笛卡尔是怎么解决“形”与“数”的问题?
1621年他退出了军界后,与数学家迈多治等朋友云集巴黎,共同探讨数学和其他科学方面的问题。当时的法国封建专制统治和教会的势力还很强大,性格一向谨小慎微的笛卡尔,慑于法国宗教势力的淫威,于1628年移居荷兰。那里资产阶级革命已经成功,社会比较安定,思想自由,是搞学术研究的好地方。笛卡尔没有想到,这一去会长达20年之久,又是他一生中科学研究的最辉煌的时期。
他潜心于数学研究,发现两千多年来,人们在探索几何三大难题的解决时,一直在从“形”上去探求它的答案,还不曾有人怀疑这种方法的可能性。那么能不能把“形”化为“数”来研究呢?“形”和“数”之间有没有必然的联系呢?自从来到荷兰后,这个问题,一直在困扰着他。
艰苦的脑力活动,使体质虚弱的笛卡尔病倒了。他躺在病床上,却依然在思索着数学问题。突然,他眼前一亮,原来天花板上,一只蜘蛛正忙忙碌碌地在墙角编织着蛛网。一会儿,它在天花板上爬来爬去,一会儿又顺着吐出的银丝在空中移动。随着蜘蛛的爬动,它和两面墙的距离,以及地面的距离,也不断地改动着。这一刹那,一种新的数学思想萌动了,困扰了他多年的“形”与“数”的问题,终于找到答案了。
真可谓踏破铁鞋无觅处,得来全不费工夫,性格一向很内向的笛卡尔兴奋得不顾虚弱的病体,一骨碌从床上爬起来,迫不及待地将这一瞬间的灵感描述出来。
他发现了这样的规律:如果在平面上放上任何两条相交的直线,假定这两条线互成直角,用点到两条垂直直线的距离来表示点的位置,就可以建立起点的坐标系。
就像数学中所有真正伟大的东西一样,这个发现的基本概念简单到了近乎一目了然的程度。这样应用坐标的方法,就建立了平面上点和作为坐标的数对(x,y)之间的一一对应关系,进一步构成了平面上点与平面上曲线之间的一一对应关系,从而把数学的两大形态——形与数结合了起来。不仅如此。笛卡尔还用代数方程描述几何图形,用几何图形表示代数方程的计算结果,从而创造出了用代数方法解决几何题的一门崭新学科——解析几何学。
解析几何的诞生,改变了从古希腊开始的代数与几何分离的趋向,从而推动了数学的巨大进步。17世纪以来的数学重大发展,其中包括古希腊三大几何难题的解决、微积分理论的建立等,在很大程度上应归功于笛卡尔的解析几何。
解析几何的重大贡献,还在于它恰好提供了科学家们早已迫切需要的数学工具。17世纪是资本主义迅速发展的时代,资本主义的发展,促进了天文、航海和科学技术的发展,对数学提出了新的要求。
例如,要确定船只在大海中的位置,就要确立经纬度,这就需要更精确地掌握天体运行的规律;要改善枪炮的性能,就要精确地掌握抛物体的运行规律。而在这些研究中,涉及的已不是常量而是变量,这些变量还是相互联系的,是传统的孤立、静止的数学方法解决不了的。
解析几何正好满足了科研的这种需要,因为它可以用字母表示流动坐标,用方程刻画一般平面曲线,用代数演算代替古老陈旧的欧几里得纯逻辑推导而求出数量关系来,这就是说,解析几何使变数进入了数学,亦即使运动进入了数学,为微积分的创立奠定了基础。
正如后来法国数学家格拉朗日在其《数学概要》中说的:“只要代数与几何分道扬镳,它们的进展就缓慢,它们的应用就狭窄。但是当这两门科学结成伴侣时,它们就互相吸取新鲜活力,从那以后,就以快速的步伐走向完善。”解析几何,正是笛卡尔留给我们的最宝贵的科学财富。