歐幾里得(Euclid)是古希臘著名數學家、歐氏幾何學開創(chuàng)者。歐幾里得生于雅典,當時雅 典就是古希臘文明的中心。濃郁的文化氣氛深深地感染了歐幾里得,當他還是個十幾歲的少年時,就迫不及待地想進入“柏拉圖學園”學習。
一天,一群年輕人來到位于雅典城郊外林蔭中的“柏拉圖學園”。只見學園的大門緊閉著,門口掛著一塊木牌,上面寫著:“不懂幾何者,不得入內! ”這是當年柏拉圖親自立下的規(guī)矩,為的是讓學生們知道他對數學的重視,然而卻把前來求教的年輕人給鬧糊涂了。有人在想,正是因為我不懂數學,才要來這兒求教的呀,如果懂了,還來這兒做什么?正在人們面面相覷,不知是退、是進的時候,歐幾里得從人群中走了出來,只見他整了整衣冠,看了看那塊牌子,然后果斷地推開了學園大門,頭也沒有回地走了進去。
“柏拉圖學園”是柏拉圖40歲時創(chuàng)辦的一所以講授數學為主要內容的學校。在學園里,師生之間的教學完全通過對話的形式進行,因此要求學生具有高度的抽象思維能力。數學,尤其是幾何學,所涉及對象就是普遍而抽象的東西。它們同生活中的實物有關,但是又不來自于這些具體的事物,因此學習幾何被認為是尋求真理的最有效的途徑。
柏拉圖甚至聲稱:“上帝就是幾何學家。”這一觀點不僅成為學園的主導思想,而且也為越來越多的希臘民眾所接受。人們都逐漸地喜歡上了數學,歐幾里得也不例外。他在有幸進入學園之后,便全身心地沉潛在數學王國里。他潛心求索,以繼承柏拉圖的學術為奮斗目標,除此之外,他哪兒也不去,什么也不干,熬夜翻閱和研究了柏拉圖的所有著作和手稿,可以說,連柏拉圖的親傳弟子也沒有誰能像他那樣熟悉柏拉圖的學術思想、數學理論。經過對柏拉圖思想的深入探究,他得出結論:圖形是神繪制的,所有一切現象的邏輯規(guī)律都體現在圖形之中。因此,對智慧訓練,就應該從圖形為主要研究對象的幾何學開始。他確實領悟到了柏拉圖思想的要旨,并開始沿著柏拉圖當年走過的道路,把幾何學的研究作為自己的主要任務,并最終取得了世人敬仰的成就。
最早的幾何學興起于公元前7世紀的古埃及,后經古希臘等人傳到古希臘的都城,又借畢達哥拉斯學派系統(tǒng)奠基。在歐幾里得以前,人們已經積累了許多幾何學的知識,然而這些知識當中,存在一個很大的缺點和不足,就是缺乏系統(tǒng)性。大多數是片斷、零碎的知識,公理與公理之間、證明與證明之間并沒有什么很強的聯系性,更不要說對公式和定理進行嚴格的邏輯論證和說明。因此,隨著社會經濟的繁榮和發(fā)展,特別是隨著農林畜牧業(yè)的發(fā)展、土地開發(fā)和利用的增多,把這些幾何學知識加以條理化和系統(tǒng)化,成為一整套可以自圓其說、前后貫通的知識體系,已經是刻不容緩,成為科學進步的大勢所趨。歐幾里得通過早期對柏拉圖數學思想,尤其是幾何學理論系統(tǒng)而周詳的研究,已敏銳地察覺到了幾何學理論的發(fā)展趨勢。他下定決心,要在有生之年完成這一工作。為了完成這一重任,歐幾里得不辭辛苦,長途跋涉,從愛琴海邊的雅典古城,來到尼羅河流域的埃及新埠—亞歷山大城,為的就是在這座新興的,但文化蘊藏豐富的異域城市實現自己的初衷。在此地的無數個日日夜夜里,他一邊收集以往的數學專著和手稿,向有關學者請教,一邊試著著書立說,闡明自己對幾何學的理解,哪怕是尚膚淺的理解。經過歐幾里得忘我的勞動,終于在公元前300年結出豐碩的果實,這就是幾經易稿而最終定形的《幾何原本》一書。這是一部傳世之作,幾何學正是有了它,不僅第一次實現了系統(tǒng)化、條理化,而且又孕育出一個全新的研究領域——歐幾里得幾何學,簡稱歐氏幾何。
《幾何原本》是一部集前人思想和歐幾里得個人創(chuàng)造性于一體的不朽之作。傳到今天的歐幾里得著作并不多,然而我們卻可以從這部書詳細的寫作筆調中,看出他真實的思想底蘊。
