几何学发展的概述
- 格式:doc
- 大小:1.47 MB
- 文档页数:46
几何发展史简要概括几何学的发展史是一个漫长而丰富多彩的过程,它伴随着人类文明的发展,不断推动着人类对自然界和宇宙的认识。
以下是几何学发展史的简要概括:1. 早期几何学:早在公元前7世纪,古希腊的数学家们就开始研究几何学。
其中,欧几里德被认为是几何学的奠基人,他的《几何原本》一书成为了数学史上的经典之作。
在这个时期,几何学主要关注平面上图形的性质和度量,如长度、角度、面积等。
2. 解析几何学:到了17世纪,笛卡尔引入了坐标系的概念,将几何图形与代数方程结合起来,从而开创了解析几何学的新纪元。
解析几何学的出现,使得几何学的研究范围从平面扩展到了空间,同时也使得代数和几何在理论上得到了统一。
3. 微分几何学:在19世纪,高斯提出了微分几何学,将几何学的研究重点放在了曲面上。
微分几何学的研究对象包括曲线、曲面以及它们之间的变化和性质。
在这个时期,几何学的研究方法也得到了极大的发展,如微积分、线性代数等数学工具的引入,使得几何学的研究更加深入和广泛。
4. 拓扑学:拓扑学是几何学的一个重要分支,它研究的是图形在连续变形下保持不变的性质。
拓扑学的研究范围非常广泛,包括图形的连通性、紧致性、同胚性等方面。
在20世纪初,随着数学的发展和各学科之间的交叉融合,拓扑学逐渐成为了一个独立的数学分支。
5. 现代几何学:进入20世纪以后,几何学的发展更加多元化和深入。
在这个时期,出现了许多新的几何学分支,如纤维丛几何、黎曼几何、辛几何等。
这些分支的出现,使得几何学的研究范围更加广泛,同时也推动了数学和其他学科的发展。
总的来说,几何学的发展史是一个不断开拓、不断创新的过程。
在这个过程中,许多杰出的数学家们为几何学的发展做出了卓越的贡献。
他们的思想和成果不仅推动了数学的发展,也对其他学科产生了深远的影响。
今天,几何学已经成为一个庞大而复杂的学科体系,它将继续引领着人类对自然界和宇宙的认识和理解。
浅谈几何的发展历程
几何的发展穿越了几千年,自古以来,人们一直渴望能够理解环境,探索各类事物,以及研究形状和大小关系之间的联系,从而发展出一套几何学知识。
早在公元前十三世纪,古埃及人就开始研究几何,甚至已经有类似三角形和圆形等形状的记录,他们使用滑尺来测量物体,并在建筑中应用几何知识。
公元前六世纪,古希腊人开始大量研究几何,他们发展了一整套几何学理论体系,比如欧几里得的五公论、尼托克罗斯的三段论、欧拉的圆周定理等,并在建筑和土木工程等领域使用此理论,古希腊人的研究和发现为欧洲几何学的发展奠定了基础。
十一世纪以后,随着科学技术的发展,几何变得更加复杂丰富,人们发展出更新的几何学理论,比如新穆勒的逆时针圆周定理、拉格朗日的三角定理、波蒂麦克的初等几何学说等。
十六世纪后,随着数学和物理学的结合,几何发展的更加繁荣,人们深入研究多维几何、微积分几何、不变几何和数学物理几何等,使几何进步了许多。
十九世纪初叶,高斯和欧拉等人发现了非欧几里得几何,也就是曲面几何,改变了人们对几何的认识,使几何更加复杂丰富。
二十世纪以来,几何研究又进一步发展,由于计算机在几何计算领域的广泛应用,几何软件已经被广泛地使用,几何学家也开发出了更多的理论,比如,刘军的多维几何、高斯的椭圆几何、哈伯的线性几何等,使几何知识得到进一步的发展与完善。
在几百年的漫长历史中,几何的发展广泛而不断,人们发展出了许多几何知识,在改变相应领域的建筑设计、工程建筑、艺术和科研等方面都发挥了重要作用。
近代几何更是引领着现代数学、物理学和化学领域的发展,在今后的时期也将继续发挥重要作用。
几何学发展简况“几何”这个词在汉语里是“多少?”的意思,但在数学里“几何”的涵义就完全不同了。
