一.圓錐曲線的研究歷史 1.圓錐面上的圓錐曲線 所謂“德里問題”或“立方倍積問題”,是傳說很久以前,,一次希臘德里群島中一個名叫杰羅西島的地方發(fā)生了瘟疫,。島上部落問自己的酋長怎樣祈禱上帝,才能免除這場災(zāi)難,。酋長說,,要把祭祀上帝的立方體形祭壇重新砌造成一個更大的,要求新砌的祭壇仍是立方體,,但體積要為原來祭壇體積的2倍。即原立方體棱長為a,,新立方體棱長x,,得:, ,。問題的實(shí)質(zhì)就是如何根據(jù)a求作x ,。 不少的古希臘學(xué)者研究過這個問題,開始大多是企圖通過尺規(guī)作圖的方法來解決的,也形成了多種方法(這些方法都不是嚴(yán)格意義上的“尺規(guī)作圖”),。古希臘幾何學(xué)家,、天文學(xué)家梅內(nèi)克繆斯(Menaechmus 前375-前325年)的方法是:用一個平面垂直于頂角分別是銳角、直角和鈍角的圓錐的母線,,得到三種不同截線,,他把這三種截線分別叫做“銳角的”、“直角的”和“鈍角的”圓錐截線,,即后來的橢圓,、拋物線和一支等軸雙曲線。那么在“立方倍積問題”中,,如何作出x= 這一線段呢,?用現(xiàn)在的直角坐標(biāo)方程的知識可知,它實(shí)際是兩條拋物線 和兩交點(diǎn)中非原點(diǎn)的那個交點(diǎn)的橫坐標(biāo),,而這兩條拋物線梅內(nèi)克繆斯在當(dāng)時就是從圓錐截線得到,。所以梅內(nèi)克繆斯是系統(tǒng)研究圓錐曲線的第一人,他最早給圓錐曲線以命名,,并利用拋物線滿意地解決了“立方倍積問題”,。 圓錐曲線就這樣神奇地仿佛是無中生有地產(chǎn)生在圓錐曲面上。 2.幾何學(xué)里的圓錐曲線 在公元前3世紀(jì)前后,,最著名的希臘三大學(xué)者歐幾里德(Euclid 前330 ,?-前275年)、阿基米德(Archimedes 前287,?-前212年)和阿波羅尼斯(Apollonius 前262-前200年)都研究了圓錐曲線,。歐幾里德除了總結(jié)歷史上幾何學(xué)發(fā)展的成果,把幾何學(xué)條理化,、系統(tǒng)化寫成巨著《幾何原本》一書外,,還著有《圓錐曲線論》等書(可惜失傳了)。歐幾里德在《幾何原本》中給出了圓錐曲線統(tǒng)一定義,,即平面內(nèi)一點(diǎn)F和一定直線AB,,從平面內(nèi)動點(diǎn)M向AB引垂線,垂足為C,,若MF:MC值一定,,則動點(diǎn)軌跡為圓錐曲線,但他未證明,。阿基米德則成功計算了拋物線弓形的面積,,發(fā)明了用同心輔助圓畫橢圓的方法,還提出了圓錐曲線的直徑的概念,。阿波羅尼斯著書《圓錐曲線》共八卷,,有487個命題(其中第八卷失傳),。該書全面討論了圓錐曲線的性質(zhì),并包含了坐標(biāo)和曲線方程的思想,,但都是用幾何方法,。他推廣了梅內(nèi)克繆斯用平面垂直三種頂角(銳角、直角,、鈍角)圓錐的母線而得圓錐曲線的方法,,從同一個圓錐中,改變截面對于圓錐軸的傾角的方法,,就能截出三種圓錐曲線,。他同時并用兩對頂圓錐,從而發(fā)現(xiàn)了雙曲線有兩支,。他研究了圓錐曲線的直徑和軸,,研究了雙曲線的漸近線。他最先發(fā)現(xiàn)橢圓,、雙曲線有焦點(diǎn),,發(fā)現(xiàn)橢圓、雙曲線上任一點(diǎn)處切線性質(zhì)(“光學(xué)特性”),,但未發(fā)現(xiàn)拋物線的“光學(xué)特性”,。 公元340年,希臘學(xué)者帕普斯(Pappus 約290-350年)著《希臘數(shù)學(xué)集成》,,他首次發(fā)現(xiàn)拋物線有焦點(diǎn)和圓錐曲線有準(zhǔn)線,。他第一個用焦點(diǎn)和準(zhǔn)線來定義圓錐曲線:圓錐曲線是一動點(diǎn)到一定點(diǎn)和到一定直線距離的比是常數(shù)的軌跡,并加以證明,,說明MF:MC值小于1時,,M點(diǎn)軌跡為橢圓,等于1時為拋物線,,大于1時為雙曲線,。他還提出了圓錐曲線的離心率。 上述對圓錐曲線的研究用的都是純粹幾何的方法,,其構(gòu)造,、推演、論證的技巧與方法實(shí)在令人折服,。 3.