尺规作图

柏拉图教导的这个处理问题的思维方式,道理很浅显,但却大有用处。后来,柏拉图的学生亚里士多德将此发扬光大,提出了“第一性原理”,即回归到事物的最本源去思考问题。第一性原理之于数学就是回到公理去思考,柏拉图的徒孙欧几里得就是基于此原理,演绎出《几何原本》。

短笛无腔

柏拉图站在比尔萨山上,俯瞰繁华的迦太基古城,不禁惊叹:“这就是理想国!一张牛皮圈起来的城邦,规模恰好,一眼望去,整个城邦尽收眼底。”

传说,迦太基古城是美丽的狄多公主用一张牛皮圈出来的。狄多是推罗公主,国中首富,老国王去世后,狄多的兄弟继承了王位。其兄觊觎狄多的财富,谋杀狄多的丈夫,狄多带着属下逃到迦太基海岸。狄多向当地土著祈求一块容身之地,土著人只答应给她一块牛皮大小的土地。狄多将牛皮切割成细条,在海边围了一块很大的地方,建起了迦太基城。

“如果你们是狄多,用牛皮绳圈一块地建立城池,”柏拉图对身旁的两位学生问道:“你们是圈圆形的还是圈方形的?”

两位学生略一思索,回答道:“狄多当然想要圈一块尽可能大的土地,但牛皮绳的长度是固定的。这实际上是一个几何问题:周长相等,圆形的面积大还是方形的面积大?”

“很好!”柏拉图赞赏学生。

“可是,”学生们吞吞吐吐,“我们不知道怎样计算圆的面积。”

牛皮绳圈地问题,如果放在我们现在,一个小学生就可以轻松地解决。可是对于柏拉图时期的人们来说,真的很难,那时圆的面积公式还没有被人研究出来。不过,圆周长当时还是会计算的,圆周率已经算到了3.1。

“对于复杂的问题,我们可以把它分解为许多简单的问题来解决。对于未知的问题我们可以将它转化为我们已知的问题去解决。”柏拉图教导学生。

柏拉图教导的这个处理问题的思维方式,道理很浅显,但却大有用处。后来,柏拉图的学生亚里士多德将此发扬光大,提出了“第一性原理”,即回归到事物的最本源去思考问题。第一性原理之于数学就是回到公理去思考,柏拉图的徒孙欧几里得就是基于此原理,演绎出《几何原本》。

两位学生捡了一根树杈,当做圆规,在海滩上画了一个圆,又画了一个正方形,讨论了很长时间。

“老师,还是不行。”两位学生有点沮丧:“根据老师的教导,我们这样想:圆面积我们不知道怎样计算,但我们知道计算正方形的面积。于是,我们就想着化圆为方,用尺子和圆规把一个圆化为面积相等的正方形。但我们画了半天,总是画不出来,我们不知道怎样化圆为方。”

“尺规作图。好,很好,太好了!”柏拉图对学生的做法大家赞赏:“你们好好研究研究尺规作图,看看能作出哪些图形。记住,一定要用没有刻度的尺子,那样才能进入纯粹的理念世界。”

柏拉图看着湛蓝湛蓝的地中海,目光柔和,充满深情地对学生说:“看,在地中海那遥远的彼岸,是我们的雅典故乡。12年了,我们出来12年了,应该回去了。”

12年前,雅典人把柏拉图的老师——苏格拉底判为死刑。那是一个具有极高智慧,一个充满美德,一个深爱雅典的哲人。柏拉图当时28岁,对雅典感到深深的失望,抱着无限的痛苦离开了雅典。

“人的愚昧,在于他们只看到现象世界,而不认识现象世界背后那完美、永恒的理念世界。我要回去建立一个学园,让雅典人学会思考,把他们领进理念世界。”柏拉图回想苏格拉底被雅典人以不敬神的罪名宣判为死刑,深感雅典人的愚昧。柏拉图觉得有责任教导雅典人,所以建立了柏拉图学园,那年柏拉图40岁。

“老师,安提丰来了。”柏拉图的学生通报。

安提丰是柏拉图同母异父的兄弟,是个诡辩家,喜欢拉着人辩论。他一般没有自己的立场,别人说正他就说反,别人说反他就说正,专门抬杠。苏格拉底在世时,安提丰就喜欢和苏格拉底辩论。柏拉图很不喜欢自己这个兄弟,认为他不学无术,只会耍嘴皮子,听说他到访,马上对学生说:“去,在学园门口挂一块牌子:不懂几何者,不得入内!我不想见他。”

“不懂几何者,不得入内!这是什么奇怪的规矩?”安提丰直接闯了进来。

“几何是通往理念世界的一把钥匙,不懂几何者,到不了理念世界,当然不得入内。”柏拉图一脸正气。

“那要来学习几何之人,也不准入内吗?”诡辩家安提丰开始抬杠。

“不懂几何者,不得入内。是告诫那些自以为是夸夸其谈之徒,此地不欢迎他们。”柏拉图语带讥讽。

“那我这样的几何大王,你们要怎样款待?”安提丰大言不惭。

“懂不懂几何,自我吹嘘可不算,至少要能够用直尺圆规进行最简单的几何作图。”柏拉图知道自己这个兄弟有点鬼聪明,决定要难一难他。

“你不要小瞧我,你离开的这12年,我可是一心研究学问,几何之于我太简单,一盘小菜而已。”听说尺规作图,安提丰心想那是再简单不过的小问题,于是来了精神。

“给你一把没有刻度的尺子,一副圆规,把一个圆化为面积相等的正方形。”柏拉图抛出困扰自己的尺规作图问题。

安提丰开始尺规作图,漫不经心一幅自我感觉良好的样子,可是画来画去,门都没摸到。安提丰灰溜溜地离开柏拉图学园,从此,潜心在家钻研数学,终成一位数学家。

“化圆为方,我做出来了。”三年后的一天,安提丰兴奋地来到柏拉图学园,宣讲自己的解决之道:“先作一圆内接正方形,将边数加倍,得内接正8边形;再加倍,得内接正16边形。按此程序,圆与正多边形之间的面积越来越接近,无穷逼近,最终正无穷多边形与圆相合。因为可以作与任何正多边形相等的正方形,如此,就可以化圆为方。”

安提丰的这个方法,沿袭了安提丰一贯的诡辩之术,并没有解决化圆为方,但却为后人提供了一个非常好的思维方式,被后人称之为“穷竭法”。后来,阿基米德运用“穷竭法”研究曲面面积和旋转体体积的算法,“穷竭法”也启发了微积分的发展。

柏拉图学园的门口,后来一直悬挂“不懂几何者,不得入内。”的牌子,昭示着几何学的重要地位。

关于尺规作图,古希腊有著名的三大几何难题:三等分任意角,化圆为方,倍立方体。直到近代,三大几何难题,才被数学家证明为尺规作图不可能问题。但这三大几何难题却一直让数学家们着迷,他们苦苦思索、另辟蹊径地探索,激发出各种奇思妙想,发现了许多新方法,进入了一些新的数学领域,促进了数学的发展。

发表回复

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注