九章格数学 PhiloMath · 数学家的故事绘本 · 第一辑

欧几里得 · 一步一证

第 01 册 · 数学家的故事绘本 · 第一辑 · 约前 300 年 · 亚历山大城 · 明线:《原本》的公设、证明链条与四个算例 暗线:不许跳步
明线 · 公设、证明与《原本》暗线 · 不许跳步约前 300 年 · 亚历山大城全龄通识 · 三层可读
题解这一册怎么读p.2

欧几里得这个人,留下的东西少得奇怪。

没有画像,没有墓碑,没有一封书信,连生卒年都只能推测——大概生于公元前四世纪中叶,大概活到公元前三世纪中叶。后世给他编过许多轶事,多半靠不住。

但他留下了一部书。这部书在两千多年里被抄写、被翻译、被讲授、被注释,版本之多是任何一部数学书都比不上的。它不是一本答案集,它教人一件更难的事:怎样才算说清楚了。

三层

故事层——跟着画面往下读,先读那个争界、问路、画图的人。

数学层——暖金色的框里,是这一页真正的数学:公设、证明、算例。

注疏层——页面下方的小字,标注史料的出处与真伪,给一起读的大人。

五幕一览
第一幕 一条画不清的界 · 第二幕 先约定,再说话 · 第三幕 一步一证
第四幕 四件算得出的东西 · 第五幕 那条没被证明的公设
引子被水冲掉的一条线p.3

尼罗河每年泛滥一次。水来的时候,田界被抹平;水退的时候,两家人站在泥地上,各说各的。

「从这棵棕榈到那块白石头。」「不对,是从那棵到这块。」棕榈年年长,白石头被人搬去砌了墙。争到日头当顶,谁也说不动谁——因为两边都在说「这条线」,却没有人能说清线是什么。

丈量的人来了。他不听两家的说法,只做一件事:拿绳、立桩、拉直、量。他说:「先不管这条界在哪。先定下:什么叫直,什么叫相等,什么叫一块地。」

引子门口那行字p.4

雅典城外有一座园子,主人叫柏拉图。园门口据说挂过一行字:不懂几何者,不得入内。

这行字的意思,历来被讲成「门槛」。其实更像一句提醒:进来之前,先学会承认一件事——有些话必须先说定,才能往下说。

园子里的人不生产粮食,不修城墙,他们做一件看起来最没用的事:追问「为什么」。追问了三代人,追出一个麻烦——每个人都在用「显然」两个字跳过关键的一步,而两个人的「显然」常常不一样。

引子三百年攒下的一堆散页p.5

欧几里得来到亚历山大城的时候,希腊数学已经长了两三百年。

毕达哥拉斯学派知道勾股之数,欧多克索斯建立了比例论,泰阿泰德研究过不可通约量,还有许多无名的丈量者留下了面积与体积的算法。这些东西散在各处:有的是一句口诀,有的是一张图,有的是一段没头没尾的推理。

他要做的不是再添一条新定理,而是把这些散页装进一本书里——让每一条都从前面长出来,让最后一条也查得到源头。

故事 · 第一幕两家人,一条界p.6

水退的第三天,两家人把桩子重新打上,各拉一根绳,站在沟的两边。

左边的人说:「绳是从界石拉的。」右边的人说:「界石早没了。」左边的人说:「那就看树。」右边的人说:「树也挪过。」

说到后来,两边都不再说「线在哪」,而是各自说「我记得」。记忆对记忆,谁也压不过谁。丈量的人蹲下去,捏起一把泥,让泥从指缝里漏下去,说了一句话:「先别争这条线。先说说,什么叫做一条线。」

数学 · 第一幕眼睛会骗人p.7

丈量的人在地上画了两道横线,一样长。他看着两家人,问:「哪一道长?」

两边的人几乎同时指了上面那道。丈量的人从腰间取下一根绳,量了上面,又量下面——两段一模一样。

「眼睛不是用来判长短的。」他说,「眼睛只看得出大概。要说得准,得换一样东西。」

数学

这个把戏叫缪勒—莱尔错觉:两段等长的线,两端接上不同方向的箭头,一段就显得长、一段显得短。人被自己的眼睛骗了两千年,直到十九世纪末才被心理学家系统研究。

图里的两条线的长度其实相等,可它们看起来不等。这说明一件事:「看起来」与「是」是两回事。

几何学要的,是后者。

数学 · 第一幕哪几句话,必须先说定p.8

丈量的人从袋里取出十枚木牌,分成两叠。

「左边五枚,是许我做的事:许我过两点拉一条线,许我把线接长,许我以一点为心画一个圆。右边五枚,是许我说的话:等于同一个量的两个量相等;等量加等量还是等量;整体比部分大。」

