀況抑制了數學的發展,怎樣才能擺脫這種狀況,架起溝通代數與幾何的橋梁呢?這個問題苦苦折磨著年輕的笛卡爾。在沒有戰事的軍隊中,他常常有時間思考它。現在,他的思緒又回到了這個問題上……抬頭望著天花板,一隻小小的蜘蛛從牆角慢慢地爬過來,吐絲結網,忙個不停。從東爬到西,從南爬到北。要結一張網,小蜘蛛該走多少路啊!笛卡爾突發奇想,算一算蜘蛛走過的路程。他先把蜘蛛看成一個點,這個點離牆角多遠?離牆的兩邊多遠?……他思考著,計算著,病中的他睡著了……夢中他繼續在數學的廣闊天地中馳騁,好像悟出了什麼,又看到了什麼,大夢醒來的笛卡爾茅塞頓開,一種新的思想初露端倪:在互相垂直的兩條直線下,一個點可以用到這兩條直線的距離,也就是兩個數來表示,這個點的位置就被確定了。用數形結合的方式將代數與幾何的橋梁聯起來了。這就是解析幾何學誕生的曙光,沿著這條思路前進,在眾多數學家的努力下數學的歷史發生了重要的轉折,建立了解析幾何學。勤於思考才有學問的誕生,從無到有的突破笛卡爾做到了,身為數院學子的我們只是汲取前人所有的知識又有何做不到呢?不懈的努力加上奮力的拼搏,解析幾何它其實一點都不難!2.意志、悟性、想像力以及感覺上的一切作用,全由思維而來。

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    他對現代數學的發展做出了重要的貢獻,因將幾何坐標體系公式化而被認為是 解析幾何之父。他還是西方現代哲學思想的奠基人之一,是近代唯物論的開拓者,提出了「普遍懷疑」的主張。他的哲學思想深深影響了之後的幾代歐洲人,並為歐洲的「理性主義」哲學奠定了基礎。笛卡爾最為世人熟知的是其作為數學家的成就。
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