《幾何原本》第二卷大致內容

上回說到,第一卷遺留下一個問題:化矩形為等面積的正方形。第二卷就是為了解決這個問題而存在。當然,也有副產品。

第二卷的許多命題,在今天看起來很重復和羅嗦,就像第一卷的三十五到四十一命題一樣。原因也一樣,那時,用幾何在運算,沒有發達的代數。

命題一,相當于現代的乘法對加法的分配律。

乘法分配律

命題一指出,像圖中這樣的矩形,大的被分割為幾個小的,那么,大的矩形就是幾個小矩形面積和。就是說
AB×AD=AB(AE+EG+GD)

命題二,把大矩形換成一個正方形,切割成兩個部分。就是說
DC×HC + DC ×FH = DC*FC

命題三,在切割長方形的時候,刻意切割成一個正方形和一個長方形。這個命題的演示結果是:
(a+b)×a=a×a + b×a
或者是上圖中:
AG×AB=(AE+EG)×AB=(AB+EG)×AB=AB×AB+EG×EF

結果看上去沒有大的變化,但這個命題很重要。因為,這里隱藏了一個“正方形貼和”的概念。古希臘人喜歡正方形勝過矩形,所以,切割長方形的時候,盡量切出一個正方形來。

那個年代,對圓錐曲線的研究已經很深入。因為稍晚的阿波羅尼奧斯總結了所有的圓錐曲線的大部分的性質。廣泛使用“貼合”這樣一個觀念。因此,這個命題存在,是當時流行趨勢所致。

正方形貼和

命題四,演示了完全平方公式,隱藏了開方的秘訣。

完全平方公式

在阿基米德的年代,確確實實可以用比值來無限逼近無理數。在歐幾里得的年代,也許還做不到。在畢達哥拉斯的年代,絕對做不到。

從西方人的知識脈絡來看,一代更比一代強,今人勝古人。

完全平方公式

關于怎樣開平方,劉徽等人介紹的特別詳細。

命題五,演示了如下公式

formula
命題五的圖形

這個圖形揭示了:在兩線段的和AB一定的情況下,用兩線段可做矩形。當兩線段長度相等的時候,面積最大。
那么,正方形比一般長方形大多少呢?大的就是不等分點C與中點D之間的距離所作的正方形。

如果知道他想表達的意思,無疑,這個命題用圖形描述起來比現代的代數更直接。但用圖形證明起來會更繁瑣。

當兩線段長度很接近的時候,正方形面積同矩形面積就很接近。這個公式也隱含了開平方的方法。這個命題,可以視為化矩形為正方形的探索。一個矩形,只要加上一個小的正方形,就可以化為正方形。

命題六,演示了如下公式:

公式2.6

使用的圖形是

命題6

用代數的算式,其實看不出作者要做什么。看圖形就會發現,這個命題與上一個命題有相似的地方。都是一個長方形加上一個正方形,等于另一個正方形。這一個圖,可以視作分點D在線段AB的外部。
在直線AB上,設A點坐標為x1,B點坐標為x2,則C點坐標為
(x1+x2)/2,設分點D分線段AB比例AD/AB=λ。
即(x-x1)/(x2-x1)=λ,
那么:

分點制造的面積

因此,當分點在AD方向,D的外側時,λ>1,按照上面的公式,計算出來的面積是負值。當分點在A的左側時,λ本身為負值,計算出來的面積還是負值。只有分點在線段內部,計算出來才是正值。

本命題是
矩形(A到分點× 分點到B)+
半線正方形 =
(分點與中點距離)構成的正方形

上一個命題是:
矩形(A到分點×分點到B)+ (分點與中點距離)構成的正方形=
半線正方形

兩者可以整理成統一的形式:
矩形+正方形+正方形=0

因為,用坐標計算,面積可以寫成負值。上一個命題中,也可以獲得面積為負值的表示。

正的或者負值只是表示方向,方向垂直于xy平面。也就是說與平面內的事情無關。計算面積的法則是叉乘。

古希臘時代對“負”的值似乎有點排斥,甚至到笛卡爾的年代,還排斥負值。人們好不容易接受了負值,又不能接受虛數。也如同最初的人對“日心說”的排斥。社會趨向于穩定,總會習慣性的排斥新生的事物。新生的事物,必須經歷血與火的考驗,才能生存。

