《几何原本》第二卷大致内容

上回说到,第一卷遗留下一个问题:化矩形为等面积的正方形。第二卷就是为了解决这个问题而存在。当然,也有副产品。

第二卷的许多命题,在今天看起来很重复和罗嗦,就像第一卷的三十五到四十一命题一样。原因也一样,那时,用几何在运算,没有发达的代数。

命题一,相当于现代的乘法对加法的分配律。

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乘法分配律

命题一指出,像图中这样的矩形,大的被分割为几个小的,那么,大的矩形就是几个小矩形面积和。就是说
AB×AD=AB(AE+EG+GD)

命题二,把大矩形换成一个正方形,切割成两个部分。就是说
DC×HC + DC ×FH = DC*FC

命题三,在切割长方形的时候,刻意切割成一个正方形和一个长方形。这个命题的演示结果是:
(a+b)×a=a×a + b×a
或者是上图中:
AG×AB=(AE+EG)×AB=(AB+EG)×AB=AB×AB+EG×EF

结果看上去没有大的变化,但这个命题很重要。因为,这里隐藏了一个“正方形贴和”的概念。古希腊人喜欢正方形胜过矩形,所以,切割长方形的时候,尽量切出一个正方形来。

那个年代,对圆锥曲线的研究已经很深入。因为稍晚的阿波罗尼奥斯总结了所有的圆锥曲线的大部分的性质。广泛使用“贴合”这样一个观念。因此,这个命题存在,是当时流行趋势所致。

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正方形贴和

命题四,演示了完全平方公式,隐藏了开方的秘诀。

完全平方公式

在阿基米德的年代,确确实实可以用比值来无限逼近无理数。在欧几里得的年代,也许还做不到。在毕达哥拉斯的年代,绝对做不到。

从西方人的知识脉络来看,一代更比一代强,今人胜古人。

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完全平方公式

关于怎样开平方,刘徽等人介绍的特别详细。

命题五,演示了如下公式

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formula
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命题五的图形

这个图形揭示了:在两线段的和AB一定的情况下,用两线段可做矩形。当两线段长度相等的时候,面积最大。
那么,正方形比一般长方形大多少呢?大的就是不等分点C与中点D之间的距离所作的正方形。

如果知道他想表达的意思,无疑,这个命题用图形描述起来比现代的代数更直接。但用图形证明起来会更繁琐。

当两线段长度很接近的时候,正方形面积同矩形面积就很接近。这个公式也隐含了开平方的方法。这个命题,可以视为化矩形为正方形的探索。一个矩形,只要加上一个小的正方形,就可以化为正方形。

命题六,演示了如下公式:

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公式2.6

使用的图形是

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命题6

用代数的算式,其实看不出作者要做什么。看图形就会发现,这个命题与上一个命题有相似的地方。都是一个长方形加上一个正方形,等于另一个正方形。这一个图,可以视作分点D在线段AB的外部。
在直线AB上,设A点坐标为x1,B点坐标为x2,则C点坐标为
(x1+x2)/2,设分点D分线段AB比例AD/AB=λ。
即(x-x1)/(x2-x1)=λ,
那么:

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分点制造的面积

因此,当分点在AD方向,D的外侧时,λ>1,按照上面的公式,计算出来的面积是负值。当分点在A的左侧时,λ本身为负值,计算出来的面积还是负值。只有分点在线段内部,计算出来才是正值。

本命题是
矩形(A到分点× 分点到B)+
半线正方形 =
(分点与中点距离)构成的正方形

上一个命题是:
矩形(A到分点×分点到B)+ (分点与中点距离)构成的正方形=
半线正方形

两者可以整理成统一的形式:
矩形+正方形+正方形=0

因为,用坐标计算,面积可以写成负值。上一个命题中,也可以获得面积为负值的表示。

正的或者负值只是表示方向,方向垂直于xy平面。也就是说与平面内的事情无关。计算面积的法则是叉乘。

古希腊时代对“负”的值似乎有点排斥,甚至到笛卡尔的年代,还排斥负值。人们好不容易接受了负值,又不能接受虚数。也如同最初的人对“日心说”的排斥。社会趋向于稳定,总会习惯性的排斥新生的事物。新生的事物,必须经历血与火的考验,才能生存。

