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幾何學大師:歐幾里得

關鍵詞: 名人故事 來源: 作文大全網

  公元前337年,馬其頓國王菲力二世用武力征服了希臘各城邦。次年亞歷山大即位,在很短的時間內,他繼承父業,開創了一個橫跨歐、亞、非三大陸的馬其頓王國。在地中海沿岸的尼羅河三角洲上,亞歷山大建立了以他名字命名的城市———亞歷山大城,并把它作為這個龐大帝國的文化、商業和工業中心,同時也是科學思想的中心。這兒有稱譽世界擁有70萬卷藏書的圖書館,還有博物館、天文臺和聞名天下的博學園,成為當時歐洲乃至世界數學的中心。歐幾里得就是被亞歷山大的后繼者———托勒密一世重金聘請到博學園的教師。
  
  歐幾里得本人始終是個難解的秘密。無人知道他的生死年月和誕生地,惟一可以確定的是他在托勒密一世(公元前305年至公元前285年)執政期間在亞歷山大城工作過。根據一些間接的記載推測,歐幾里得早年可能在雅典接受過教育,而且曾就學、工作于柏拉圖學院,因此熟知希臘的數學知識。
  
  古籍中記述了兩則故事說明了歐幾里得的治學態度。一個故事說:有一天,托勒密國王問歐幾里得,除了他的《幾何原本》之外,有沒有其他學習幾何的捷徑。歐幾里得回答道:“幾何無王者之道。”意思是在幾何學里,沒有專門為國王鋪設的大路。這句話后來被引申為“求知無坦途”,成為千古傳誦的箴言。另一個故事說:一個學生才開始學習第一個幾何命題,就問學了幾何之后將得到些什么。歐幾里得說:“給他三個錢幣讓他走吧,因為他只想在學習中獲取實利。”從古籍記載的這兩則故事可知,歐幾里得主張學習必須循序漸進、刻苦鉆研,不贊成投機取巧、急功近利的作風。
  
  歐幾里得是一個杰出的科學家,他標志著當時的科學中心從雅典過渡到了亞歷山大城。歐幾里得的名字與幾何學是不可分割的,因為他寫了一本幾何教科書《幾何原本》,此書至今還是幾何學的權威著作,當然也經過一些修改。印刷術發明后,出過一千多版。“我學了歐幾里得”就是“我學了幾何學”的同義語,這句話并非很久以前說的。所以,歐幾里得是最成功的不朽的幾何教科書作者。然而歐幾里得作為一位數學家的盛名,并非由于他本人的研究成果。在他書中,只有極少的定理是他自己創立的。他所做的一切,以及使他成為偉大的數學家的,就在于他利用了泰勒斯時代以來積累的數學知識,把兩個半世紀的勞動成果條理化、系統化,并且編纂成了一本著作。在編寫此書時,他一開始就推出一系列令人欽佩的簡要而精致的公理和公式。然后他將定理一一排列,其邏輯性非常強,幾乎無須改進。
  
  歷來公認歸功于歐幾里得本人的惟一定理,就是他為畢達哥拉斯定理提出的證明。雖然他的這一偉大論著主要涉及幾何學,但也提出了比率和比例的問題,以及現在為大家所知的數論問題,正是歐幾里得證明了素數是無限的。他還通過一系列干脆利落至今尚未作過任何改進的論證,證明了2的平方根是無理數。他還通過將光視為直線,使光學成為幾何學的一部分。當然歐幾里得并沒有概括希臘的全部數學,甚至也沒有概括全部幾何學。繼他之后,希臘數學在相當長時期內,一直生氣蓬勃,像阿波洛尼烏斯和阿基米德等人,都為數學增添了一大筆財富。
  
  后來的哥白尼、開普勒、伽利略、牛頓這些卓越的科學人物,統統都接受了歐幾里得的傳統。他們都認真地學習過歐幾里得的《幾何原本》,并使之成為他們數學知識的基礎。歐幾里得對牛頓的影響尤為明顯。牛頓的《數學原理》一書,就是按照類似于《幾何原本》的&ldquo,初中作文;幾何學”的形式寫成的。自那以后,許多西方的科學家都效仿歐幾里得,說明他們的結論是如何從最初的幾個假設推導出來的。許多數學家,像伯莎德·羅素、阿爾弗雷德·懷特海,以及一些哲學家,如斯賓諾莎也都如此。
  
  除《幾何原本》外,歐幾里得還有不少著作,如《已知數》、《圖形的分割》、《糾錯集》、《圓錐典線》、《曲面軌跡》、《觀測天文學》等,可惜大都失傳了。不過,經過兩千多年的歷史考驗,影響最大的仍然是《幾何原本》。
  
  托起地球的人阿基米德
  
  在古希臘敘拉古城,有一天,人們忽然看見大學者阿基米德竟然光著身子沖出浴室,邊跑邊嚷:“找到了!找到了!”他瘋了嗎?沒有。他是在洗澡時在水盆里受到啟發,發現了流體靜力學的基本原理,從而找到了銀匠在金王冠里摻銀的秘密。他是為此而興奮得忘乎所以了。
  