要學習新的幾何,必須先接受新的觀念。

命題五、六實際上是同一個命題。依然在探索,如何化長方形為正方形。實際上,也可以這樣寫:
(y+z)(y-z) + z^2 = y^2

命題七,講


公式2.7

使用的圖形

命題七

實際上,原本的圖形盡量節省一切可以節省的空間。只要能重合,把相等的線段都畫在一起。

由于現代人有了代數,有坐標軸,很容易證明第二卷的各種命題。于是,都不再細看《原本》中繁瑣的證明。我感覺,這里面可能有東西,待我詳細考察。

暫時不使用代數證明的方法,嘗試用純幾何理解作者當時的想法。

命題八,命題八的繁瑣描述,又把人拉回現代簡單的代數,代數用一個式子就解決了,幾何需要繁復的描述。于是,第二章也可以看作解析法的前身。因為現代人,在證明第二卷的相關命題時,沒有辦法不用解析法。解析法的便捷,足以讓人遺忘綜合幾何繁雜的證明。

命題八,用代數式表示,就是
4(a+b)a+b^2 = (2a+b)^2。
代數介入幾何,才讓人感覺到大巧若拙的真實含義。
代數只會計算,拋棄了幾何復雜的證明路徑,然而,簡單有效。

命題九與命題十是同樣的道理。
命題九用代數的觀點看,就是(a-b)^2 + b^2 = 2(a/2)^2 +2(a/2-b)^2.
命題十用代數的觀點看,就是(a+b)^2 +b^2 = 2(a/2)^2 +2(a/2+b)^2.
這些看似平常的公式里,隱藏了古人的心血。包括開平方的秘訣,以及用有理數逼近無理數的方法。

命題十一,是必須重視的一個命題。因為講了“黃金分割”。黃金分割,只是一種特殊比例,其實并沒有什么神奇之處,但因為大師曾經推崇,所以格外重要。推崇黃金分割的人,包括古希臘的學者,還包括文藝復興時候的畫家。因為,有一種說法,黃金分割是最美的。

命題十二和命題十三,就是余弦定理的幾何描述。那個時候,還沒有余弦函數。于是,就用線段的投影表示。這兩個定理擴展了勾股定理。

命題十四,是本卷的目標命題,也是上一卷最重要的補充。解決了上一卷的遺留問題。即化一個長方形為正方形。本質上講,完成了數的開方運算。

笛卡爾幾何對《原本》發揚的地方之一在于,引入了一個幽靈1,所有的單位可以同1比較,于是,單位就可以消失,數學就可以研究單純的數字。歐氏幾何,乘法得出的一定是面積;而在笛卡爾幾何中,如果不仔細分別,只是拿到一個數字,那么,你將不能分別是1厘米還是1平方厘米。也就是說,使用單位線段,可以消除更多的單位轉換的麻煩。

從本質上講,乘法是不可交換次序的。

本卷的內容:

  1. 解析法思想(命題5-10)
    1.乘法分配律(命題1,2,3)
  2. 黃金分割(命題11)
  3. 完全平方公式(命題4)
  4. 幾何平均(幾何開方法,化矩形為正方形法)
    (命題14)
  5. 余弦定理(第一卷命題47,第二卷命題12,13)

本卷用解析法會更加清晰,很多不同的公式都可以統一成一個。鈍角三角形的余弦定理和銳角三角形的余弦定量在形式上獲得統一。

這是及其重要的一卷書。

再次討論本卷的第五命題和第六命題,以及這兩個命題的統一性。

設甲丙兩個點,構成一條線段。中點用“中”字標記。另外,甲丙線段(或直線)上,有一個點,用“分”字來標記。

那么,設整條線段甲丙的長度為1,甲到分點的距離lambda,那么乙到分點的距離就是(1-lambda)。

分點到中點距離是(lambda-1/2)或者(1/2-lambda),但由這段距離


運算過程

展開,就是
(lambda^2 - lambda +1/4)

lambda(lambda-1)+1/4

通過第二步和第四步,可以知道其中運算的奧秘。原作者盡量使得每一個面積的表示都是正值,所以,需要很多的算式。需要很多的算式也說不清楚。

但如果一開始就假定,面積可以為負值,一切就簡單多了。

數學本身太抽象,并不容易理解。借助物理學,可以更好的理解數學中的某些做法。阿基米德就用物理學來解數學,這是優良的傳統。

物理學中的力矩可以體現出面積負值的含義。

第一卷和第二卷,完成了一個件事情,即:
化任意多邊形為正方形。

重要理論有:
等腰三角形的判定和性質
三角形全等的判定
三角形中的不等式
平行線的判定和性質
等面積變換

提到的重要公設和定理有:

Pasch公設
第五公設
Playfair公設

龐斯命題
三角形外角定理
三角形內角和定理
勾股定理
余弦定理

重要概念有:
算術平均
幾何平均
黃金分割
解析法
開方法(完全平方公式)

一二兩卷,雖然只有 48+14=62個命題,但是內容已經相當飽滿。

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