“几何”这个词的词义来源于希腊文,原意是土地测量,或叫测地术。
几何学和算术一样产生于实践,也可以说几何产生的历史和算术是相似的。
在远古时代,人们在实践中积累了十分丰富的各种平面、直线、方、圆、长、短、款、窄、厚、薄等概念,并且逐步认识了这些概念之间、它们以及它们之间位置关系跟数量关系之间的关系,这些后来就成了几何学的基本概念。
正是生产实践的需要,原始的几何概念便逐步形成了比较粗浅的几何知识。
虽然这些知识是零散的,而且大多数是经验性的,但是几何学就是建立在这些零散、经验性的、粗浅的几何知识之上的。
几何学是数学中最古老的分支之一,也是在数学这个领域里最基础的分支之一。
古代中国、古巴比伦、古埃及、古印度、古希腊都是几何学的重要发源地。
大量出土文物证明,在我国的史前时期,人们已经掌握了许多几何的基本知识,看一看远古时期人们使用过的物品中那许许多多精巧的、对称的图案的绘制,一些简单设计但是讲究体积和容积比例的器皿,都足以说明当时人们掌握的几何知识是多么丰富了。
几何之所以能成为一门系统的学科,希腊学者的工作曾起了十分关键的作用。
两千多年前的古希腊商业繁荣,生产比较发达,一批学者热心追求科学知识,研究几何就是最感兴趣的内容,在这里应当提及的是哲学家、几何学家柏拉图和哲学家亚里士多德对发展几何学的贡献。
柏拉图把逻辑学的思想方法引入了几何,使原始的几何知识受逻辑学的指导逐步趋向于系统和严密的方向发展。
柏拉图在雅典给他的学生讲授几何学,已经运用逻辑推理的方法对几何中的一些命题作了论证。
亚里士多德被公认是逻辑学的创始人,他所提出的“三段论”的演绎推理的方法,对于几何学的发展,影响更是巨大的。
到今天,在初等几何学中,仍是运用三段论的形式来进行推理。
但是,尽管那时候已经有了十分丰富的几何知识,这些知识仍然是零散的、孤立的、不系统的。
“几何”一词,拉丁文是geometric,其源于希腊文ycouerpua(土地测量术)。
我国明末科学家徐光启(1562-1637)与意大利传教士利玛窦(R.Matteo,1553- 1610)1607年合译《几何原本》时首次采用。
几何学是一门古老而崭新的数学分支,其产生可追溯到距今8000年前的新石器时代。
最早始于人类生存及生产的需要,在长期生活、生产实践中,人们逐渐对图形有了一定的认识,形成了一些粗略的几何概念,归纳出一些有关图形的知识和经验,产生了初步的几何。
再经历代数学家的提炼和加工,逐渐形成了一门研究现实世界空间形式,即物体形状、大小和位置关系的数学分支,进而发展成为研究一般空间结构的数学分支。
几何学的发展大致经历了4个基本阶段。
1.实验几何的形成与发展几何学最早的产生可以用“积累几何事实,并企图建立起各个事实间的某种联系”来概括和描述。
源于人们观察天体位置、丈量土地、测量容积、制造生产工具等实践活动。
据考古资料记载,出土的十万年前的一些器皿上已出现的简略几何图案。
相传公元前2000年前大禹治水时,就已经能够使用规和矩等绘图工具进行测量和设计工作。
另外,从现存的古埃及、古巴比伦等国的史料可看出,在天文、测量中也大量地反映了几何图形与计算的知识。
然而,这一历史时期,尽管人们在观察实验的基础上积累了丰富的几何经验。
但在现存的史料中,未见这一时期总结出几何知识真实性的推理证明;某些计算公式仅是粗略和近似的;直至公元前7世纪以前,可以说是单纯地由经验积累,通过归纳而产生几何知识的阶段,被称为实验(归纳)几何阶段。
2.理论几何的形成与发展到了公元前7世纪,随着古埃及、古希腊之间贸易与文化的交流,埃及的几何知识逐渐传入希腊并得到巨大的发展。
