《几何原本》:为你解读这个世界最底层的数学规则

《几何原本》:为你解读这个世界最底层的数学规则


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大明万历二十八年,也就是公元1600年,在一艘自上海开往南京的航船上,立着一位中年文士。他叫徐光启,万历二十五年的顺天府解元。徐光启此去南京,是为了探望自己的座师焦竑。但此刻的他还不知道,这次南京之行,他将遇到一个改变自己一生的人,那就是来自意大利的天主教耶稣会传教士利玛窦。

徐光启在座师焦竑家里见到利玛窦之后,立即被这个装了一肚子有趣知识的外国传教士吸引住了,两人相谈甚欢。随后,徐光启在利玛窦的影响下,加入了天主教,从而成为第一个信仰天主的大明官员。

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万历三十二年,也就是公元1604年,徐光启终于金榜题名,考中了翰林院的庶吉士。恰好此时利玛窦也来到北京定居。故友重逢,格外欢喜,于是当晚徐光启就留利玛窦住在自己家里,与他秉烛夜谈。

利玛窦神秘地从怀里掏出一叠厚厚的拉丁文手稿,把它递给徐光启。徐光启之前已经跟利玛窦学会了拉丁文,他接过这份手稿,略微一看,双眼就放出光芒,用激动的声音说:“利玛窦先生,这份手稿里的内容,简直就是天才一般的艺术品啊!”

利玛窦微笑地看着面前这位得意门生,轻轻地说:“亲爱的徐,这是来自古希腊的智慧之光,我希望你能和我一起,将这束遥远的光传入大明、传入中国。”

这份被利玛窦称之为“智慧之光”的手稿,其实是一本数学著作。它被誉为是欧洲数学的基础,也被认为是历史上最成功的教科书。然而,就是这样一本数学教科书,竟然成为全世界除了《圣经》之外,流传最广的书籍。

这本神奇的书,就是古希腊数学家欧几里得所著的《几何原本》。在问世两千年之后,它终于来到了中国。

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1606年,徐光启开始与利玛窦合作翻译《几何原本》。两人起早贪黑,花了大半年时间,完成并出版了这部书的前6卷。而且,利玛窦和徐光启翻译这部书时所用的《几何原本》这个书名,如今也早已成为了这部著作的标准中译名。

但利玛窦带来的《几何原本》一共15卷,他和徐光启只翻译了前6卷,没过多久,利玛窦就因病去世了,这本书后面部分的翻译计划也就彻底搁置了。中国人要想看到《几何原本》的完整面目,还要再等上二百年。

徐光启和利玛窦未完成的事业,将由清代的数学家李善兰和英国传教士伟烈亚力来接力。公元1856年,李善兰完成了对《几何原本》后9卷的翻译工作。至此,欧几里得这部伟大的著作才得以完整地引入中国,并对中国近代数学的发展起到了重要作用。

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目前,市面上大概有近十种《几何原本》的中译本,但只有兰纪正和朱恩宽两位先生的译本最为精当,至于其他译本,大都粗制滥造,读来无益。不过,兰纪正、朱恩宽版的中译本,虽然几经打磨,但其中仍然包含着一些小小的不足,例如,对原本的文字进行了过于现代的翻译处理。这样做虽然更符合现代人的阅读方式,但一字之差,很可能就会谬以千里。

为了让读者看到更原汁原味、更接近欧几里得原文的《几何原本》,果麦文化特意延请了清华大学的科学史教授张卜天,请张教授以《几何原本》的英译文作为底本,重新翻译了《几何原本》的正文,在翻译过程中,尽可能地忠于原文,不做过分现代的解读。而且,果麦版的《几何原本》,还附上了原书各卷的定义、公设、公理、命题题干的英译文,以便读者对照。

因此我敢说,假如你只打算在书柜里放一套《几何原本》的话,那么,它就一定是果麦文化新推出的这个版本。

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也许你会问:我对数学并不感兴趣,也不想当一个数学家,那对于我来说,这套《几何原本》又有什么价值呢?

