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為什麽笛卡爾之前沒有人想到平面直角座標系?

2021-11-20知識

錯!笛卡爾並不是第一個「想到平面直角座標系」的!

比他再早200多年,有一名叫做尼克爾·奧裏斯姆(Nicole Oresme)的家夥就已經在中世紀「想到」了!

不僅是平面直角座標系,他甚至有「想到」調和級數發散(即自然數倒數和趨於無窮)這樣高端大氣的知識,誠然是一位思想非常超前的天才。

那麽問題來了,為什麽他如此牛逼,卻不能像笛卡爾那樣有名呢?

簡單粗暴,我們來看看他們的畫像便知。

這是14世紀的奧裏斯姆畫像:

這是17世紀的笛卡爾畫像:

沒有對比就沒有傷害。前者雖然描繪得也是非常賣力、非常細膩,與後者一比,瞬間相形見絀,顯得尤為拙劣。

同樣道理,盡管奧裏斯姆也想到了平面直角座標系,但他的構想還是太樸素。

那會還沒有「縱座標」、「橫座標」的說法,奧裏斯姆稱之為「經度」和「緯度」(latitudo et longitudo)。

他發現,任何 兩個有對應關系變化的物理量 都可以表達在這樣的「經緯圖」上:

比如熱脹冷縮中,物體的溫度和膨脹長度;比如運動中,物體瞬時速度和時間……

奧裏斯姆發現了物理量和影像的普適連結,的確和笛卡爾的直角座標系有異曲同工之妙,但又有天壤之別。

奧裏斯姆主要想到的是把物理量關系表達為類似函數影像的東西,卻還尚未觸及平面直角座標系的真正潛能。

或許,出於平面直角座標系的通俗直觀,如今的我們也會疑惑:為什麽這麽簡單的東西非要到17世紀才發明呢?

小朋友,你這是把17世紀想得太好了。

來看看笛卡爾之前的人類在忙活點什麽吧:

1614年 納皮爾的【對數的奇妙規則的描述】,引入 對數和對數表

1591年 韋達 的【分析藝術引言】,引入大量符號,奠定 符號代數學 ,改良3次、4次方程式解法,指出 根與系數的關系

1585年 斯特凡的【十進算數】,普及 十進制小數 形式(但一直到1608年才由他人改良形成如今的「小數點」形式)

1572年 龐貝裏的【代數】,引入復數

1489年 韋德曼使用 「+」、「-」符號

1464年 雷格蒙塔努斯的 【論各種三角形】 ,研究物件包括平面三角形和球面三角形,其中出現 正弦定理

……

從這段歷史年表中我們不難看出, 在笛卡爾之前,代數、幾何已經各自起飛

所謂 代數 ,其實就是「用字母 替未知 」的數學(在此之前只能叫「算數」), 早期就是解方程式 。後來,人們在解 高次方程式 的過程中,引入了 復數 ,可見當時的代數的確非常成熟了,卻依舊沒有想到,任意方程式的根,不過就是函數影像的交點問題。

比起代數, 幾何 則是一門極其古老的學問,它花樣百出、姿勢多變,足以讓人類從公元前玩到公元後(歐幾裏得的【幾何原本】在公元前300年就有了)。人們還驚喜地發現,三角形尤為好玩,所以還單獨搞出一門幾何學的分支——三角學。 三角學 定義了三角函數,可以將形的問題轉化為計算,卻依舊沒有和代數真正連線。

一直到笛卡爾的平面直角座標系,這兩座數學宮殿的橋梁才得以建立。

(據說笛卡爾是望著天花板上爬動的小昆蟲發呆得到的靈感)

1637年,笛卡爾出版【幾何學】建立 解析幾何 ,距今近400年。

從那時起,人們才考慮到,呀!原來代數和幾何是完美互通的,是可以互相轉換、互相解決問題的!

數學家對代數與幾何的統一,宛如物理學家對電與磁的統一,都為人類開啟了新世界的大門。

從此之後,進入了數學史上 神仙打架 的17-18世紀。

接下來的人名個個都是 振聾發聵 數學也逐漸變態發育成了普通人看不懂的樣子XD

1664-1672年 牛頓進行關於微積分的早期工作

1684年 萊布尼茲發表關於微積分的早期工作

1687年 牛頓發表【自然哲學的數學原理】,正式公布是他發明的微積分,開始神仙對打

1690年 白努利家族進行關於微積分的早期工作,開始神仙混戰

1696年 洛必達發表【無窮小分析】(第一本微積分教科書),解答了諸位神仙之前提出的問題,但遺留下了無窮小問題這個爛攤子

1704年 牛頓發表【求積法】(牛頓第一篇微積分論文)

1715年 泰勒發表【增量方法】(泰勒定理)

1734年 貝基利發表【分析學家】,試圖收拾無窮小問題的爛攤子

……

(怎麽樣,這段是不是挺胎動的,反正我是胎動了,每次看都是熱血沸騰,蛇舞足蹈)

總之,笛卡爾的確不是第一個想到平面直角座標系的。

並且,把笛卡爾的數學成就籠統地說成是「想到平面直角座標系」,也著實有失偏頗。

他做的其實是建立解析幾何,打通了幾何與代數的連線,造就了又一次數學史上的「不鳴則已,一鳴驚人」。

後人將「平面直角座標系」稱為「笛卡爾座標系」,是對他一系列開創性成就的紀念,並不是簡單「想到」就可以的。

【小謝爾頓】

參考資料:

尼克爾·奧裏斯姆百科

數學大事年表-數學家網

相關閱讀:

自然哲學之數學原理,這個標題是什麽意思?

最後BB:

1、我買的白板快到了,接下來可以給大家 即時板書 講解數學分析的入門課程了!

這樣還可以省去很多做字幕和特效的時間(做字幕和特效是最影響進度的),應該可以做到「周更」了吧!

2、可以在我的影片區看我的「數學胎教」系列影片,主講「數學分析」,其中一期就有講到 本文開頭提到的調和級數發散問題

所謂數學分析,說白了就是比微積分再多「億點點細節」,但正是這「億點點細節」補足了牛頓時期微積分的各種瑕疵。

3、數學分析對應歷史線大概是1821年柯西的【分析教程】,距離如今2021年正好200年,這個時候的數學,已經非常精細化,如今已經可以作為數學系的基礎課程了。

但!e老師的課不一樣,e老師的課, 只需要初高中數學基礎 就可以聽懂~~(幻想N年後有人知乎提問:為什麽e老師之前沒有人想到「數學胎教」),但依舊有很多小朋友反映說,完全不知道我在說什麽(幻想失敗)……

所以我在想,或許我的「數學胎教」也可以再加入一些趣味數學八卦?

各位小朋友留言告訴e老師~

熱愛講解的e老師,連點個菜都好像要開始講解了呢……(黃金胎教)