「这两叠不许再问为什么。问下去就没有底了。但凡是从这两叠加起来的话,我一步步都指得出依据。」

数学

欧几里得把起点分成两类,这是《原本》最要紧的一处编排:

公设(postulate,五条)——规定「能作什么」。它是作图的许可,管的是尺与规的手。

共同概念(common notion,五条)——规定「能推什么」。它是关于量的通则,管的是推理的嘴。

后世把两者统称「公理」,其实混了两件事:工具的使用权与语言的使用权。前者造出图形,后者连接句子。

数学 · 第一幕十枚木牌p.9

五张公设卡,摊开来看,是这样的——

公设
Ⅰ·—·两点之间可作一线
Ⅱ——→线可沿直延长
Ⅲ◯可以任一点为心作圆
Ⅳ∟=∟所有直角彼此相等
Ⅴ∠+∠<2∟同侧内角不足两直角,则必相交

前三条是「动手许可」:能连线、能延长、能作圆。第四条最不起眼,却悄悄规定了「空间处处一样」——不然直角在甲地等于直角、到乙地就不等,一切测量都无从谈起。

第五条长得像一条定理,一点也不像「不许问为什么」的东西。欧几里得自己似乎也心里有数:他把这条压到极后面才用,《原本》前二十八个命题,一条也没用到它。

暗线 · 不许跳步错都藏在跳过去的那一步p.10

欧几里得有个习惯:每一步后面写一句「因为」。因为 A 是圆心,所以到圆周各点等距;因为两量都等于第三量,所以彼此相等。

这习惯看着笨。写了三百年的「因为」,希腊人自己也被它烦过。可正是这个笨办法,把一处隐藏极深的漏洞逼了出来——那是《原本》开篇第一个命题里的一步。

那里说:「以 A 为心、AB 为半径作圆;以 B 为心、BA 为半径作圆;两圆交于 C。」两圆为什么一定相交?

明暗交汇 · 第一幕从「我记得」到「查得到」p.11

埃及的丈量人也有本领。他们知道三、四、五能围出一个直角,知道圆的面积约等于直径的九分之八方。这些办法管用,师父传给徒弟,徒弟再传下去。

可徒弟若问「为什么」,师父只能答「历来如此」。

希腊人换了答法:不是「历来如此」,而是「请看这一步的依据,再看这一步,再看这一步」。说不服的地方,就回去补前提;补不出的前提,就明明白白列在最前面,承认它是假设。

小结 · 第一幕幕末 · 两句p.12
一争的不是一条线,是「凭什么算对」。眼睛与记忆都靠不住,得换一套能当众检查的说法。
二把说法拆到不能再拆,剩下的那几句,就是公设与公理。它们不被证明,只被承认——承认之后,一切都得听它们的。
故事 · 第二幕没有通往几何的王家大道p.13

亚历山大城的王宫里,托勒密问过一个问题:学几何,有没有近路?

照后世的记载,欧几里得答得很直:没有通往几何的王家大道。意思是,国王与挑夫走的是同一条路——都得一步一步走,一步也不能跳。

另有一则:一个刚学完第一个命题的学生问:「学这个能得什么?」欧几里得唤来奴仆:「给他三分钱,因为他要从学习里赚钱。」

数学 · 第二幕从「点」开始,就走不下去了p.14

《原本》卷一开头,列了二十三条定义。第一条最短:

点是没有部分的那种东西。《原本》卷一·定义 1

看到这里就该停一下:这不是定义,这是描述。它没有告诉人「点是什么」,只说了点「没有什么」。若再追问「部分又是什么」,又要用别的东西来解释,一路追下去没有尽头。

数学

定义链是这样的:面 → 边界是线;线 → 边界是点;点 → 没有部分。链条在此断掉。

后面的定义就顺了:直线是「与其上各点同样平齐地躺着」的线;角是「两条不共线的线在平面内相遇的倾斜」;圆是「由一条线围成的、从中心到线上各点距离相等的图形」。

这不是失败,是诚实:承认有些词无法再用更简单的词解释,只能靠指向与约定。所有严谨的学问,追到最深处都会遇到同一面墙。

数学 · 第二幕五条不许问为什么的话p.15

十枚木牌里的第二叠,欧几里得放在公设之后,称「共同概念」。这五条不专属于几何,凡讲量的事都用得上——买菜、分地、称粮,一样管用。

共同概念

一 等于同一个量的两个量,彼此相等。
二 等量加等量,所得相等。
三 等量减等量,所得相等。
四 能彼此重合的东西,彼此相等。
五 整体大于部分。

第四条最像「尺子」。它把「相等」这个难缠的词,换成一个动作:搬过去,盖住,不多不少。这就是「叠合」——后世称之为全等判定。

第五条听起来像废话,但它悄悄排除了「无限」掺进大小比较的可能。凡是想在整体与部分之间做手脚的推理,都被这一条挡住。

数学 · 第二幕一步只走一步p.16

有了前提,还得有走法。欧几里得每一步都写清三件事:现在做什么、凭什么能做、得出什么。

「连接 AB。」——凭公设一,两点可连一线。
「以 A 为心、AB 为半径作圆。」——凭公设三。
「因 A 为圆心,故 AC 等于 AB。」——凭圆的定义。

数学

《原本》的证明骨架,可以拆成四段:

① 已知 列出命题给的条件题设
② 作 用公设添线、添圆公设 Ⅰ—Ⅲ
③ 证 每句都注明依据定义/公理/已证
④ 结论 「故……即为所求」收束

另有一种走法,专在走不通时用:反证法。先假设结论不成立,一路推下去,推出一句自相矛盾的话,于是判定原假设不成立。卷九命题 20(素数无穷)就是这么证的。

暗线 · 不许跳步把「显然」拆开p.17

有两句话,人人从小就会说:两点之间,直线最短;三角形两边之和,大于第三边。

前一句,欧几里得放在定义里,算作约定。后一句,他不肯约定——他把它列成命题 I.20,认认真真证了一遍:延长一边,用等腰三角形与「整体大于部分」推过去。

为什么要费这个力?因为他知道:今天觉得不必证的,明天就会有人不信;而一旦不信,整个系统就断了。

明暗交汇 · 第二幕两千三百年后,有人又拆了一次p.18

欧几里得的「点」「线」「面」,凭直觉就能懂。可直觉这东西,人人不同。

1899 年,德国人希尔伯特出了一本《几何基础》。他做了件很狠的事:把「点」「线」「面」变成三个空名——不告诉读者它们是什么,只规定它们之间能有什么关系:两点定一线,两线至多交于一点,线上至少有两点的位置……

于是「点」可以被理解成桌上的粉笔头,也可以被理解成一组数、一个函数。只要关系成立,几何就成立。

小结 · 第二幕幕末 · 两句p.19
一定义有尽头:追到「点」就追不下去了。承认尽头,才谈得上严谨。
二五条公设管「能作什么」,五条公理管「能推什么」。这两叠牌不许再问为什么,但它们之后的一切,必须问得出为什么。
故事 · 第三幕第一次自己造一个图形p.20

学园里,一个少年拿到两样东西:一根绳、一枚钉。欧几里得给他一道题——地上这一小段,造一个三条边都一样的三角形出来。

少年蹲了很久。他先试着目测,画歪了;又试着走三步、拐个弯再走三步,还是歪。欧几里得只说一句:「不许猜。只许用那五张牌。」

少年想起第三张牌:以任一点为心、任意距离为半径,可作一圆。他把钉按在一端,绳拉紧,在沙上划了一道弧;又把钉按在另一端,划了第二道。两弧交于一点。他连起三条线,愣住——一样长。

数学 · 第三幕命题 Ⅰ.1 · 逐句p.21

把少年做的事,一句一句写下来,就是《原本》的第一条命题。

命题 Ⅰ.1 A B C
给一条线段 AB题设
以 A 为心、AB 为半径作圆公设 Ⅲ
以 B 为心、BA 为半径作圆公设 Ⅲ
两圆交于 C,连 CA、CB公设 Ⅰ
A 是圆心,故 AC = AB圆的定义
B 是圆心,故 BC = BA圆的定义
故 CA = CB = AB公理 Ⅰ
△ABC 为等边三角形等边定义

八行。没有一句「显然」。这就是「一步一证」的样子。

数学 · 第三幕一条链,从 1 排到 465p.22

《原本》十三卷,共 465 条命题。这些命题不是并列的,而是一条链:后面的靠前面的撑着,前面的靠公设与公理撑着。

卷一第一条造了一个等边三角形。第二条就用它,把一根给定的线段「搬」到另一个点上;第三条再搬一次;往后越滚越大,到第 47 条,滚出了勾股定理。

链条

看这条链的头几环:

Ⅰ.1 造等边三角形。
Ⅰ.2 从一个给定点作线段,等于给定线段。(靠 Ⅰ.1)
Ⅰ.3 从较长线段上截去一段,等于较短者。(靠 Ⅰ.2)
Ⅰ.4 两边及其夹角对应相等,则两三角形全等。(叠合)
Ⅰ.5 等腰三角形两底角相等。(「驴桥」)
……
Ⅰ.47 直角三角形斜边上的正方形,等于两直角边上正方形之和。