徐光启当年翻译完《几何原本》的前六卷后,在译本序中向我们阐述了《几何原本》的重要性:“唐虞之世,自羲、和治历,暨司空、后稷、工、虞、典乐五官者,非度数不为功。《周官》六艺,数与居一焉;而五艺者,不以度数从事,亦不得工也。《几何原本》者,度数之宗,所以穷方圆平直之情,尽规矩准绳之用也。”

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这段话里的“度”就是几何,而“数”则是算术。徐光启的意思就是说,自上古时代以来,不管你是从事水利、土建,还是从事农业、林业,哪怕是音乐这样的艺术类专业,数学在其中都起到了非常重要的作用。而《几何原本》又是一切数学理论的基石,因此,只有精读并掌握了《几何原本》的精髓,才能更好地开展各项工作。

除此之外,徐光启在自己所写的《〈几何原本〉杂议》这篇文章当中,再次强调了《几何原本》的重要性,他说:“此书为益,能令学理者祛其浮气,练其精心;学事者资其定法,发其巧思,故举世无一人不当学。”

最后,徐光启总结说:“能精此书者,无一事不可精,好学此书者,无一事不可学。”

你看,徐光启已经说的很清楚了,如果你能把《几何原本》这样的书都读精、读透,那么在这个世界上,就再也没有能难得住你的事情了,换句话说,学会了《几何原本》,你就相当于掌握了这个世界最底层的规则。

至于在欧洲国家,《几何原本》更是被奉为数学界的《圣经》。

自这本书问世以来,在漫长的两千多年里,《几何原本》一直被视为纯粹数学的公理化演绎结构的典范,而且,欧几里得首创的逻辑公理化方法,以及在其背后那逻辑严谨的证明方式,至今仍是构建起我们眼前这座庞大数学王国的基石。

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我们都知道,在欧几里得的几何理论中有五大公设:

一、过两点能作且只能作一直线。


二、线段(有限直线)可以无限地延长。


三、以任一点为圆心,任意长为半径,可作一圆。


四、任何直角都相等。


五、同一平面内一条直线和另外两条直线相交,若在某一侧的两个内角的和小于两直角,则这两直线经无限延长后在这一侧相交。

这五句话看起来实在是再简单不过,然而,15卷《几何原本》里的全部465个命题,全部是由这五句话推导出来的,这实在令人惊叹。正因如此,西方世界从《几何原本》当中吸收了这种严谨的数学演绎思维,并形成了一种完全不同于东方文化的、充满理性的思维方式。

《几何原本》:为你解读这个世界最底层的数学规则


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不过,欧几里得的这套《几何原本》也并非完全无懈可击,其中有一处很隐蔽、但也很难被证伪的漏洞,那就是欧式几何的第五公设。

这个第五公设,其实就是我们经常说的平行公理,它具体是说:“同一平面内一条直线和另外两条直线相交,若在某一侧的两个内角的和小于两直角,则这两直线经无限延长后在这一侧相交。”

这个公设在整部《几何原本》当中,只出现过一次,并且它也无法用其他的公理来证明或推导。因此,后世有许多著名的数学家都觉得,这条公理未必是正确的。

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后来,俄国数学家罗巴切夫斯基为了验证这条公理的正确性,提出一个“反证法”的思路,他对此加以解释说:“我们可以用一个与第五公设相矛盾的命题,与欧式几何当中的前四个公设组合成一个新的系统,并以此展开推理。如过推理过程中出现矛盾,那就等于证明了第五公设是正确的。”

然而,经过一番严谨的证明之后,罗巴切夫斯基得出两个重要的结论:

一、第五公设不能被证明。

二、如果在这个新组成的集合体系中展开一连串推理,就可以得到逻辑自洽的新定理。

在此基础上,1854年,高斯的弟子、德国数学家黎曼提出了一种全新的非欧几何——黎曼几何。

在黎曼几何中有这样一条规定:“在同一平面内任何两条直线都有交点。”这就是说,我们所熟知的平行线的概念,在黎曼几何当中是不存在的。

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黎曼提出的全新理论,第一次引入了完全不同于欧氏几何的空间概念,这也彻底改变了人们两千多年来对空间的认识和观念。他的黎曼几何理论乍一听十分怪异,但我们完全可以通过严谨的证明过程推导出来。正如黎曼自己所说的那样:

“几何学定理无法从一般的量纲概念导出,而必须借助那些可区分空间和其他实体的性质····我们只能研究他们的可能性,判断是否可以延拓到可观察范围之外,不可测量的巨大或微小······或空间所依存的物理现实是一个离散的多样体,或它的度量关系的基础需追溯到它的元素的结合力的外部来源。”

而且,黎曼几何还不仅仅是数学家的头脑风暴,它更是开启了新世界的大门。

黎曼几何的思想和体系,为爱因斯坦建立相对论,提供了必要的数学框架。爱因斯坦受到黎曼几何的影响,在广义相对论里彻底放弃了时间均匀性的观念,转而提出:时空只是在充分小的区域里以一定的近似性而均匀,但整体不均匀——这实际上就是黎曼几何的思想,难怪有人开玩笑地说:

“广义相对论就像是黎曼几何的一道应用题!”

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