客觀現(xiàn)實(shí)中的圓錐曲線 到公元4世紀(jì)和5世紀(jì)時,,延續(xù)一千多年之久的奴隸制度開始崩潰,在長期戰(zhàn)爭和外族侵略摧殘中,,古代文化遭到極大破壞,。在此后直至公元15世紀(jì)的一長段令人窒息的中世紀(jì)時期中,在新興的封建國家里,,取代古代樸素唯物主義和文化科學(xué)的是宗教的神學(xué)思想,。在這一段長夜漫漫的黑暗年代,關(guān)于數(shù)學(xué)圓錐曲線的研究,,非當(dāng)沒有什么更多的發(fā)展,,而且?guī)缀醣宦駴]了。在阿波羅尼的《圓錐曲線》問世后的13個世紀(jì)里,,整個數(shù)學(xué)界對圓錐曲線的研究一直沒有什么新進(jìn)展,。11世紀(jì),阿拉伯?dāng)?shù)學(xué)家曾利用圓錐曲線來解三次代數(shù)方程,,12世紀(jì)起,,圓錐曲線經(jīng)阿拉伯傳入歐洲,但當(dāng)時對圓錐曲線的研究仍然沒有突破 “在中世紀(jì)的黑夜之后,,科學(xué)以意想不到的力量一下子重新興起,,并且以神奇的速度發(fā)展起來?!?(恩格斯《自然辯證法》)在這一段時期中,,古希臘的“邏輯演繹思想”與歐洲的“科學(xué)實(shí)證精神”相結(jié)合,科學(xué)和技術(shù)出現(xiàn)了劃時代的偉大進(jìn)步,。關(guān)于圓錐曲線的研究,,也有了深入的發(fā)展。不僅古希臘人的經(jīng)典文明(包括對圓錐曲線的研究成果)被從宗教修道院中重新發(fā)掘出來,,而且結(jié)合新的生產(chǎn),、科學(xué)實(shí)踐,進(jìn)一步豐富了它的內(nèi)容,。 16世紀(jì),,有兩年事促使了人們對圓錐曲線作進(jìn)一步研究。一是德國天文學(xué)家開普勒(Kepler,1571~1630)繼承了哥白尼的日心說,,揭示出行星按橢圓軌道環(huán)繞太陽運(yùn)行的事實(shí),;二是意大利物理學(xué)家伽利略(Galileo,1564~1642)得出物體斜拋運(yùn)動的軌道是拋物線。人們發(fā)現(xiàn)圓錐曲線不僅是依附在圓錐面上的靜態(tài)曲線,,而且是自然界物體運(yùn)動的普遍形式,。于是,對圓錐曲線的處理方法開始有了一些小變動,。譬如,,1579年蒙蒂(Guidobaldo del Monte,1545~1607)橢圓定義為:到兩個焦點(diǎn)距離之和為定長的動點(diǎn)的軌跡。從而改變了過去對圓錐曲線的定義,。不過,,這對圓錐曲線性質(zhì)的研究推進(jìn)并不大,也沒有提出更多新的定理或新的證明方法,。 17世紀(jì)初,,在當(dāng)時關(guān)于一個數(shù)學(xué)對象能從一個形狀連續(xù)地變到另一形狀的新思想的影響下,,開普勒對圓錐曲線的性質(zhì)作了新的闡述。他發(fā)現(xiàn)了圓錐曲線的焦點(diǎn)和離心率,,并指出拋物線還有一個在無窮遠(yuǎn)處的焦點(diǎn),,直線是圓心在無窮遠(yuǎn)處的圓。從而他第一個掌握了這樣的事實(shí):橢圓,、拋物線,、雙曲線、圓以及由兩條直線組成的退化圓錐曲線,,都可以從其中一個連續(xù)地變?yōu)榱硪粋€,,只須考慮焦點(diǎn)的各種移動方式。譬如,,橢圓有兩個焦點(diǎn)F1,、F2,若F1固定,,考慮F2的移動,,當(dāng)F2向左移動,橢圓逐漸趨向于圓,,F(xiàn)2與F2重合時即為圓,;當(dāng)F2向右移動,橢圓逐漸趨向于拋物線,,F(xiàn)2到無窮遠(yuǎn)處時即為拋物線,;當(dāng)F2從無窮遠(yuǎn)處由左邊回到圓錐曲線的軸上來,即為雙曲線,;當(dāng)F2繼續(xù)向右移動,,F(xiàn)2又與F1重合時即為兩相交直線,亦即退化的圓錐曲線,。這為圓錐曲線現(xiàn)代的統(tǒng)一定義提供了一個合乎邏輯的直觀基礎(chǔ),。 隨著射影幾何的創(chuàng)始,原本為畫家提供幫助的投射,、截影的方法,,可能由于它與錐面有著天然的聯(lián)系,也被用于圓錐曲線的研究,。