  事情是這樣的。敘拉古國王艾希羅曾交給金匠一塊黃金,讓他做一頂王冠。王冠做成后,國王拿在手里覺得有點輕。他懷疑金匠摻了假,可是金匠以腦袋擔保說沒有,并當面拿秤來稱,結果與原來的金塊一樣重。國王還是有些懷疑,可他又拿不出證據,于是把阿基米德叫來,要他來解決這個難題。回家后,阿基米德閉門謝客,冥思苦想,但百思不得其解。
  
  一天,他的夫人逼他洗澡。當他跳入池中時,水從池中溢了出來。阿基米德聽到那嘩嘩嘩的流水聲,靈感一下子冒了出來。于是他從池中跳出來,連衣服都沒穿,就沖到了街上。原來,阿基米德由澡盆溢水找到了解決王冠問題的辦法:相同質量的相同物質泡在水里,溢出的水的體積應該相同。如果把王冠放到水里,溢出的水的體積應該與相同質量的金塊的體積相同,否則王冠里肯定摻有假。
  
  阿基米德跑到王宮后立即找來一盆水,又找來同樣重量的一塊黃金,一塊白銀,分兩次泡進盆里,白銀溢出的水比黃金溢出的幾乎要多一倍,然后他又把王冠和金塊分別泡進水盆里,王冠溢出的水比金塊多,顯然王冠的質量不等于金塊的質量,王冠里肯定摻了假。在鐵的事實面前,金匠不得不低頭承認,王冠里確實摻了白銀。煩人的王冠之謎終于解開了。
  
  這次試驗的意義遠遠大過查出王冠摻假的秘密。阿基米德從中發現了一條原理:即物體在液體中減輕的重量,等于他所排出液體的重量。這條原理后人以阿基米德的名字命名。一直到現代,人們還在利用這個原理測定船舶的載重量。
  
  公元前287年,阿基米德誕生于西西里島的敘拉古(今意大利錫拉庫薩)。他出生于貴族,與敘拉古的赫農王有親戚關系,家庭十分富有。阿基米德的父親是天文學家兼數學家,學識淵博,為人謙遜。他11歲時,借助與王室的關系,被送到古希臘文化中心亞歷山大里亞城去學習。
  
  亞歷山大位于尼羅河口,是當時文化貿易的中心之一。這里有雄偉的博物館、圖書館,而且人才薈萃,被世人譽為“智慧之都”。阿基米德在這里學習和生活了許多年,曾跟很多學者密切交往。他在學習期間對數學、力學和天文學有濃厚的興趣。在他學習天文學時,發明了用水力推動的星球儀,并用它模擬太陽、行星和月亮的運行及表演日食和月食現象。為解決用尼羅河水灌溉土地的難題,它發明了圓筒狀的螺旋揚水器,后人稱它為“阿基米德螺旋”。
  
  阿基米德在力學方面的成績最為突出,他系統并嚴格地證明了杠桿定律,為靜力學奠定了基礎。在總結前人經驗的基礎上,阿基米德系統地研究了物體的重心和杠桿原理,提出了精確的確定物體重心的方法,指出在物體的中心處支起來,就能使物體保持平衡。阿基米德曾說過:“假如給我一個支點,我就能推動地球。”
  
  阿基米德確定了拋物線弓形、螺線、圓形的面積以及橢球體、拋物面體等各種復雜幾何體的表面積和體積的計算方法。在推演這些公式的過程中,他創立了“窮竭法”,即我們今天所說的逐步近似求極限的方法,因而被公認為微積分計算的鼻祖。他用圓內接多邊形與外切多邊形邊數增多、面積逐漸接近的方法,比較精確地求出了圓周率。面對古希臘繁冗的數字表示方式,阿基米德還首創了記大數的方法,突破了當時用希臘字母計數不能超過一萬的局限,并用它解決了許多數學難題。阿基米德被后來的數學家尊稱為“數學之神”,在人類有史以來最重要的三位數學家中,阿基米德占首位,另兩位是牛頓和高斯。
  
  阿基米德在天文學方面也有出色的成就。除了前面提到的星球儀,他還認為地球是圓球狀的,并圍繞著太陽旋轉,這一觀點比哥白尼的“日心地動說”要早1800年。限于當時的條件,他并沒有就這個問題做深入系統的研究。但早在公元前三世紀就提出這樣的見解,是很了不起的。
  
  在阿基米德晚年時,羅馬軍隊入侵敘拉古,阿基米德指導同胞們制造了很多攻擊和防御的作戰武器。當侵略軍首領馬塞勒塞率眾攻城時,他設計的投石機把敵人打得哭爹喊娘。他制造的鐵爪式起重機,能將敵船提起并倒轉。
  
  另一個難以置信的傳說是,他曾率領敘拉古人民手持凹面鏡,將陽光聚焦在羅馬軍隊的木制戰艦上,使它們焚燒起來。羅馬士兵在這頻頻的打擊中已經心驚膽戰,草木皆兵。一見到有繩索或木頭從城里扔出,他們就驚呼“阿基米德來了”,隨之抱頭鼠竄。
  
  羅馬軍隊被阻入城外達三年之久。最終,于公元前212年,羅馬人趁敘拉古城防務稍有松懈,大舉進攻闖入了城市。此時,75歲的阿基米德正在潛心研究一道深奧的數學題。一個羅馬士兵闖入,用腳踐踏了他所畫的圖形,阿基米德憤怒地與之爭論,殘暴無知的士兵舉刀一揮,一位璀璨的科學巨星就此隕落了。


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