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[转载]笛卡尔、苍蝇和坐标系有什么关系?| 今日有书

已有 3785 次阅读 2019-5-26 12:51 |个人分类:海洋科普|系统分类:科普集锦|文章来源:转载

笛卡尔、苍蝇和坐标系有什么关系?| 今日有书

来源:曹则贤 科学大院 2019-05-26

记得是在读初三的时候,笔者接触到了解析几何。引入直角坐标系,则几何对象可以用代数的形式表达出来,比如x2+y2=a2代表圆,x2/a2+y2/b2=1代表椭圆。要找到一条直线和一条抛物线的两个交点,你要做的是联立求解一个二元一次方程和一个二元二次方程。Wow,好神奇。这么美妙的主意是谁想起来的?愚笨的我,连这个问题也是在读完博士的时候才想起来问的。这个直角坐标系又被称为笛卡尔坐标系,可在笔者接触到的西文文献中,它被写成“Cartesian coordinate system”。“Cartesian”?它的发音和“笛卡尔”相差很远呀。


引入直角坐标系研究几何的天才数学家笛卡尔是法国作家、数学家、哲学家。其法文姓名为“René Descartes”,拉丁化的姓名写法为“Renatus Cartesius”。汉语的“笛卡尔”是对“Descartes”的音译,而笛卡尔坐标英文写法“Cartesian coordinate system”中的形容词“Cartesian”则来自拉丁文形式的“Cartesius”,所以显得有点儿乱。


笛卡尔在世界知识界都是个响亮的名字,其原因之一是他的名言“我思故我在”,这句话他用拉丁语“Cogito ergo sum”和法语“Je pense, donc je suis”多次表述在他的著作中。我思故我在,即“我在思考这件事本身证明了我的存在”,或者按照笛卡尔的说法,“我们不能在怀疑(其它事物)的时候还怀疑我们自身的存在。”此一命题后来成了西方哲学的基本要素。我有时想,如果用毛笔写幅“Cogito ergosum”(图1),往书房里那么一挂,什么样的土豪还能坚持不散发学贯中西的气息?


图1 “我思故我在”的拉丁文书法

 

作为哲学家的笛卡尔一定有喜欢思考的习惯。他甚至还宣称对于任何落入他的视线的事物都要思考一番,从而从中获得教益。当然,他还是数学家,因此他的思考也总带有数学的色彩。如同吃货的眼中什么都是美食, 在笛卡尔的眼中一切都是数学。“Omnia apud memathematica fiunt(对我来说一切都能变成数学问题)”,这么震撼的口号也只有笛卡尔能喊得出来。笛卡尔精通几何和代数学,用x,y,z代表未知数,用a,b,c代表已知量这种约定就是笛卡尔引入的。笛卡尔的思考习惯同他的数学眼光相结合,为人类带来了一项宝贵的数学遗产——直角坐标系


传说某一日,少年笛卡尔躺在床上,任思绪在抽象的世界里飘荡。忘了介绍了,笛卡尔因为体弱,有上午11点才肯起床的习惯。这时,一只苍蝇,一只如果有姓名肯定会被载入人类历史的苍蝇在嗡嗡乱舞,不停地在天花板上变换着歇脚的位置。笛卡尔盯着这个苍蝇看了一会儿,也许有了要把这讨厌的苍蝇赶走的想法。但是,笛卡尔是数学家兼哲学家呀,他把这个想法不是变成行动而是变成了一个数学问题:如何精确地给这只苍蝇定位呢?


如果选择某点(比如屋角)作为参考点,那么只要数清楚沿东西向经过几格天花板,沿南北向经过几格天花板,就能给苍蝇定位。也就是说,你只要选定一个参考点和两个方向(不一定非要是垂直的,不重叠的就行),那么用两个数就能给平面上的点定位。这就是笛卡尔坐标系的概念。


有了笛卡尔坐标系,几何和代数有了联结,从此有了解析几何这个数学领域。有了用代数分析几何的基础,几何才能向高维、抽象、弯曲空间的方向上发展。解析几何把代数的分析工具和几何的直观结合起来,提供了视觉化代数方程的途径。中国有句古话,说“天不生仲尼,万古如长夜”,想象一下,如果没有直角坐标系,今天人类的自然科学会是什么样子?


笛卡尔每天要到上午11点起床的习惯,总让笔者想起法国作家普鲁斯特(Marcel Proust)的小说《追忆似水年华》中每天很早就要躺到床上愁肠百结的主人公。


“有很长一段时间里,我都是早早地就躺下了……半小时之后,我才想到应该睡觉;这一想,我反倒清醒过来。”躺在床上,让思维的野马自由驰骋,是职业思考者的好习惯。


不过,笛卡尔的这个习惯最终害了他。1649年,笛卡尔接受了年轻的瑞典女王克里斯汀娜的邀请,到斯德哥尔摩做她的私人教师。这位高贵的女生每天早上5点起床,并要求老师那时就开始授课。可怜的笛卡尔哪里经受得了这样的生活,不久就病倒了。1650年2月,年仅54岁的笛卡尔病逝在斯堪的纳维亚半岛的冰天雪地里。一颗科学的巨星就这样陨落了。


如果假以天年,笛卡尔还会给我们带来什么样的惊人之作?

 

图2 法兰西共和国发行的面值90分的纪念邮票,图案上的书籍为笛卡尔所著的《方法论》和《几何学》。

 

笛卡尔的深邃思想在其身后不知影响了多少愿意思想的头脑。世界人民怀念这位伟大的思想者,不仅继承发扬他的思想,还把他的形象印到各种书籍、衣衫、钱币、邮票上(图2),激励着一代又一代的人们去探索自然、探索人的内心世界,昭显“思想者永恒”的拙朴道理。


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