《幾何原本》選讀與解說

《幾何原本》是經受時光洗禮流傳至今的最早的數學專著之一,不過也可以視為是漫漫歷史中其他數學專著失傳的“罪魁禍首”,因為在題材上被《幾何原本》涵蓋到的專著在跟這部偉大著作競爭時,大都落敗隕滅瞭——而且更“糟糕”的是,《幾何原本》在題材上的涵蓋面偏偏是相當廣的,並不限於幾何,其全書共分13卷,先後論述瞭直邊形、圓、比例論、相似形、數論、立體幾何以及窮竭法等內容,幾乎“通吃”瞭古代所有的數學領域。在之後兩千多年的時間裡,幾乎可以這麼說:幾何就是歐幾裡得幾何,甚至就是《幾何原本》——正如19世紀的英國數學傢奧古斯塔斯·德·摩根 (Augustus De Morgan) 所言:“從來不曾有過,並且在親眼見到之前我們也決不該相信,會有任何值得一提的幾何體系,包含任何與歐幾裡得所定方案有偏差的材料”。《幾何原本》成瞭一個巨大典范,“在那裡,世界第一次目睹瞭一個邏輯體系的奇跡,這個邏輯體系的步步推進是如此精密,使得它的每個命題都絕對無可置疑”。這“第一次目睹”給世界留下的印象是如此深刻,以至於,小到以諸如“證畢”表示證明結束的習慣,大到以公理化體系作為理論構築和表述的基本手段,都被廣泛模仿。

言歸正傳,我們來看看神作《幾何原本》到底是如何煉成的。

歐幾裡德公理體系

翻開書的第一卷的第一頁,便是23個定義和5個公設及5條公理。

23個定義:

1.點是沒有部分的東西。

(筆者註:換言之,點隻占有位置而沒有大小,即點的長度 d=0。這是修正畢達哥拉斯學派d>0的失敗而得到的。然而,在談論線段的長度時,歐幾裡得直接訴諸於常識,根本不用這個定義,避開瞭“由沒有長度的點累積成有長度的線段”之困局。這個困局在初等數學中確實可以避開,但在微積分中卻是不得不面對的首要問題。)

2.線隻有長度而沒有寬度。

(筆者註:點和線是用於描述形狀的基本模型,所以首先定義,而且定義都是借助於直覺的,利用思維慣性加以抽象,當一個物體的部分越來越小直到忽略不計時,就是一個點,但物體還在;世界上有很多線狀的東西,當我們不考慮其粗細時,就變成瞭隻有長度的線。同時,這裡的線,以及後面的面,都是指有限的線段和面域,無限的線和面都是通過公設2線的延長構造出來的。)

3.一線的兩端是點。

(筆者註:線與點的關系,線可以截斷成更短的線,截斷處都是端點,巧妙避開瞭線上有多少點這種問題;線又可以延長(公設2)成更長的線,就像自然數那樣加到很大很長,但避開瞭無窮。)

4.直線是它上面的點一樣地平放著的線。

(筆者註:顯然這樣的定義隻是一個日常生活中的直觀概念,是極其不嚴格的。但是話說回來,能怎麼辦呢,有瞭直線才有距離,才有之後的概念,直線的定義你真的傷不起。後來的研究表明,不同的直線概念能產生瞭不同的幾何,Hilbert幹脆用公理來確定:幾何學就是給直線一個定義,隻要給出一個直線的定義,就有一套幾何學!)

5.面隻有長度和寬度。

(筆者註:點、線是用於描述形狀的基本模型,加上面,就可以圍起來構成立體瞭。)

6.面的邊緣是線。

7.平面是它上面的線一樣地平放著的面。

(筆者註:面與線的關系,仿照瞭線與點的關系,這平面與直線概念一樣地讓人尷尬,但又能怎麼辦呢,平放的才叫直和平,放的規則不同,就是不同的幾何。。。)

(筆者再註:好,前7條已經把模型構建好瞭,舞臺搭起來,演出可以開始,我們可以想象,有一個平面,它上面有很多平放著的線,平放著的線可以截斷,產生很多端點,端點可以相連構成新的線(公設1),線也可以延長(公設2),隨著線的延長,面也在擴張,於是,一個巨大的富含內容的平面就構造出來瞭。)

8.平面角是在一平面內但不在一條直線上的兩條相交線相互的傾斜度。

(筆者註:角是相交線的傾斜性質的度量,最小的是不傾斜0,最大的是顛倒過來180°,也是不傾斜,這樣就構成瞭循環;後面的射線角則增加到360°一個循環。另外,相交線沒有規定為直線!)

