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蔡聰明

 


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.原載於科學月刊第二十六卷第八期、第九期
.作者當時任教於台大數學系
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歐氏的幾何學研究綱領

歐氏 (Euclid) 重建幾何學,是在紀元前三百年完成的。他吸取畢氏學派失敗的經驗,改採「連續的世界觀」,主張直線與平面都是「連續的」,可作無窮步驟的分割,最後得到的是「點」。《歐氏原本》開宗明義就提出 23 個定義(Hilbert 在1900年提出著名的23個問題),其中前三個就是:

1.點是沒有部分的 (A point is that which has no part.)。
2.線段只有長度而沒有寬度 (A line is breadthless length.)。
3.線段是由點組成的 (The extremities of a line are points.)。

這些都是修正畢氏學派的失敗而得到的。第一個定義是說,點只占有位置而沒有長度。點是「至小」,故「無內」。三個定義合起來,顯示線段含有無窮多個點。

在論及線段的長度時,歐氏根本就不用「由沒有長度的點,累積成有長度的線段」之論點,而直接訴諸直觀常識,避開了這種「無中生有」的困局。

然而,這些都不是歐氏的重心。他的「主調」是,重新分析既有的幾何知識(古希臘的所謂「Geometric analysis」),另闢蹊徑,改用幾何本身來建立幾何,並且採用公理化的手法 (axiomatic method),最後歸結出五條幾何公理,這是最精彩的創造發現過程 (the context of discovery)。 接著是綜合,由公理推導出所有幾何定理,這是邏輯驗證過程 (the context of justification)。歐式幾何的創立過程,是古希臘最著名的分析與綜合之示範;從泰利斯經畢氏學派到歐氏,約經歷了三百年,這也是古希臘文明所產生的精品。

歐氏幾何的五條公理是:

1.過兩點能作且只能作一直線。(直線公理)
2.線段(有限直線)可以無限地延長。
3.以任一點為圓心,任意長為半徑,可作一圓(圓公理)。
4.凡是直角都相等(角公理)。
5.在一平面內,過直線外一點,可作且只可作一直線跟已知直線平行(平行公理)。

再加上五個一般公理:

6.跟同一個量相等的兩個量相等,即若 a=cb=c,則 a=b
7.等量加等量,其和相等,即若 a=bc=d,則 a+c = b+d
8.等量減等量,其差相等,即若 a=bc=d,則 a-c = b-d
9.完全疊合的兩個圖形相等(疊合公理)。
10.全量大於分量,即 a+b > a

這些公理歐式都看作是直觀自明的真理 (obvious and self-evident truths), 他由此邏輯地推導出當時已知的所有幾何定理。「真值」(truth value) 由公理的源頭輸入,那麼真值就沿著邏輯網路流佈於整個歐式幾何的系統。在歐式幾何中,最重要的幾個定理是:畢氏定理、三角形三內角和定理、三角形的全等定理 (s.a.s., a.s.a., s.s.s.)、相似三角形基本定理、正多面體恰好有五種,等等。

歐式幾何的演繹系統,揭示了什麼是真正的證明標準,並且這種「立公理再演繹」的模式,變成往後一切數學與科學理論模仿的典範。一門學問發展到成熟的階段,總是以演繹系統的形式來展現。因此歐式幾何的精神可以說是「流傳千古,向榮長青」。愛因斯坦說的好:

如果歐氏無法點燃你年輕的熱情,那麼你生來就不是一位科學的思想家。 (If Euclid failed to kindle your youthful enthusiasm,then you were not born to be a scientific thinker.)

從科學的哲學或數學教育的眼光來看,我們更感興趣的問題是:歐氏如何做出歐氏幾何?尤其他的分析發現過程是如何做的?(詳見本刊26卷6∼7期)

筆者認為,在中學的養成教育過程中,如果忽略了歐式幾何,那實在是棄珍珠而撿沙石。無論數學課程如何修訂,歐氏幾何都是不能縮水的精華。

   

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編輯:石莉君 / 校對:康明軒 / 繪圖:張琇惠;簡立欣 最後修改日期:2/17/2002