这一时期,人们对几何知识开始了逻辑推理与论证,古希腊的泰勒斯(Thales,约公元前625一前547)首先证明了“对顶角相等”、“等腰三角形两底角相等”、“半圆上的圆周角是直角”等,因而被人们称为第一位几何学家;毕达哥拉斯(Pythagoras,公元前580一前501)学派首先证明了“三角形内角和等于二直角”、“勾股定理”、“只有五种正多面体”等。
几何学的发展简史_6几何学的发展简史_6几何学作为数学的一个重要分支,在人类历史上有着悠久的发展历史。
从古埃及的金字塔到现代的航天技术,几何学一直在人类的生活中扮演着重要的角色。
下面将对几何学的发展历史进行简要概述。
古代几何学的起源可以追溯到古埃及和古希腊时期。
在古埃及,人们开发了测量土地面积和建造金字塔的技术。
古希腊的几何学由希腊数学家欧几里得奠定基础,他在著作《几何原本》中阐述了许多基本的几何原理和定理,如平行线公理和勾股定理。
在欧洲中世纪,几何学的发展受到了宗教和哲学的限制。
然而,阿拉伯学者在穆斯林帝国中保护和传播了古希腊的几何学知识。
阿拉伯数学家阿尔哈齐(Alhazen)和阿尔库菲(Al-Khwarizmi)在光学和代数几何方面做出了重要贡献。
到了文艺复兴时期,几何学的发展取得了重大突破。
意大利数学家费拉里(Ferrari)解决了四次方程的根的问题,拉格朗日(Lagrange)发展了解析几何学的理论。
此外,笛卡尔(Descartes)的代数几何学为几何学和代数学的融合提供了基础,开创了坐标几何学的时代。
18世纪和19世纪是几何学的黄金时代。
欧拉(Euler)首先引入了拓扑学的概念,拉普拉斯(Laplace)和高斯(Gauss)等数学家推动了非欧几何学的发展。
非欧几何学挑战了传统几何学中的平行线公理,为后来的拓扑学和流形理论做出了重要贡献。
20世纪是几何学发展的一个重要时期。
爱因斯坦的相对论理论利用了非欧几何学和黎曼流形的理论。
同时,拓扑学和微分几何学得到了广泛的应用,特别是在物理学和天体物理学中。
随着计算机技术的进步,计算几何学和几何建模也成为了几何学的重要研究领域。
计算机辅助设计(CAD)和计算机图形学(CG)在工程、建筑和电影等领域得到广泛应用。
总结起来,几何学的发展始于古代,经历了古希腊、中世纪、文艺复兴和近现代,不断受到数学家和科学家们的推动和发展。
从欧几里得的几何原理到现代的非欧几何学和拓扑学,几何学不断进化和发展,为人类认识和探索世界提供了重要工具和理论基础。
几何学的发展与应用几何学作为数学的一个重要分支,在人类发展历史中起到了举足轻重的作用。
它不仅仅是研究形状和空间关系的学科,也是与其他学科紧密结合的交叉学科。
本文将介绍几何学的发展历程以及在日常生活和科学领域中的广泛应用。
一、古代几何学的发展几何学的起源可以追溯到古希腊时期。
古希腊数学家毕达哥拉斯、欧几里得等人做出了众多贡献,奠定了几何学的基础。
毕达哥拉斯定理是最为著名的几何定理之一,它揭示了直角三角形边长之间的关系。
欧几里得的《几何原本》是几何学的里程碑,其中包含了大量几何定理和推理方法。
二、近代几何学的发展在近代,几何学经历了一系列重要的发展。
17世纪的笛卡尔几何学将几何问题与代数符号联系起来,开创了解析几何学的时代。
此后,非欧几何学的出现使几何学的发展迈入了新的阶段。
黎曼几何学的提出使我们对空间的理解有了重大突破,该学派思考的是曲面上的几何性质,拓展了几何学的研究领域。
三、几何学的日常应用几何学在日常生活中有着广泛的应用。
我们常常使用几何原理来设计、建筑和布置各种住宅和建筑物。
例如,建筑师需要运用几何学知识来确定建筑物的形状、结构和空间布局,以保证建筑物的稳定和美观。
此外,几何学还在城市规划、交通设计和地图制作等领域发挥着重要作用。
四、几何学的科学应用几何学在科学领域中有着广泛的应用。
物理学、天文学、计算机科学等学科都离不开几何学的支持。
