为什么说几何学起源于测量?
在西方,大家公认几何学诞生于古希腊。古希腊数学家欧几里得的《几何原本》,首次建立起公理化几何体系,被欧洲数学家信奉了2000多年。直到19世纪,才出现了独立于欧氏几何的非欧几何。今天,中学生仍然在课堂上学习欧氏几何。
然而,古希腊的数学先驱如泰勒斯和毕达哥拉斯等,都是远赴埃及学习多年才掌握了几何学知识。古埃及的几何学知识,则与尼罗河的水患以及土地测量有密切联系。事实上,“几何学”的英文geometry就来源于希腊文,其原意是指大地测量。
古埃及的土地大都分布在尼罗河两岸。尼罗河在每年的6~10月间就要泛滥,淹没大片土地,洪水退去后,会留下肥沃的淤泥,人们开始种植庄稼。但洪水会冲走不少界标,破坏原有的土地布局。于是,法老派出“拉绳者”去把一切恢复原状。“拉绳者”使用的主要工具,就是长100肘尺(cubit,埃及长度单位,约等于0.524米)的绳索。凭借这种绳索和残留的界标来恢复原来的土地布局,因此积累了大量以直线为核心元素的几何知识。这种几何知识的特征明显反映在《几何原本》中:书中的五条公理都与直线有关,而且几何命题的证明也大都离不开添加辅助直线。
在中国,大约在公元前2200年曾经发生过持续相当长时间的大洪水,于是有了关于“大禹治水”的记录。据《史记·夏本纪》记载,大禹“左准绳,右规矩”,“以开九州、通九道、陂九泽、度九山”,历时十三年而治水成功。其中提到的“准”、“绳”、“规”、“矩”都是几何测量工具:“准”测水平,“绳”量直,“规”作圆,而“矩”(形如直角尺)的作用最大,可以作深、高、远的测量,其工作原理是勾股定理。中国古代数学著作《周髀算经》中说:“平矩以正绳,偃矩以望高,覆矩以测深,卧矩以知远。”从中可以看出,中国古代的几何学也起源于测量,其理论核心同样是勾股定理。
欧几里得(约前330—前275)是古希腊亚历山大时期的数学家,可能在柏拉图学园受过系统教育。关于欧几里得的生平今人几乎一无所知,但他对人类的影响却超过了绝大多数历史人物。欧几里得最伟大的功绩,是将当时的数学特别是几何学方面的成就整理成一本教科书——《几何原本》,这些成就都是在亚历山大时期之前的古典时期取得的。《几何原本》共有13卷,有的版本附加两篇,但那不是欧几里得写的。其中第7、8、9三卷专门讲述数论。
《几何原本》这个译名,其实是历史延续下来的“误译”,因为欧几里得并没有打算写一本关于测量的书,而且他的这部书里还有整数方面的内容。所以,欧几里得给他的著作起名为Elements(原本),根本没有Geometry(几何)一词!
“几何原本”这个中文译名,是明代科学家徐光启在翻译这部名著时所起的。说起原因来也很简单——因为《原本》前6卷说的都是几何,而徐光启就只翻译了这6卷!事实上,“几何”一词也是徐光启的发明,因为他没有在中国古代文化中找到一个合适的词。