改變人類文明進程的一個支點

2024-08-21     中國教育新聞網

提起經典,許多人自然而然地想到文學、歷史、哲學等人文領域的名著。作為人類文明重要組成部分,數學與科學領域同樣有經典名著。古希臘歐幾里得的《幾何原本》,成書於公元前300年左右,至今已經用不同文字出版了1000版以上,流傳時間之久、範圍之廣世所罕見,是當之無愧的經典。

建立演繹體系的最早典範

今天為什麼還要讀2300年前的數學著作呢?歐幾里得的《幾何原本》是運用公理化方法建立起的數學體系,被認為是最早的邏輯體系的典範。

從現代數學角度來看,《幾何原本》存在不夠嚴密、遺漏甚至錯誤等明顯不足。比如第一個定義:點是沒有部分的。什麼是「部分」?這樣的定義是模糊的,要從這種定義嚴格推出任何結論是不可能的。又如第一命題證明中提到兩個圓相交,兩個圓為什麼一定相交呢……

那麼,歐幾里得的《幾何原本》為什麼還能成為經典呢?

因為它不僅在於產生一些有用、美妙的定理,而且是從定義、公理出發,通過三段論的邏輯推理,把零散的數學知識組織起來,形成嚴密的演繹體系,深刻影響到後世數學的發展。更重要的是,它孕育出一種理性精神,一種世界觀。正如德國數學家菲利克斯·克萊因所言,「數學和來源於人類理性的卓越光輝的真正激情,第一次被希臘人激發了」。

《幾何原本》成為理性思維的象徵,對於其他學科的發展具有示範作用。比如牛頓仿效歐氏幾何,把哥白尼到開普勒時期積累的力學知識用公理化方法組成一個邏輯體系,其思想巨作《自然哲學的數學原理》的結構就是公理化體系。傑斐遜的《獨立宣言》、馬克思的《資本論》、馬爾薩斯的《人口論》等也都借鑑了公理化思想方法。

回顧歷史,《幾何原本》的重要性遠遠超出了作為邏輯實踐和推理模式本身的價值,是一部影響人類文明進程的不朽之作。數學家在尋找歐氏幾何第五公設的替代命題或證明它是其他公理推論的過程中,非歐幾何誕生了。愛因斯坦的相對論,就揭示了時空結構的非歐幾何性質。

從命題和證明中能讀出什麼

《幾何原本》是一本數學書。全書共13卷,以第1卷的23個定義、5個公設和5個公理作為基本出發點,給出了119個定義和465個命題及證明。從這些命題和證明中能讀出什麼呢?

讀學科知識。《幾何原本》原名《原本》,是歐幾里得在前人研究的基礎上整理而成。「幾何」二字是明代傳到中國時,譯者徐光啟和利瑪竇加上的。全書包括了平面幾何、立體幾何和初等數論的一些內容。通過閱讀可以了解古希臘的數學成就,包括泰勒斯、畢達哥拉斯學派等對於數學的貢獻。

讀公理化方法。《幾何原本》是公理化方法最早的典範。公理化方法就是從儘可能少的原始概念(基本概念)和儘可能少的一組不加證明的原始命題(公理、公設),通過嚴格的邏輯推理,推出其餘的命題。通過閱讀,我們去理解《幾何原本》中的基本概念是如何選擇的,公理是如何對基本概念的相互關係和基本性質進行闡述和規定的,如何將已有的數學知識進行分類,以及如何藉助邏輯推理揭示知識之間的內在聯繫,等等。

讀數學發展脈絡。《幾何原本》中的「幾何圖形」是有限的、封閉的、靜止的,如將直線定義為可以向兩個方向延伸至充分遠的線段。而其中又蘊含著極限、無限等現代數學思想的萌芽。通過《幾何原本》,我們可以深深體會數學發展曲折而漫長的過程,感悟理性思維和科學精神的內涵。

解讀千年經典的三個視角

正如義大利作家卡爾維諾在《為什麼讀經典》中所言:經典是那些你經常聽人家說「我正在重讀……」而不是「我正在讀……」的書,一部經典作品是一本每次重讀都像初讀那樣帶來發現的書,一部經典作品是一本即使我們初讀也好像是在重溫的書。歐幾里得的《幾何原本》就是這樣的經典。解讀《幾何原本》這部經典可以從以下三方面著手。

一是從歷史視角了解成書背景。我們可以在了解古希臘歷史的基礎上讀《幾何原本》。古希臘不僅僅是一個地理概念或時間概念,更是一個文化、哲學、藝術和科學緊密交織、共同繁榮的輝煌時期。此外,《幾何原本》傳入我國的過程也充滿了曲折與傳奇。它經歷了翻譯、傳播等多個環節,對我國古代數學的發展產生了深遠影響。通過回顧這段歷史,我們可以更加深刻地理解中西方文化的共性與差異,從而更好地傳承和發揚文化遺產。

二是藉助專家視角追本溯源。《幾何原本》作為數學領域的經典著作,其影響不僅在幾何,還延伸至代數、非歐幾何乃至哲學等領域。為了更好地理解這部巨著及其重要地位,我們可以藉助數學家和數學教育家的專業評註,以及相關的專業書籍來閱讀。例如,美國數學家莫里斯·克萊因的《數學簡史》為我們提供了數學發展的宏觀視角,有助於我們深刻認識《幾何原本》在數學史上的獨特地位和廣泛影響;德國數學家希爾伯特的《幾何基礎》則深入探討了幾何學的基礎理論,為我們解讀《幾何原本》中的幾何思想提供了專業的指導和啟示;而我國數學家項武義的《基礎幾何學》能幫助我們明晰《幾何原本》中的基本概念和基本結構等。通過這些專業視角的解讀,我們可以更好地把握這部著作的精髓,更加深入地理解《幾何原本》為何至今仍是我們進行科學研究和學習的典範。

三是從教學視角理解作為學科的數學。數學教師可以結合具體的教學內容來研讀《幾何原本》。例如,在初高中的幾何課程中,一些被視為公理的內容(在課程標準中被稱為基本事實)在《幾何原本》中可能並未被直接列為公理。課程標準為何會進行這樣的處理?其選擇依據是什麼?再進一步,教材中某些公理的表述方式也可能發生了變化。以《幾何原本》中的第五公設為例,它用平行公理來表述,並通過「將木條A、B分別與木條C釘在一起」的實驗來探究和發現平行公理,這樣的處理方式更為直觀,有助於學生更好地理解和接受。同時,我們也能深刻體會到與第五公設等價的命題,如三角形內角和定理、勾股定理、正弦定理等在幾何學知識體系中的重要地位和作用。

從數學歷史發展的角度看,幾何學的研究方法論大體上可以分為實驗幾何、推理幾何、解析幾何和向量幾何。對於今天的數學教學而言,如何將這些方法與歐氏幾何有效結合,是一個值得深思的問題。通過閱讀經典著作,我們可以更深入地理解課程標準和教材編寫意圖,從而更好地指導教學實踐。

(作者系北京教育學院教授、數學教育研究中心主任)

《中國教師報》2024年08月21日第6版

作者:劉春艷

文章來源: https://twgreatdaily.com/c2f7de2bd4a3b0758c1d567c008fba30.html