9.當包含角的兩條線都是直線時,這個角叫做直線角。

10.當一條直線和另一條直線交成鄰角彼此相等時,這些角每一個被叫做直角,而且稱這一條直線垂直於另一條直線。

(筆者註:特殊情況,鄰角相等時叫直角。公設4規定,直角都相等。)

11.大於直角的角稱為鈍角。

12.小於直角的角稱為銳角

13.邊界是物體的邊緣。

(筆者註:邊界可以是線,也可以是面。)

14.圖形是一個邊界或者幾個邊界所圍成的。

(筆者註:這個定義很新穎,我們看到的圖形都是面域,而他看到的是框。)

15.圓:由一條線包圍著的平面圖形,其內有一點與這條線上任何一個點所連成的線段都相等。

(筆者註:圓是一個封閉的線,圓心在哪兒不重要。)

16.這個點(指定義15中提到的那個點)叫做圓心。

17.圓的直徑是任意一條經過圓心的直線在兩個方向被圓截得的線段,且把圓二等分。

18.半圓是直徑與被它切割的圓弧所圍成的圖形,半圓的圓心與原圓心相同。

19.直線形是由直線圍成的,三邊形是由三條直線圍成的,四邊形是由四條直線圍成的,多邊形是由四條以上直線圍成的。

(筆者註:直線角,直線形!)

20.在三邊形中,三條邊相等的,叫做等邊三角形;隻有兩條邊相等的,叫做等腰三角形;各邊不等的,叫做不等邊三角形。

21.此外,在三邊形中,有一個角是直角的,叫做直角三角形;有一個角是鈍角的,叫做鈍角三角形;有三個角是銳角的,叫做銳角三角形。

22.在四邊形中,四邊相等且四個角是直角的,叫做正方形;角是直角,但四邊不全相等的,叫做長方形;四邊相等,但角不是直角的,叫做菱形;對角相等且對邊相等,但邊不全相等且角不是直角的,叫做斜方形;其餘的四邊形叫做不規則四邊形。

(筆者註:這幾個定義真的是沒有任何異議,所有情況全說到,倘若平時我們也這樣說話,那便沒有誤解瞭!)

23.平行直線是在同一個平面內向兩端無限延長不能相交的直線。

II 五條公設:

1.過相異兩點,能作且隻能作一直線。

2.線段(有限直線)可以任意地延長。

3.以任一點為圓心、任意長為半徑,可作一圓。

4.凡是直角都相等。

5.兩直線被第三條直線所截,如果同側兩內角和小於兩個直角,則兩直線作延長時在此側會相交。

(筆者註:任何讀到上述五條公設的人幾乎必然會註意到一個特點,那就是:第五公設與前四條公設相比實在太繁復瞭,簡直就像一條定理。雖然從邏輯上講,公設(以及公理和定義)無非是一個公理體系的推理起點,繁復與否並不妨礙功能,但自古以來,對公設(以及公理)的一個重要判據就是自明性——或者用亞裡士多德的話說,必須是明顯為真卻無法證明的命題,而表述繁復會損及自明性。第五公設的情形正是如此。

對第五公設的批評或不滿,除瞭表述繁復損及自明性這一泛泛觀感外,還有兩條主要的理由:一是第五公設的逆命題(第一卷命題17)和否命題(命題27和28)的表述繁復程度與第五公設相若,卻都是定理——這很讓人們懷疑第五公設的公設地位;二是倘若歐幾裡得對第五公設的表述不是那麼繁復,而代之以等價的“過直線外的任意一點隻有一條直線與之平行”,也許第五公設就不會那麼吸引眼球,從而也不會引發那麼多探索瞭。

但歐幾裡得為何采用如此繁復的表述呢,如今隻能猜測瞭。一種可能是為瞭避免無窮,“過直線外的任意一點隻有一條直線與之平行”是不能在有限范圍內確認的——因為無論檢驗過多大的范圍,兩條看似平行的直線都仍可能會在檢驗范圍之外相交;第二種可能是歐幾裡得已經感知到這條公設的不尋常之處,故意讓其吸引眼球,以引發後世的探索。從數學史的角度講,這是非常成功的,對第五公設孜孜不倦的探索導致瞭非歐幾何的誕生,對數學乃至物理的影響都極其深遠。)

III 五條公理:

1.跟同一個量相等的兩個量相等。

2.等量加等量,其和相等。

3.等量減等量,其差相等。

4.完全疊合的兩個圖形是全等的。

5.全量大於分量。

這之後便是48個命題,從定義和公理公設出發,以層層遞推的方式,形成一條無比確切的邏輯鏈,在確定的前提之下,每個命題都絕對無可置疑。但另一方面,歐幾裡德幾何的公理公設並不完備。例如,命題1:任意線段都是三角形的一部分。他用通常的方法進行構造:以線段為半徑,分別以線段的兩個端點為圓心作圓,將兩個圓的交點作為三角形的第三個頂點。然而,他的公理並不保證這兩個圓必定相交。因此,許多公理系統的修訂版本被提出,其中有希爾伯特公理系統。

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