在物理学中,几何学可以用来研究物体的形状、运动轨迹和空间关系。
天文学家利用几何学的知识来研究星体的相对位置和运动规律。
在计算机科学中,计算机图形学运用几何学原理来模拟复杂的三维场景,实现真实感的渲染和动画效果。
五、几何学在工程和技术中的应用几何学在工程和技术领域中发挥着重要的作用。
例如,在制造业中,利用几何学原理和CAD(计算机辅助设计)软件可以进行产品设计、数字模型建立和成像分析,提高产品的质量和生产效率。
在航空航天领域,几何学的应用涉及飞行器设计、空间导航和控制系统等方面。
第一部分几何学发展概述第一章几何学发展简史几何学是数学中最古老的一门分科。
最初的几何知识是从人们对形的直觉中萌发出来的。
史前人大概首先是从自然界本身提取几何形式,并且在器皿制作、建筑设计及绘画装饰中加以再现。
图1-1所示图片显示了早期人类的几何兴趣,不止是对圆、三角形、正方形等一系列几何形状的认识,而且还有对全等、相似、对称等几何性质的运用。
西安半坡陶器根据古希腊学者希罗多德的研究,几何学起源于古埃及尼罗河泛滥后为整修土地而产生的测量法,它的外国语名称geometry就是由geo(土地)与metry(测量)组成的。
古埃及有专门人员负责测量事务,这些人被称为“司绳”。
古代印度几何学的起源则与宗教实践密切相关,公元前8世纪至5世纪形成的所谓“绳法经”,就是关于祭坛与寺庙建造中的几何问题及求解法则的记载。
中国最早的数学经典《周髀算经》事实上是一部讨论西周初年天文测量中所用数学方法的著作,其中第一章叙述了西周开国时期(约公元前1000年)周公姬旦同商高的问答,讨论用矩测量的方法,得出了著名的勾股定理,并举出了“勾三、股四、弦五”的例子。
古希腊数学家泰勒斯曾经利用两三角形的等同性质,做了间接的测量工作;毕达哥拉斯学派则以勾股定理等著名。
在埃及产生的几何学传到希腊,然后逐步发展起来而变为理论的数学。
哲学家柏拉图(公元前429~前348)对几何学做了深奥的探讨,确立起今天几何学中的定义、公设、公理、定理等概念,而且树立了哲学与数学中的分析法与综合法的概念。
此外,梅内克缪斯(约公元前340)已经有了圆锥曲线的概念。
§1 欧几里得与《原本》1.1 《原本》产生的历史背景欧几里得《原本》①是一部划时代的著作。
其伟大的历史意义在于它是用公理法建立起演绎体系的最早典范。
它的出现不是偶然的,在它之前,已有许多希腊学者做了大量的前驱工作。
从泰勒斯算起,已有三百多年的历史。
泰勒斯是希腊第一个哲学学派——伊奥尼亚学派的创建者。
他力图摆脱宗教,从自然现象去寻找真理,对一切科学问题不仅回答“怎么样”?还要回答“为什么这样”?他对数学的最大贡献是开始了命题的证明,为建立几何的演绎体①“原本”的希腊文原意是指一学科中具有广泛应用的最重要的定理。
1606年,中国学者徐光启与意大利传教士利玛窦合作完成了欧几里得《原本》前6卷的中文翻译,并于翌年正式刊刻出版,定名《几何原本》,中文数学名词“几何”由此而来。
清代李善兰与传教士伟烈亚力合译后面部分成中文,于1856年完成。
系迈出了可贵的第一步。
接着是毕达哥拉斯学派,用数来解释一切,将数学从具体的事物中抽象出来,建立自己的理论体系。
他们发现了勾股定理,不可通约量,并知道五种正多面体的存在,这些后来都成为《原本》的重要内容。
这个学派的另一特点是将算术和几何紧密联系起来,为《原本》中算术几何化提供了线索。
希波战争以后,雅典成为人文荟萃的中心。
雅典的巧辩学派提出几何作图的三大问题:⑴三等分角;⑵倍立方体——求作一立方体,使其体积等于已知立方体体积的两倍;⑶化圆为方——求作一正方形,使其面积等于一已知圆。
问题的难处是作图只许用直尺(没有刻度,只能画直线的尺)和圆规。
