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几何的应用领域,几何的实际应用

几何的应用领域,几何的实际应用

大家好,今天小编关注到一个比较有意思的话题,就是关于几何的应用领域的问题,于是小编就整理了1个相关介绍几何的应用领域的解答,让我们一起看看吧。

  1. 几何原本有哪些主要成就?

1、几何原本有哪些主要成就?

数学最古老的内容就算几何了。非常奇怪的是,毕达哥拉斯把数抽象出来后,研究数学并没有从研究数去展开,而是开始从自然界的图形入手,建立了一个数学史上第一个严密的体系,也就是几何体系。

从后来的数学发展来看,数的研究非常深奥,也有很多工作去做,比如历史上最伟大的数学家高斯,最主要的成就就是研究素数(一类不可被其他整数整除的整数)。高斯得到的结果和研究的手法及内容如此的深奥,直到今天,也只有少数人能真正理解高斯的思想。一个不是数学本科以上的毕业生,基本都无法搞懂高斯的工作,可见其研究的深入和高难度。既然有那么多内容可以研究,为什么古希腊人没有花很多功夫去探索呢?或者说,古希腊学者在数的研究上为什么突破不多?

原因是多方面的,最大的原因应该是,研究数的性质脱离了当时人们的认知。也就是说,数刚刚被毕达哥拉斯抽象出来,怎么记录怎么演算还需要不断挖掘。面对一堆整数,古希腊学者应该是满头雾水,不知道研究数的哪方面性质,更没有好的研究工具。到了高斯那个年代就不同,前面有费马的铺垫工作,探索数的同余性可以得出非常深刻的数学知识,比如,数的对称性,数的模式等,这一些也只有高斯这样的天才才想得到。

研究数特别是研究整数的可除性(也就是数论),是数学非常大的一个分支。数论被高斯称为数学的皇冠,内容之丰富超过所有人的想象。很多现代数学家都是靠研究数论出名,这里面包括北大毕业的张益唐。有点不可思议的是,数论的研究非常深奥。素数的性质隐藏得如此之深,数学家花了很多脑力,用了很多外行人想象不到而且可能看都看不懂的工具和方法,才得到他们想得到的结果。比如张益唐试图解决困扰数学家几百年的孪生素数问题,就用到包括微积分,群论等一系列高深的数学工具。

所以说要求古希腊人去研究数确实不太可能了,数被抽象出来,但是研究它们的性质又太难,那怎么办?科学的进步是循序渐进的,数学当然不会例外,古希腊人找到一片可以突破的蓝海,那就是几何。

几何从开始的时候来说,是研究图形的性质。数学是怎么在图形性质的研究上得到突破性发展呢?最最关键的也许是数学逻辑链条的建立。

任何逻辑链条都有一个起点,数学的起点就是建立一系列的公理。数的公理还比较难建立,不过几何的公理被古希腊人建立起来了。展现在我们现代人面前的就是这部影响人类几千年,有统计说印刷量最大(甚至超过了圣经,也有的统计说圣经印刷量最大,几何原本第二)的数学巨作:《几何原本》。

《几何原本》的作者是欧几里得。很可惜,我们对欧几里得的生平几乎一无所知。他应该是柏拉图的学生,或者至少在柏拉图开办的学院中学习过。他活跃的年代应该是亚历山大时代,公元前300左右,也就距离现在有2000多年。原版的《几何原本》全部都不存在了,现在流传的版本都是通过后来的手抄本才得以存在。有一点口口相传的味道。

《几何原本》开篇是五大公理和五大公设。从这一点 起,古希腊人真正开始搭建完美的数学大厦。五个公理对我们普通人来说,简直就是不用想也应该是对的。第一就是等于同量的量相等,第二是等量加等量其和仍然相等,第三是等量减等量其差相等。第四是彼此能重合的物体是全等的。第五是整体大于局部。

公理不需要证明,甚至无法证明,里面蕴含的数学内容也非常深刻。不过要认识到这一点,要到后来1900年左右的希尔伯特深邃的思维。数学从哪里出发,这样的出发点有没有问题只是到了近代,数学家才认识到其重要性。如果再深入思考一点,公理对任何科学都是必须的吗?不要以为这是个脑残的问题,这个问题其实是一个非常大的挑战。它甚至关系到科学发展的命运。特别是后来出现了很多悖论(比如集合论中的罗素悖论)。这些悖论的造成是公理的错,还是我们逻辑思维和方法的错?至今也没有很好的答案。

《几何原本》中的五大公设又是一个大坑。最出名的自然是第五大公设:平行公设。前面四大公设没什么特别,都是关于点,圆,线的作图:1.两点可以做一条直线,2.直线可以延长,3.任意点加一个长度可以画个圆,4.所有直角都是相等的。这四大公设一看也是显然成立的。

理论上,公设就是公理,都是开始数学研究所必须遵循的约定。那为什么欧几里得要把公设和公理分开呢?有各种解释,大家认可的解释是欧几里得想专门针对几何给出几条公理,这些就是公设了。这也不能完美解释公设与公理的区别,因为既然《几何原本》开始是研究几何的,你可以全部把公设说成公理啊(我们后人基本也是这样做的,所以后来的数学体系中公设就没有了),没必要区分。伟岗认为关键问题出在第五公设上,由于有第五公设的存在,欧几里得才把公设和公理分开,这样大家可以有机会质疑公设的合法性,但是公理就是肯定成立了。

平行公设说的是过直线外一点能够存在多少条直线的平行线问题。在《几何原本》中,欧几里得说存在且只存在一条平行线。

这个公设似乎不是一看就是成立的,后来的很多数学家耗尽了一生的心血,企图证明这个公设。全部被打脸。可以说,这条公设是古希腊人给后续数学家提供的一个灯塔,很多人为此走了非常大的弯路,白白浪费了一生的精力。

最终否定这个公设成了正确的选择。这个决定做出得非常艰难。罗巴切夫斯基算是一个比较成功的挑战者,不过他的理论在他生前也没有得到数学家的认可。真正理解这个公设含义的是伟大的数学家高斯,不过高斯生前并没有发表他这方面的想法。刺破这个大难题的应该是黎曼,他的微分几何真正意义上决定了第五公设的彻底破产。同时黎曼的伟大还在于,他开拓了一个崭新研究几何的领域。黎曼思维下的几何,作图已经不重要。那些相似,全等等等的几何特性,在黎曼几何下已经不再研究,黎曼更多地是用微积分的手段探索世界的几何性质,这一点古希腊学者是不可能想到的。今天就聊到这里,下一篇再来详细聊聊《几何原本》

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