我们现在一提到笛卡尔,首先想到的可能就是高中政治课本里面的哲学家笛卡尔。“我思故我在”,这句话就是笛卡尔的名言,估计大家在各种各样的场合都听到过或者看到过。
但是,其实笛卡尔除了哲学家的身份,还是一名出色的物理学家、神学家,而且也是一名对数学史产生重要作用的数学家。我们现在在谈论数学史的时候,笛卡尔就是我们绕不开的一个人物。
笛卡尔画像
说实话,我们不得不感慨法国这个国家真的是出人才。和费马一样,笛卡尔也是法国人,但要比费马年长五岁,生于1596年。
他和费马有很多相似的地方,比如,他俩大学学的都是法律;其次,笛卡尔的家里也很有钱,尤其是继承了家庭遗产之后,一生更是衣食无忧,不必为生计烦恼,并不比费马的“贵族”生活过得差多少。第三,两人都是非常出色的数学家,都是解析几何的创始人。
但是,两个人的人生轨迹完全不不同。费马的一生都是被家庭安排好的,在大学毕业之后,他不得不听从家里的安排,在官场上摸爬滚打,做自己不喜欢做的应酬,处理自己不擅长的政务。只有冗杂繁忙的工作完成之后,他才能静下心来读一些数学作品,搞一些业余的数学研究。
但笛卡尔这个人很随性,可以说是一直在努力做自己,过自己想要的生活。
陷入沉思的笛卡尔
1615年,笛卡尔开始读大学,之后他在大学毕业论文的献词里面,说他自己“渴望最热烈的、湍流般的雄辩。”我们现代大学生最渴望的是什么呢?是一份前途远大的工作,一份美满的爱情。
但笛卡尔不一样,他渴望知识,渴望拥有哲学家一样的雄辩能力。他在毕业之后,没有选择去工作,而是去荷兰参加了荷兰的军队,成为一名士兵。
原因倒是和现代大学生很相似——就是不想工作,做啃老族嘛。但是,笛卡尔这个人有点懒惰,或者我们也可以认为是他比较理想化,所以他在荷兰的军队生涯中日子过得并不幸福。
所幸的是呢,在荷兰当兵期间,笛卡尔认识了比自己年长8岁的比克曼,这位亦师亦友的比克曼在数学和物理学方面造诣非常高,也正是在他的影响下,迷茫的笛卡尔突然间就找到了一点儿人生乐趣。
1619年,笛卡尔终于觉得在荷兰当兵没啥意思了,就去了德国,在后来的十年时间里,笛卡尔一直都在德国、荷兰、意大利和法国这几个国家游历。我们之前也说过了,笛卡尔继承了家产,很有钱,所以他完全不想着去工作。
在“玩” 够了之后,1629年,笛卡尔移居到了荷兰。他觉得荷兰的气候最好,而且比较安静,与世隔绝。他虽然是法国人,但是觉得巴黎这种地方,实在是太闹心,想过上不被打扰是生活太困难了。
所以在移居荷兰之后,笛卡尔就基本上全心全意地投入到学术研究和写作之中。反正老子的钱一辈子都用不完,我还不如做自己喜欢做的事呢。估计啊,笛卡尔就是这么想的。所以他把所有的能支配的时间,都投入到了哲学、数学、神学、物理学等领域。
这才是自己想要的生活。有钱,任性。
那他在过上自己想要的生活之后,又在数学方面做出了哪些贡献呢?
第一个贡献是欧拉—笛卡尔公式。这是一个几何学的公式,具体来说呢,就是:在任意凸多面体,设V为顶点数,E为棱数,F是面数,则V−E F=2。也就是说,人任何一个正多面体中,将它的“面”的数量与“顶角”的数量相加,再减去“边”的数量,结果就等于二。用公式表述就是V−E F=2。
这个公式最早是瑞士数学家欧拉于1750年公布的,所以最初叫做欧拉公式。这个公式在几何学上特别重要,咱们理科生高考时数学和物理里面经常都会用到这个公式。
欧拉
但是,笛卡尔有一本《秘密手记》传世,这本书差不多就是比较学术的笔记,本来一位大名人留下一本笔记也没什么,很正常,可是怪就怪在笛卡尔的《秘密手记》是用密码写成的,大家也都看不懂,直到1987年,人们才破译了这本笔记。
那这本《秘密手记》和欧拉公式有什么关系呢?原来早在1635年左右,这个被称为“欧拉公式”的几何学公式,笛卡尔就已经给推导出来了。
也就是说,笛卡尔要比欧拉早出一百多年,发现到这个公式的存在。你可能会觉得:早一百年就早一百年呗,有啥了不起的?