希腊人的兴趣并不在于图形的实际作出,而是在尺规的限制下从理论上去解决这些问题。
这是几何学从实际应用向演绎体系靠拢的又一步。
作图只能用尺规的限制最先是伊诺皮迪斯提出的,后来《原本》用公设的形式规定下来,于是成为希腊几何的金科玉律。
巧辩学派的安提丰为了解决化圆为方问题,提出颇有价值的“穷竭法”,孕育着近代极限论的思想。
后来经过欧多克斯的改进,使其严格化,成为《原本》中的重要证明方法。
埃利亚学派的芝诺提出四个著名的悖论,迫使哲学家和数学家深入思考无穷的问题。
无穷历来是争论的焦点,在《原本》中,欧几里得实际上是回避了这一矛盾。
例如第Ⅸ卷20命题说:“素数的个数比任意给定的素数都多。
”而不用我们现在更简单的说法:素数无穷多。
只说直线是可任意延长而不是无限长。
原子论学派的德谟克利特用原子法得到的结论:锥体体积是同底等高柱体的31,后来也是《原本》中的重要命题。
柏拉图学派的思想对欧几里得无疑产生过深刻的影响,欧几里得早年大概就是这个学派的成员。
柏拉图非常重视数学,特别强调数学在训练智力方面的作用,而忽视其实用价值。
他主动通过几何的学习培养逻辑思维能力,因而几何能给人以强烈的直观印象,将抽象的逻辑规律体现在具体的图形之中。
这个学派的重要人物欧多克斯创立了比例论,用公理法建立理论,使得比例也适用于不可通约量。
《原本》第Ⅴ卷比例论大部分采自欧多克斯的工作。
柏拉图的门徒亚里士多德是形式逻辑的奠基者,他的逻辑思想为日后将几何整理在严密的体系之中创造了必要的条件。
到公元前4世纪,希腊几何学已经积累了大量的知识,逻辑理论也渐臻成熟,由来已久的公理化思想更是大势所趋。
这时,形成一个严密的几何结构已是“山雨欲来风满楼”了。
建筑师没有创造木石砖瓦,但利用现有的材料来建成大厦也是一项不平凡的创造。
公理的选择,定义的给出,内容的编排,方法的运用以及命题的严格证明,都需要有高度的智慧并要付出巨大的劳动。
从事这宏伟工程的并不是个别的学者,在欧几里得之前已有好几个数学家做过这种综合整理工作。
其中有希波克拉底,勒俄,修迪奥斯等。
但经得起历史风霜考验的,只有欧几里得《原本》一种。
在漫长的历史岁月里,它历经沧桑而没有被淘汰,表明它有顽强的生命力。
1.2 《原本》的结构与内容欧几里得(活动于约公元前300年)古希腊数学家。
以其所著的《原本》闻名于世。
关于他的生平,现在知道的很少。
早年大概就学于雅典,深知柏拉图的学说。
公元前300年左右,在托勒密王(公元前364~前283)的邀请下,来到亚历山大,长期在那里工作。
他是一位温良敦厚的教育家,对有志数学之士,总是循循善诱。
但反对不肯刻苦钻研、投机取巧的作风,也反对狭隘实用观点。
据普罗克洛斯记载,托勒密王曾经问欧几里得,除了他的《原本》之外,还有没有其它学习几何的捷径。
欧几里得回答说:“在几何里,没有专为国王铺设的大道。
”这句话后来成为传诵千古的学习箴言。
斯托贝乌斯记载了另一则故事,说一个学生才开始学第一个命题,就问欧几里得学了几何学之后将得到些什么。
欧几里得说:给他三个钱币,因为他想在学习中获得实利。
欧几里得将公元前7世纪以来希腊几何积累起来的丰富成果整理在严密的逻辑系统之中,使几何学成为一门独立的、演绎的科学。
除了《原本》之外,他还有不少著作,可惜大都失传。
《已知数》是除《原本》之外唯一保存下来的他的希腊文纯粹几何著作,体例和《原本》前6卷相近,包括94个命题,指出若图形中某些元素已知,则另外一些元素也可以确定。
《图形的分割》现存拉丁文本和阿拉伯文本,论述用直线将已知图形分为相等的部分或成比例的部分。
《光学》是早期几何光学著作之一,研究透视问题,叙述光的入射角等于反射角,认为视觉是眼睛发出光线到达物体的结果。
还有一些著作未能确定是否属于欧几里得,而且已经散失。
