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第22章 数学的发展(1)

自然科学的重要学科——数学方面,有创立解析几何学的法国数学家、物理学家笛卡儿,有科学上的天才德国数学家、物理学家、天文学家高斯。笛卡儿创立解析几何学笛卡儿(1596~1650)笛卡儿,法国数学家、物理学家,出生于法国安德尔—卢瓦尔省。

笛卡儿的最大贡献是创立了解析几何学。在分析了几何学和代数学各自的缺陷以后,他找出了把两者结合起来的方法,这就是解析几何学。笛卡儿的基本思想是,在平面上建立点的坐标,而一条曲线就可以由一个含两个变数的代数方程来表示。这样把一个几何问题通过坐标系归结为代数方程。用代数方程研究这个方程性质后,再翻译成几何语言,就得出几何问题的解法。笛卡儿用这种方法研究了具有两个变数的二次方程,并指出了这种方程一般表示椭圆、双曲线或抛物线。

解析几何学的建立使变数进入了数学,引起了数学的深刻革命,解决了生产和科学技术中的许多重大问题,大大促进了生产和科学技术的发展。梦中的灵感

那是一个深秋的夜晚,年轻的士兵笛卡儿正躺在军用帐篷里。一缕月光透过帐篷的缝隙照射在床上,让笛卡儿想起了天上的繁星。怎么给天上的每一颗星星确定位置,这是个笛卡儿日思夜想而不得其解的问题。

今晚,他的思绪特别活跃,以至于很难入睡。如果有一张星星的位置图。可是天上的星星那么多,而且星空也不断地变化,怎么可能画好呢?即使画出来了,要寻找某一颗星星时,还得拿出整张图来,多么不方便!要是能用几个简单的数字来表示就好了。

突然,一阵哨声响起,帐篷外传来了教官的脚步声,是教官来查营了。

笛卡儿赶紧起身,敬礼道:“您好,长官!”

教官回礼后,将笛卡儿拉出了帐篷,说:“你不是整天想要用数字来表示天上的星星的位置吗?”

“是的,长官!”笛卡儿一听到这话,非常兴奋,“可是,怎么表示呢?”

只见教官从身后抽出2支箭,将箭搭成一个“十”字形,并将这“十”字高举过头,对笛卡儿说:“你看,假设我们把天空看成一个平面,这个‘十’字架将平面分成4个部分。再假定这2支箭能朝4个方向射得无限远,那么,无论天上有多少颗星星,每一颗星星只要向这2支箭上分别引出2条垂直线,就可以得到2个数字。这样,这颗星星的位置不就能轻而易举地确定了吗?”

“对呀!”笛卡儿恍然大悟,兴奋不已,猛地抱住了长官。

突然,笛卡儿睁开眼睛,发现自己正紧紧地拥抱军用毛毯呢,根本就没有什么教官!原来只是一个梦。笛卡儿忙用力捏了一下自己的大腿,痛!刚才真的是在梦中。

不过,这个奇特的梦却启示了他。醒来后,笛卡儿马上整理了自己的思路,最后,坐标系在脑海里形成了。

首先,笛卡儿建立了2条数轴,它们之间垂直交叉,交叉点称为原点。这两条数轴分别命名为x轴和y轴。也就是今天的平面直角坐标系。有了这个坐标系之后,如果平面内有一点,并且已知这点分别到两条坐标轴的垂直距离,即可确定这一点的位置;反之亦然。这样,笛卡儿通过坐标系的建立,确定了平面上的点与有顺序的实数对(x,y)之间的一一对应关系,从而架起了一座沟通几何与代数的桥梁,为后来各门学科的进一步发展提供了简捷的手段。

科学上的天才——高斯高斯(1777~1855)高斯,德国数学家、物理学家、天文学家,他出生于不伦瑞克。

高斯童年时就显示出超人的数学才能,11岁发现二项式定理,15岁读完牛顿、拉格朗日等人的著作,并掌握了牛顿的微积分理论,18岁进入格廷根大学。在大学一年级时,他发明用圆规和直尺进行正十七边形的作图法,解决了2000年来悬而未决的几何难题。1801年他发表《算术研究》的重要著作,阐述数论和高等代数的某些问题。

高斯的曲面论是近代微分几何的开端,建立了最小二乘法,并曾发表3部有关著作。早在1818年他就提出关于非欧几里得几何学的思想。

在天文学方面,他创立一种可以计算星球椭圆轨道的方法,能准确预测出行星的位置。

1820~1830年,他写出《高等大地测量学对象研究》一书,并发明“日光反射器”。

1830~1840年,高斯与威廉·韦伯一起建立了电磁学中的高斯单位制(曾以“高斯”作为磁感应强度的单位),首创电磁铁电报机,还绘出世界上第一张地球磁场图,定出了磁南极和磁北极的位置。小河边的教训

有一天,小高斯和舅舅在河边玩,看到河的上游漂来一根木头,舅舅问小高斯:“小高斯,你说木头为什么不会沉下去?”

“木头轻呗!”小高斯不假思索地回答。

舅舅弯下腰,拾起一颗小石子,又问:“是这颗石子重还是那根木头重?”

“木头重,大木头重多啦!”

舅舅并不吱声,只见他用力一扔,扑通一声,石子沉到了河底。

舅舅没有给小高斯解释为什么比大木头轻的小石子会沉下去。但是,这件事给小高斯留下了难忘的印象。他认识到,要得到正确的结论,必须有严密的推理。从此,他逐渐养成习惯,遇事一定要问它几个“为什么”。聪明的儿子

有一天,高斯的父亲——一家小杂货铺的会计正在结算几个人的工资,算了半天,累得满头大汗。

“唉,总算算出来了!”父亲伸了伸懒腰说。

“爸爸,您算得不对!”站在一边的小高斯低声地说。

“你怎么知道的?”父亲不以为然地问一句。

“我是在心里算出来的呀!”高斯天真地说,“不信您再算一遍。”

父亲仔细一核算,果真算错了,而儿子说的总数是对的。他又惊又喜,兴奋地说:“聪明的孩子,过几天爸爸就送你去上学。”数学中的秘密

老师一进教室便给学生布置课堂作业:“1加2、加3、加4,一直加到100,总数是多少?”

学生开始一个数一个数地去加。一会儿,正当大家正紧张地计算时,有人将答案交到老师的讲桌上,这就是高斯。

这时,老师正在看学生们的算稿,心想,这个全班最小的学生准是瞎写了什么或交了白卷。忽然,他的目光落在交来的答案上,被那上面写着的数字“5050”惊呆了。这是正确的答案,高斯没有错。老师愣了好一会儿,才大声地对着高斯说:“你是怎么算出来的?我没教过你别的算法呀!”

“我想,老师教给我们一个数一个数加起来的方法当然是对的,只不过慢了些。”高斯从容不迫地回答,“因为第一个数和末尾那个数、第二个数和末尾第二个数、第三个数和末尾第三个数相加,它们的和都是一样的,等于101,一共50对这样的数,所以总数是101乘以50,就是5050。”