要学习新的几何,必须先接受新的观念。

命题五、六实际上是同一个命题。依然在探索,如何化长方形为正方形。实际上,也可以这样写:
(y+z)(y-z) + z^2 = y^2

命题七,讲


公式2.7

使用的图形

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命题七

实际上,原本的图形尽量节省一切可以节省的空间。只要能重合,把相等的线段都画在一起。

由于现代人有了代数,有坐标轴,很容易证明第二卷的各种命题。于是,都不再细看《原本》中繁琐的证明。我感觉,这里面可能有东西,待我详细考察。

暂时不使用代数证明的方法,尝试用纯几何理解作者当时的想法。

命题八,命题八的繁琐描述,又把人拉回现代简单的代数,代数用一个式子就解决了,几何需要繁复的描述。于是,第二章也可以看作解析法的前身。因为现代人,在证明第二卷的相关命题时,没有办法不用解析法。解析法的便捷,足以让人遗忘综合几何繁杂的证明。

命题八,用代数式表示,就是
4(a+b)a+b^2 = (2a+b)^2。
代数介入几何,才让人感觉到大巧若拙的真实含义。
代数只会计算,抛弃了几何复杂的证明路径,然而,简单有效。

命题九与命题十是同样的道理。
命题九用代数的观点看,就是(a-b)^2 + b^2 = 2(a/2)^2 +2(a/2-b)^2.
命题十用代数的观点看,就是(a+b)^2 +b^2 = 2(a/2)^2 +2(a/2+b)^2.
这些看似平常的公式里,隐藏了古人的心血。包括开平方的秘诀,以及用有理数逼近无理数的方法。

命题十一,是必须重视的一个命题。因为讲了“黄金分割”。黄金分割,只是一种特殊比例,其实并没有什么神奇之处,但因为大师曾经推崇,所以格外重要。推崇黄金分割的人,包括古希腊的学者,还包括文艺复兴时候的画家。因为,有一种说法,黄金分割是最美的。

命题十二和命题十三,就是余弦定理的几何描述。那个时候,还没有余弦函数。于是,就用线段的投影表示。这两个定理扩展了勾股定理。

命题十四,是本卷的目标命题,也是上一卷最重要的补充。解决了上一卷的遗留问题。即化一个长方形为正方形。本质上讲,完成了数的开方运算。

笛卡尔几何对《原本》发扬的地方之一在于,引入了一个幽灵1,所有的单位可以同1比较,于是,单位就可以消失,数学就可以研究单纯的数字。欧氏几何,乘法得出的一定是面积;而在笛卡尔几何中,如果不仔细分别,只是拿到一个数字,那么,你将不能分别是1厘米还是1平方厘米。也就是说,使用单位线段,可以消除更多的单位转换的麻烦。

从本质上讲,乘法是不可交换次序的。

本卷的内容:

  1. 解析法思想(命题5-10)
    1.乘法分配律(命题1,2,3)
  2. 黄金分割(命题11)
  3. 完全平方公式(命题4)
  4. 几何平均(几何开方法,化矩形为正方形法)
    (命题14)
  5. 余弦定理(第一卷命题47,第二卷命题12,13)

本卷用解析法会更加清晰,很多不同的公式都可以统一成一个。钝角三角形的余弦定理和锐角三角形的余弦定量在形式上获得统一。

这是及其重要的一卷书。

再次讨论本卷的第五命题和第六命题,以及这两个命题的统一性。

设甲丙两个点,构成一条线段。中点用“中”字标记。另外,甲丙线段(或直线)上,有一个点,用“分”字来标记。

那么,设整条线段甲丙的长度为1,甲到分点的距离lambda,那么乙到分点的距离就是(1-lambda)。

分点到中点距离是(lambda-1/2)或者(1/2-lambda),但由这段距离


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运算过程

展开,就是
(lambda^2 - lambda +1/4)

lambda(lambda-1)+1/4

通过第二步和第四步,可以知道其中运算的奥秘。原作者尽量使得每一个面积的表示都是正值,所以,需要很多的算式。需要很多的算式也说不清楚。

但如果一开始就假定,面积可以为负值,一切就简单多了。

数学本身太抽象,并不容易理解。借助物理学,可以更好的理解数学中的某些做法。阿基米德就用物理学来解数学,这是优良的传统。

物理学中的力矩可以体现出面积负值的含义。

第一卷和第二卷,完成了一个件事情,即:
化任意多边形为正方形。

重要理论有:
等腰三角形的判定和性质
三角形全等的判定
三角形中的不等式
平行线的判定和性质
等面积变换

提到的重要公设和定理有:

Pasch公设
第五公设
Playfair公设

庞斯命题
三角形外角定理
三角形内角和定理
勾股定理
余弦定理

重要概念有:
算术平均
几何平均
黄金分割
解析法
开方法(完全平方公式)

一二两卷,虽然只有 48+14=62个命题,但是内容已经相当饱满。

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