在這方面法國的三位數(shù)學(xué)家笛沙格(Desargue1591- 1661),、帕斯卡(Pascal,1623- 1662)和拉伊爾(Phailippe de La Hire,,1640~1718)得出了一些關(guān)于圓錐曲線的特殊的定理,,可謂別開生面。 4.坐標(biāo)系下的圓錐曲線 法國著名哲學(xué)家、數(shù)學(xué)家笛卡爾(Descarter 1596-1650年)創(chuàng)立了解析幾何學(xué),,他建立了坐標(biāo)系概念,,用數(shù)學(xué)方程來研究物體的運(yùn)動軌跡,并且認(rèn)識到代數(shù)的二元二次方程的圖象是圓錐曲線,。 法國著名數(shù)學(xué)家費(fèi)爾瑪(Fermat 1603-1665年)受到古希臘阿波羅尼斯著作《圓錐曲線》的啟發(fā),,于笛卡爾稍后,也獨(dú)立具有了解析幾何的思想,。他分別從三個不同的方面給圓錐曲線以定義,就是既把圓錐曲線看作平面截圓錐所得的截線,,又看作是平面上動點(diǎn)到定點(diǎn)和到定直線距離比為常數(shù)的點(diǎn)的軌跡,,還看作是代數(shù)的二元二次方程的圖象。 解析幾何的創(chuàng)立,,使得人們對圓錐曲線的認(rèn)識進(jìn)入了一個新階段,,對圓錐曲線的研究方法既不同于阿波羅尼,又不同于投射和截影法,,而是朝著解析法的方向發(fā)展,,即通過建立坐標(biāo)系,得到圓錐曲線的方程,,進(jìn)而利用方程來研究圓錐曲線,,以期擺脫幾何直觀而達(dá)到抽象化的目標(biāo),也可求得對圓錐曲線研究高度的概括和統(tǒng)一,。 17世紀(jì)下半葉,,英國著名科學(xué)家牛頓(Newton 1642-1727年)、德國著名數(shù)學(xué)家萊布尼茲(Leibniz 1646-1716年)創(chuàng)立了微積分學(xué),,以運(yùn)動,、辯證的數(shù)學(xué)分析方法,解決實(shí)踐中提出的本身就是運(yùn)動,、辯證的大量數(shù)學(xué),、力學(xué)問題,“獲得了不僅是正確的,,而且是初等數(shù)學(xué)研究完全不能達(dá)到的成果,。”(恩格斯《反杜林論》)新的分析方法,,極大地推動了數(shù)學(xué),、物理、天文科學(xué)的發(fā)展,。牛頓還用微積分學(xué)研究了圓錐曲線的切線性質(zhì),,提出了它的光學(xué)應(yīng)用,還設(shè)計了牛頓系統(tǒng)的光學(xué)反射式望遠(yuǎn)鏡,。 18世紀(jì),,人們廣泛地探討了解析幾何,,除直角坐標(biāo)系之外又建立極坐標(biāo)系,并能把這兩種坐標(biāo)系相互轉(zhuǎn)換,。在這種情況下表示圓錐曲線的二次方程也被化為幾種標(biāo)準(zhǔn)形式,,或者引進(jìn)曲線的參數(shù)方程。1745年歐拉發(fā)表了《分析引論》,,這是解析幾何發(fā)展史上的一部重要著作,,也是圓錐曲線研究的經(jīng)典之作。在這部著作中,,歐拉給出了現(xiàn)代形式下圓錐曲線的系統(tǒng)闡述,,從一般二次方程。出發(fā),,圓錐曲線的各種情形,,經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換,總可以化以下標(biāo)準(zhǔn)形式之一: 繼歐拉之后,,三維解析幾何也蓬勃地發(fā)展起來,,由圓錐曲線導(dǎo)出了許多重要的曲面,諸如往面,、橢球面,、單葉和雙葉雙曲面、以及各種拋物面等,。 總而言之,,圓錐曲線無論在數(shù)學(xué)以及其他科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,還是在我們的實(shí)際生活中都占有重要的地位,,人們對它的研究也不斷深化,,其研究成果又廣泛地得到應(yīng)用。這正好反映了人們認(rèn)識事物的目的和規(guī)律,。 二.圓錐曲線的應(yīng)用 1.用以刻畫客觀世界中物質(zhì)的運(yùn)動 宏觀方面,,天體運(yùn)行的軌跡包含了三種圓錐曲線;微觀方面,,盧瑟福散射中的粒子沿雙曲線運(yùn)動,;玻爾的“電子在核外繞核作圓周運(yùn)動”的量子化軌道也被推廣到橢圓軌道。