Ⅰ.47 往前追溯,会牵出四十多条命题;这些命题再往前,牵到公设。链条上没有一处悬空。

数学 · 第三幕尺与规,权限很小p.23

欧几里得的工具,权限小得可怜。

尺上没有刻度,不能量长度,只能过两点拉一条线;圆规不能「捏着半径走」,只能以已知点为心、过已知点画圆。想量一段多长,不行;想把一段长度挪到别处,也不许。

可就在这极小的权限里,他造出了整个几何。

数学

不许搬长度,怎么办?证一条命题,就为了搬长度。

命题 Ⅰ.2 的做法是:要搬 AB 到点 C,先以 C 为心、CA 为半径作圆,再借 Ⅰ.1 造等边三角形,用两次「等量减等量」把多余的部分削掉——长度就搬过去了。

这是个漂亮的转弯:限制越严,方法越硬。若尺上有刻度,Ⅰ.2 一句话就完了,可那样一来,「能作什么」就成了一件凭工具而定的事,而不是凭逻辑而定。欧几里得把工具削到最简,正是为了让每一步都只剩下逻辑。

暗线 · 不许跳步一台不认人的机器p.24

把证明看成一台机器:左边塞进三样东西——定义、公设、公理;中间是一道道可检查的工序;右边吐出一句话——「故……成立」。

这台机器有个古怪的脾气:它不认人。国王塞进去,与奴隶塞进去,出来的是同一句;名家塞进去,与初学者塞进去,也一样。它只认依据,不认身份。

人类此前所有的「说服」,靠的都是身份、辈分、神谕、人多。这是第一次,说服变成了一道谁都能复算的工序。

明暗交汇 · 第三幕现在,机器自己检查p.25

1976 年,两位数学家宣布解决了「四色问题」:任何一张平面地图,四色足够。

他们的证明有一千多页,其中一部分由计算机跑了一千二百小时。同行检查了很久,最后认了——不是因为看懂了每一行,而是因为程序可以重跑。

再往后,有人开始把整个数学写成机器可读的语言。定理与证明变成代码,机器逐行核对,一步也不许含糊。欧几里得那句「不许跳步」,被写成了编译器。

小结 · 第三幕幕末 · 两句p.26
一作图不是画得像,而是「每一步都许得可」。工具权限越小,方法越硬。
二证明是一台不认人的机器:输入前提,输出结论,中间每一步都当众可查。人类第一次有了这样的东西。
故事 · 第四幕十二个结的绳p.27

埃及的丈量人有一根著名的绳:十二个等距的结,首尾相接。三个人各拉一角,拉成一个三、四、五的三角形——那个对着五的角,一定是直角。

靠这根绳,尼罗河畔的田界、神庙的基座、金字塔的方角,都立得笔直。少年问丈量人:「为什么一定是直角?」

丈量人拍拍绳:「历来如此。师父的师父就这么拉。」

数学 · 第四幕Ⅰ.47 · 风车图p.28

欧几里得给的回答,不是「历来如此」,而是一张图——后世叫它「新娘的椅子」,也叫「风车图」。

三条边上各立一个正方形。要证的是一句话:两个小的面积加起来,正好等于大的。

命题 Ⅰ.47
连 AD、FC公设 Ⅰ
AB = FB,BD = BC正方形
夹角 ∠ABD = ∠FBC皆 90°+∠ABC
故 △ABD ≌ △FBCⅠ.4
△ABD = ½·正方形 ABFG同底同高
△FBC = ½·矩形 BDLM同底同高
故 正方形 ABFG = 矩形 BDLM公理 Ⅰ

另一半照做。两块矩形一拼,正是斜边上那个大正方形。

数学 · 第四幕造一个更大的素数p.29

素数有没有尽头?欧几里得的回答在卷九第 20 条,短得像一句咒语。

他把手上所有的素数全乘起来,再加一。

命题 Ⅸ.20

设有素数 p1, p2, …, pn,令

N = p1p2⋯pn + 1

若 N 本身是素数,则已得一个新素数。
若 N 不是素数,则它必被某个素数 q 整除。
而 q 不在 p1, …, pn 之中——否则它同时整除 p1⋯pn 与 N,就整除 1,不可能。

∴ 素数比任何给定的素数都多

试一个小的:2·3·5·7 + 1 = 211,211 是素数。
再大一点:2·3·5·7·11·13 + 1 = 30031,而 30031 = 59 × 509——它自己不是素数,但 59 与 509 都是新的。

数学 · 第四幕反复量,量到没有余p.30

还有一件更家常的事:两段长度,怎么找它们的「公共尺」?