全書共分13卷。書中包含了5條“公理”、5條“公設”、23個定義和467個命題。在每一卷內容當中,歐幾里得都采用了與前人完全不同的敘述方式,即先提出公理、公設和定義,然后再由簡到繁地證明它們。這使得全書的論述更加緊湊和明快。而在整部書的內容安排上,也同樣貫徹了他的這種獨具匠心的安排。它由淺到深,從簡至繁,先后論述了直邊形、圓、比例論、相似形、數、立體幾何以及窮竭法等內容。其中有關窮竭法的討論,成為近代微積分思想的來源。僅僅從這些卷帙的內容安排上,我們就不難發(fā)現,這部書已經基本囊括了幾何學從公元前7世紀的古埃及,一直到公元前4世紀——歐幾里得生活時期——前后總共400多年的數學發(fā)展歷史。這其中,頗有代表性的便是在第1卷到第4卷中,歐幾里得對直邊形和圓的論述。正是在這幾卷中,他總結和發(fā)揮了前人的思維成果,巧妙地論證了畢達哥拉斯定理,也稱“勾股定理”。即在一直角三角形中,斜邊上的正方形的面積等于兩條直角邊上的兩個正方形的面積之和。他的這一證明,從此確定了勾股定理的正確性并延續(xù)了2000多年 。《幾何原本》是一部在科學史上千古流芳的巨著。它不僅保存了許多古希臘早期的幾何學理論,而且通過歐幾里得開創(chuàng)性的系統(tǒng)整理和完整闡述,使這些遠古的數學思想發(fā)揚光大。它開創(chuàng)了古典數論的研究,在一系列公理、定義、公設的基礎上,創(chuàng)立了歐幾里得幾何學體系,成為用公理化方法建立起來的數學演繹體系的最早典范。照歐氏幾何學的體系,所有的定理都是從一些確定的、不需證明而礴然為真的基本命題即公理演繹出來的。在這種演繹推理中,對定理的每個證明必須或者以公理為前提,或者以先前就已被證明了的定理為前提,最后做出結論。這一方法后來成了用以建立任何知識體系的嚴格方式,人們不僅把它應用于數學中,也把它應用于科學,而且也應用于神學甚至哲學和倫理學中,對后世產生了深遠的影響。盡管歐幾里得的幾何學在差不多2000年間,被奉為嚴格思維的范例,但實際上它并非那么完美。人們發(fā)現,一些被歐幾里得作為不證自明的公理,卻難以自明,越來越遭到懷疑。比如“第五平行公設”,歐幾里得在《幾何原本》一書中斷言:“通過已知直線外一已知點,能作且僅能作一條直線與已知直線平行。 ”這個結果在普通平面當中尚能夠得到經驗的印證,那么在無處不在的閉合球面之中(地球就是個大曲面)這個平行公理卻是不成立的。俄國人羅伯切夫斯基和德國人黎曼由此創(chuàng)立了非歐幾何學。
歐幾里得將公元前7世紀以來希臘幾何積累起來的豐富成果整理在嚴密的邏輯系統(tǒng)之中,使幾何學成為一門獨立的、演繹的科學。除了《幾何原本》之外,他還有不少著作,可惜大都失傳?!兑阎獢怠肥浅对尽分馕┮槐4嫦聛淼乃南ED文純粹幾何著作,體例和《原本》前6卷相近,包括94個命題,指出若圖形中某些元素已知,則另外一些元素也可以確定。《圖形的分割》現存拉丁文本與阿拉伯文本,論述用直線將已知圖形分為相等的部分或成比例的部分?!豆鈱W》是早期幾何光學著作之一,研究透視問題,敘述光的入射角等于反射角,認為視覺是眼睛發(fā)出光線到達物體的結果。還有一些著作未能確定是否屬于歐幾里得,而且已經散失。
除了《幾何原本》之外,歐幾里得還有另外五本著作流傳至今。它們與《幾何原本》一樣,內容都包含定義及證明。
《已知數》(Data)指出若幾何難題圖形中的已知元素,內容與《幾何原本》的前四卷有密切關系。
《圓形的分割》(On divisions of figures)現存拉丁文本,論述用直線將已知圖形分為相等的部分或成比例的部分,內容與希羅(Heron of Alexandria)的作品相似。
《反射光學》(Catoptrics)論述反射光在數學上的理論,尤其論述形在平面及凹鏡上的圖像。可是有人置疑這本書是否真正出自歐幾里得之手,它的作者可能是提奧(Theon of Alexandria)。
《現象》(Phenomena)是一本關于球面天文學的論文,現存希臘文本。這本書與奧托呂科斯(Autolycus of Pitane)所寫的 On the Moving Sphere相似。
《光學》(Optics)早期幾何光學著作之一,現存希臘文本。這本書主要研究透視問題,敘述光的入射角等于反射角等。