话可不能这么说,假如当年笛卡尔把这个公式公布了,那许多伟大的数学和科学发现也就因此提早上百年!人类社会的进程,很有可能也会前进许多!所以啊,我们现在为了纪念笛卡尔,也把这个公式称为“欧拉——笛卡尔公式”,有时候简称为“欧拉公式”。
笛卡尔给高数增加了不少的难度
笛卡尔对数学的的第二个比较大的贡献,是他的著作《方法论》这本书的第一章《几何学》,我们现在许多初中生高中生天天说数学难学,其实要说源头,也就是这位笛卡尔惹的祸。你与其恨数学老师,不如去恨笛卡尔。
《几何学》这一章内容讲的就是解析几何。在这里面他提出了平面坐标系的概念,也就是我们现在高中数学课本里所讲的x轴、y轴。通过这个由原点连接起来的x轴和y轴,我们就可以表示各种规则的平面几何图形,图形中每一个点在坐标轴上,都可以找到相对应的数值。
在这里,笛卡尔实际上是把几何问题转化成了代数问题。以前咱们画图,都得用尺子算长短,慢慢画,这这做法很麻烦,而且不够精确。
但现在通过代数,咱们就可以精确地把任何一个平面图形给表示出来:比如说,用方程y=x 1,我们就可以在坐标系上画出一条直线;用y2=3px,我们就可以在坐标轴上画出一个半弧。其他的诸如圆形、椭圆形,等等,我们都可以用公式表示并精确得划出来,根本不会出现差错。
几何学的魅力在于,把公式和图形结合到了一起
笛卡尔的这篇《几何学》,实际上就标志着解析几何的诞生。我们之前也说过了,费马也是解析几何的创始人,但是,我们现在一般认为笛卡尔的解析几何理论更先进,更完美,所以,费马其实还是要比笛卡尔稍微逊色一点的。
笛卡尔在数学上的主要贡献就是这两个,看起来不多,但分量很足,百分百地影响了我们的历史进程。他其他的贡献主要集中在哲学、物理学和神学上。这几个领域,笛卡尔无论在当时还是在现在都是神一样的存在。
不过,笛卡尔这个人的理论也是很复杂的。他的理论一直以来都以晦涩难懂著称,这就导致当时的许多人都很难理解笛卡尔在学术上的创新。为什么他要把自己的理论搞的这么晦涩难懂呢?
其实这也是笛卡尔刻意为之的,就像他用密码写自己的《秘密手记》一样,他之所以让自己的理论变得繁琐,其实都是为了防止别人剽窃自己的成果。或许笛卡尔心里也明白,他是一个百年一遇的天才,他的作品将会被几百年之后的人们接受,时间会证明自己的伟大。而以当时的人的智慧,一切还不是时候。
笛卡尔
最后,我们再来说一段浪漫的故事吧。
据说笛卡尔在欧洲爆发黑死病期间流浪到了瑞典,认识了18岁的瑞典小公国公主克里斯蒂娜。后来因为丰富的学识,笛卡尔成为了克里斯蒂娜的数学老师。时间一久,两人就擦出了爱情的火花。
但一个十八岁的公主怎么能和一个五十多岁的家庭教师在一起呢?所以老国王就决定处死笛卡尔。最后在公主的求情下,笛卡尔才得以全身而退,回到法国,而公主呢,也被国王给软禁了起来。
回国之后,笛卡尔染上了黑死病,自知时日无多,又对公主思念日深,就不停地给公主写信。但这些信都被国王给拦截了。
于是在写出第十三封信之后,绝望的笛卡尔就去世了。这第十三封信的内容只有一个短短的公式:r=a(1-sinθ)。这个公式国王自然是看不懂的,觉得没有出格的语言,就转给了克里斯蒂娜。克里斯蒂娜看完信之后开心极了。她明白,笛卡尔依然还是爱着她的。
我记得以前电视机上经常放一则笛卡尔和公主的故事广告,现在网上应该还有
这个简短的公式里面有着怎样的蹊跷呢?为什么克里斯蒂娜一看到信就喜出望外?原来,这个公式用坐标系表示出来,实际上是一个爱心的形状。公主之前和笛卡尔学数学,所以她是能明白这个公式的含义的。r=a(1-sinθ)这个公式,就是著名的“心形线”方程。
后来克里斯蒂娜公主当上了国王,立马去法国寻找笛卡尔,最后才发现笛卡尔已经去世了。这个浪漫的故事,也就以一个悲剧作为结尾了。
这个故事是真是假咱们尚且不论,但笛卡尔确实终生未婚,一生要么在游历,要么在潜心创作,他确实也当过一段时间克里斯蒂娜公主的数学老师。出自笛卡尔之手的“心形线”方程更是将他的解析几何理论体现得淋漓尽致。
笛卡尔的心形函数
相比于费马的业余数学家身份,笛卡尔更加专业,因此,我们一般认为笛卡尔的历史贡献比费马是要稍大一些的。
首先,笛卡尔的哲学思想影响了欧洲好几代人,直到现在学哲学的人,肯定得学笛卡尔的哲学思想;其次,他在数学、物理上的造诣也很大,使他被誉为是“近代科学始祖”,这都是费马所望尘莫及的。
我们今天可以吐槽笛卡尔让我们的数学考点变得更多更复杂,但是不得不说,他的理论也让我们人类的知识更加丰富,生活更加便捷,科学进步地更快速。
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