为了纪念欧几里得这位为人类的数学事业作出巨大贡献的学者,许多数学名词都以欧几里得的名字命名,如欧几里得几何、欧几里得空间、欧几里得公理、欧几里得距离、欧几里得复形、欧几里得联络、欧几里得算法、欧几里得型、欧几里得多面体、欧几里得单纯复形等。
希腊文化以柏拉图学派的时代为顶峰,以后逐渐衰落,而埃及的亚历山大学派则渐渐繁荣起来,它长时间成了文化的中心。
古希腊数学家欧几里得把至希腊时代为止所得到的数学知识集其大成,编成十三卷的《原本》,这就是直到今天仍广泛地作为几何学的教科书使用下来的欧几里得几何学(简称欧氏几何)。
《原本》是一部划时代的著作,是最早用公理法建立起演绎数学体系的典范。
古希腊数学的基本精神,是从少数的几个原始假定(定义、公设②、公理)出发,通过逻辑推理,得到一系列命题。
这种精神,充分体现在欧几里得的《原本》中。
公元前7世纪以来,希腊几何学已积累了相当丰富的知识,在欧几里得以前,已有希波克拉底(公元前5世纪下半叶)、修迪奥斯(公元前4世纪)等学者做过综合整理工作,想将这些零散的材料组织在严密的逻辑系统之中,但都没有成功。
当欧几里得集前人之大成的《原本》出现的时候,这些工作都湮没无闻了。
在印刷本出现之前,《原本》的各种文字的手抄本已流传了一千七百多年,以后又以印刷本的形式出了一千多版。
从来没有一本科学书籍像《原本》那样长期成为广大学子传诵的读物。
古希腊的海伦、帕普斯、辛普利休斯等人都做过注释。
亚历山大的赛翁提出一个修订本,对正文作了校勘和补充。
这个本子成为后来所有流行的希腊文本和译本的蓝本,一直到② 欧几里得在这里采用了亚里士多德对公理和公设的区分。
亚里士多德深入研究了作为数学推理的出发点的基本原理,并将它们区分为公理和公设。
他认为公理是一切科学公有的真理;而公设则是为某一门科学所接受的第一性原理。
图1-3 欧几里得图1-219世纪初,才在梵蒂冈发现早于赛翁的希腊文手抄本。
《原本》全书共分13卷③,包括有5条公理、5条公设、119个定义和465条命题。
以下简要介绍《原本》的内容。
第1卷首先给出23个定义。
如“点是没有部分的”,“线有长无宽”,等等。
还有平面、直角、垂直、锐角、钝角、圆、直径、等腰三角形、等边三角形、菱形、平行线等定义。
接着是5个公设,前4个很简单:公设1 任两点可联一线;公设2 直线可任意延长;公设3 以任何中心、任何半径可作一圆;公设4 凡直角都相等。
第5个就是著名的欧几里得第五公设:“如果一直线和两直线相交,所构成的同旁内角小于两直角,那么,把这两直线延长,它们一定在那两内角的一侧相交。
”这公设比其它四个复杂得多,而且并不那么显而易见,因此引起长达两千多年的争论,最后导致非欧几里得几何学的产生。
公设之后是5个公理:公理1 等于同量的量彼此相等;公理2 等量加等量,和相等;公理3 等量减等量,差相等;公理4 彼此重合的图形是全等的;公理5 整体大于部分。
近代数学不区分公设与公理,凡是基本假定都叫公理。
《原本》后面各卷不再列出其它公理。
这一卷在公理之后给出48个命题,包括三角形的角与边、垂线、平行线、平行四边形等命题。
下面给出其中的几个命题。
命题1 在给定直线上作一等边三角形。
证明是简单的(如图1-4所示)。
以A 为中心以AB 为半径作圆。
以B 为中心以AB 为半径作圆。
设C 是一个交点,ABC 便是所求的三角形。
命题2 过一已知点(作为一个端点)作一直线(段)使之等于一已给直线(段)。
命题4 若两个三角形的两边和夹角对应相等,它们就全等。
证法是把一个三角形放到另一个三角形上,指明它们必须重合。
命题5 等腰三角形两底角相等。
书中证法比目前许多中学课本中的好(如图1-5所示),因后者在这一阶段就假定了角A 存在角平分线。