現(xiàn)實(shí)生活中,,我們知道,,斜拋射物體在僅受地球引力作用、不計空氣阻力下的運(yùn)動軌跡是拋物線,,而簡諧振動與液體流動中也都含有圓錐曲線,。 2.“光學(xué)特性”在科技上的應(yīng)用 拋物線、橢圓、雙曲線各有其所謂“光學(xué)特性”,,這些“光學(xué)特性”被應(yīng)用于光學(xué),、聲學(xué)、熱學(xué),、電子學(xué)的各個領(lǐng)域而大放異彩,。如光學(xué)中燈具與望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計;聲學(xué)中的音樂臺的拋物面屏墻,,橢圓聽音實(shí)驗(yàn),;電子學(xué)中的沖擊波排石及激光消痣橢圓;在微波通訊,、聚熱,、發(fā)電(如太陽灶、太陽爐,、太陽能光電站等)也都用到了圓錐曲線尤其是拋物線的“光學(xué)特性”。 3.在建筑,、生產(chǎn)用品制造上的應(yīng)用
三.給我們的一點(diǎn)啟示 當(dāng)圓錐曲線圓錐曲面上神奇地仿佛是無中生有地產(chǎn)生時,梅內(nèi)克繆斯可能沒有想到,,圓錐曲線在現(xiàn)實(shí)世界還有如此多樣的存在方式,;當(dāng)古希臘的那些學(xué)者們在研究圓錐曲線的性質(zhì)時,他們也不會想到,,這些性質(zhì)竟有如此豐富多彩的出神入化的應(yīng)用,。他們當(dāng)初的研究就是針對數(shù)學(xué)而言,沒有也不會想到太多,;也正是數(shù)學(xué)本身的魅力吸引了他們,,讓如癡如醉地研究數(shù)學(xué)。 不錯,,數(shù)學(xué)來源與生活又服務(wù)于生活,,數(shù)學(xué)是有用的。但有用的標(biāo)準(zhǔn)是什么,?當(dāng)初陳景潤研究哥德巴赫猜想用到的理論和方法讓很多研究數(shù)學(xué)的人也感到難以理解,,高處不勝寒,但現(xiàn)在卻成了密碼學(xué)的一個重要依據(jù)(楊樂語),;而數(shù)學(xué)中的二進(jìn)制,,常常讓人覺得麻煩和不習(xí)慣,仿佛一種純數(shù)學(xué)的毫無用處的游戲規(guī)則,,但我們現(xiàn)在都知道,,電腦設(shè)計中離開它是一個無法想象的事。 數(shù)學(xué)是有用的,,但作為一種新的數(shù)學(xué)知識,,我們往往暫時看不到它的用處,因?yàn)閿?shù)學(xué)本身的一個特征就是它常常是領(lǐng)先于其他自然科學(xué)或社會科學(xué)的,。它有其自身的發(fā)展動力與軌跡,,如問題的產(chǎn)生,內(nèi)部的矛盾,,和諧與統(tǒng)一的追求,,方法的選擇與革新等。所以我們在強(qiáng)調(diào)“數(shù)學(xué)有用”的同時,,不能過分地被“有用”的標(biāo)準(zhǔn)所牽制,。 附:笛卡兒小傳
笛卡兒[Descartes,
1612年,他到巴黎普瓦捷大學(xué)供讀法律,,四年后獲頒博士學(xué)位,,并成為律師。當(dāng)時法國社會的有志之士,,不是致力宗教,,便是獻(xiàn)身軍事,這種風(fēng)氣甚為盛行,,這驅(qū)使笛卡兒于1618年往荷蘭從軍,。服役期間,他仍對數(shù)學(xué)感興趣,。某日休息,,他在街上散步時受一荷蘭文招貼所吸引,但因不懂荷蘭文,,于是請身邊的人譯成拉丁文或法文,。恰巧這人是多特學(xué)院院長畢克門。經(jīng)此翻譯,,笛卡兒才得悉這是一張當(dāng)時數(shù)學(xué)家所下的「挑戰(zhàn)書」,廣征上列難題答案,。笛卡兒竟在數(shù)小時內(nèi)求得答案,,使畢克門大為佩服。 《幾何學(xué)》提出了解析幾何學(xué)之主要思想與方法,,這標(biāo)志著解析幾何學(xué)之誕生。笛卡兒的坐標(biāo)系不同于一個一般的定理,,也不同于一段一般的數(shù)學(xué)理論,,它是一種思想方法和技藝,它使整個數(shù)學(xué)發(fā)生了嶄新的變化,它使笛卡兒成為了當(dāng)之無愧的現(xiàn)代數(shù)學(xué)的創(chuàng)始人之一,。 |
|