2020年2月17日 星期一

帕普斯給笛卡兒的啟發:座標幾何的起源

前 言

任何思想很少是橫空出世,這就和你優化參數一樣,你不可能突然跳到一組成功的參數。在面對的問題瓶頸時,我想我可能存在什麼思考盲點和古人類似。

這時候你就可以直接從「歷史開源知識庫 HistoryHub」下載古人思維的 version 1, 2, 3。從中去看出到底在什麼時間點 ,古人的思維從一個跳到另一個,而你可能正好欠缺。


笛卡兒甩鍋,說代數之父不是我

被後代稱為代數之父、發明 a, b, c, x, y, z 的現代用法的笛卡兒,不只一次在他的著作中以「帕普斯分析」稱為代數法。


也就是說,他認為令 x, y, z 這種技巧,他在著作中是稱為「帕普斯分析學」,那我們來看看,帕普斯到底給笛卡兒什麼啟發。


歐幾里得的數學 vs. 帕普斯的數學
 
我們可以從歐幾里得的定理敘述,和帕普斯的敘述了解到帕普斯的特色。

首先我們來看歐基里德著名的幾何定理--驢橋定理,你看不懂也沒關係:


笛卡兒認為,不是沒有摸索過程,而是最後證明被整理得清楚之後,這些過程被抹除了,只留下最精簡、必要的推論過程。

在我們上一篇文中,我們講到亞里斯多德以來,對於數學存有一種偏見,認為最終確定的、不可懷疑的才是數學,所以使得許多摸索的過程不被記錄。

我們看到的都是被「量身訂做」的數學,被形塑以好的數學,是一個綜合的數學。


而帕普斯的定理如下,看不懂也沒關係,我只是截圖其中一頁,我使用的數學史學家 Athanasius Treweek 於 1938 年在梵諦岡抄寫,帕普斯原始著作的抄本(你可以在這裡觀看 歷史資料):


你可以看到他畫了許多輔助線,並且有大量文字描述摸索的過程,在摸索的過程中 ,他就令了許多未知數 x, y, z 兩相比較之下,風格就差異很大。

笛卡兒的著作《心靈指導原則》第四卷




在笛卡兒的《心靈指導原則》第四卷,開宗明義標題就寫:

我們需要一個方法去尋找真理(There is need of a method for finding out the truth.)」

在這一卷中,他首先把那些【亂猜】和帕普斯那種【有意義的猜】做分界

亂猜不行喔!母湯喔!但是有意義的猜是 OK 的!

接著呢,他就開始批評古代幾何學家:

「... 我們有充分的證據,古代幾何學家曾利用某種他們加以推廣的分析,來解決所有的問題,雖然他們不願意向後代提供這個訣竅。」 

簡單來說,就是 古人都不教 啦!

在批判歐幾里得的《幾何原本》的時候,笛卡兒說:

「...他更喜歡展現... 某些貧乏無聊的真理,這些真理用演繹的方式證明,作為他們的技巧成果充分表明獨創性,才贏得我們對這些成就的讚美。」 

OK,歐幾里得好棒棒!但你的好棒棒,是因為你用特別方法去論證。

「運氣比技巧更經常能發現那些淺薄的論證,從某種意義上來說,人們終止使用自己的理性。」 

這段就直接開砲了,你的那些方法一般人想得到就和丟骰子一樣啦,結果造成根本人人都變豆腐腦,就是背你的解法,照你的步驟做。



然後談著談著談著,就談到 帕普斯的分析法,笛卡兒寫說:

「... 這揭示的整個方法,在於把未知項作為好像他們是已知項來處理,...

 沒有任何東西阻擋我們達到這個結果,因為從我們工作的開始,我們就已經假定,我們承認在探究中的未知項依賴於已知項,前者由後者來確定。」


笛卡兒這邊就認為,爽,這種題目要求什麼,我們就令什麼當 x 的方法,是萬能方法!沒有東西可以阻擋我了哇哈哈哈哈哈!


    「...使用這種推理方法,我們就必須找出與我們掌握的未知項一樣多的項,而這些未知項做為好像已知來處理,以便直接處理這個問題。

 ...因為這種表達會給我們提供與存在的未知項一樣多的方程式。」 


這邊笛卡兒就說,只要能找到和未知數一樣多的方程式,就能解啦。在笛卡兒之後 30-50 年,一位帕斯卡的好友兼數學家阿爾諾(Antonine Arnauld)在著作中寫到他對笛卡兒的評論:

...也許就是一般人所說的動人的分析,它較多的存在於心智的判斷與洞察力之中,而較少的存在於具體的法則之中。」 

這正巧呼應我們前一篇談到,為什麼閱讀大師知識,遠比跟在大師旁有差。


座標幾何的起源:如何用 x, y 描述軌跡?

由於帕普斯留下的許多數學問題,都和軌跡是有關的,這可以從知名的【帕普斯鏈(Pappus chain)】得知,就是兩圓中間夾的圓,它的圓心軌跡(虛線)



而當笛卡兒在學習與研究一個軌跡問題時:

「給定四條直線 AB 、 AD 、 EF 、 GH ,然後從某點 C 引 直線 CB、CD、CF、CH,各與一條所給定直線構成已知角 CBA、CDA、CFE、CHG。要求滿足 CB · CF = CD · CH  的 C 點的軌跡。」

笛卡兒做了一個大膽的嘗試,假定這個點已經存在,既然存在,我們怎麼描述這個軌跡?圖像化思考!


這邊,笛卡兒做一個大膽的嘗試,就是把 X, Y 所在的兩條直線,作為一個假想的主線,而這個假想的主線,就成為了後來的座標軸。



所以你說圖像化思考重不重要呢....

這和古代的歐幾里得的《幾何原本》著作風格不同,歐幾里得的幾何原本有一個特色,就是所有定理的描述之前,都是先證明這個定理的描述是可以透過作圖產生的。

所以也就是說,幾何原本有很強烈的風格,是在於它是在先存在,再論述的風格,而 笛卡兒發明座標幾何,更多一層涵義是在「它事先假定了存在」也就是它繼承了「帕普斯的思維」先進行假設,而打破了幾何原本以來的風格與亞里斯多德的偏見

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