办法笨得出奇——拿短的去量长的,量完剩下的,再拿剩下的一段去量原来短的;量到没有余,那段就是。

命题 Ⅶ.1–2

求 1071 与 462 的最大公约数:

1071 = 2 × 462 + 147

462 = 3 × 147 + 21

147 = 7 × 21 + 0

余数归零时,除数 21 即为最大公约数。

为什么对?因为 gcd(a, b) = gcd(b, r):凡能同时整除 a 与 b 的数,必整除余数 r = a − qb;反之亦然。故每做一次,问题就换成一对更小的数,而「公约数的集合」始终没变。

暗线 · 不许跳步数也有形状p.31

希腊人看数,先看形状。

把石子摆成三角形:一、三、六、十、十五……叫三角数。摆成正方形:一、四、九、十六……叫正方形数。摆不成任何形状的,比如二、三、五、七,叫「线数」——只能排成一条线。

这不是玩。形状里藏着关系:两个相邻的三角数一加,必得一个正方形数;一个正方形数拆开,又回到两个三角数。

明暗交汇 · 第四幕这四件东西,今天在哪里p.32

四件东西,过了两千年,都还在用。

后世

等边三角形——桁架、铁塔、自行车架。三角形是唯一「形状不会变」的多边形:三边定死,角就定死;四边形不行,一推就歪。

勾股定理——丈量、航海、三角学,直到相对论里的时空间隔 s2 = c2t2 − x2 − y2 − z2。同一个式子,换了符号,还在用。

素数无穷——RSA 加密。两个大素数相乘容易,拆回去极难;这条不对称,撑起了整个互联网的信任。

辗转相除——每个程序库里的 gcd,每次分数约分。它是「算法」这个词最古老的样本。

小结 · 第四幕幕末 · 两句p.33
一勾股定理不靠量,靠「同底同高」;素数无穷不靠找,靠「余一」。方法比答案长寿。
二四件东西分别落进建筑、物理、密码、程序。两千三百年前写在纸草上的句子,今天仍在机器里跑。
故事 · 第五幕修士推到了门口p.34

1733 年,意大利比萨,一位耶稣会修士在灯下写完最后一页。

他叫萨凯里。他用了一辈子的一种办法:先假设第五公设是错的,然后一路往下推,等推出矛盾,就反证出它是对的。

可他推了很久,矛盾一直没来。来的是一串奇奇怪怪的定理:三角形内角和小于两直角;过一点可以作无数条不相交的直线;三角形的面积有个上限……每一条都推得干干净净,每一条都不像错的。

最后他停笔了,写下一句:这些结论「与直线的本性相悖」。书出版,同年他去世。门就在他手边,他没有推开。

数学 · 第五幕那条长得像定理的公设p.35

第五张牌是十张里最别扭的一张。它不像是「许可」,倒像是「结论」;它提到了「无限延长」,而其余四张只谈眼前的一小段。

两千年里,一代代人想把它从另外九张牌里推出来。推不出来,就换一种说法再推。

第五公设

欧几里得原文:若一条直线与两条直线相交,使同侧内角之和小于两直角,则这两条直线无限延长后,必在该侧相交。

普莱费尔形式(1795,今中学课本所用):过直线外一点,至多可作一条直线与已知直线平行。

两者等价——可以互推。前者说的是「何时相交」,后者说的是「有几条平行」,其实是同一件事的两面。

为什么它这么难证?因为它说的是「无限远处」的事。前四条公设,在一小片纸上就能验证;这一条要一直走下去,走到无穷也未必看得见结果。凡涉及无穷的断言,都无法靠有限的检验来确认。

数学 · 第五幕换一条假设,世界就变了p.36

把第五张牌换掉,会发生什么?

换法有两种:一种是「过直线外一点,可以作不止一条平行线」;另一种是「一条也作不出」。改一个字的功夫,整个几何跟着变。

三种几何

平直(欧氏):内角和 = 180°。过点恰有一条平行线。

球面(黎曼型):内角和 > 180°。没有平行线——任何两条「大圆」都相交。多出来的部分叫角盈,正好等于三角形面积除以球半径的平方。

双曲(罗巴切夫斯基型):内角和 < 180°。过点有无数条平行线。少掉的部分叫角亏,也与面积成正比。

180° − (∠A+∠B+∠C) ∝ 面积

最后这一句很厉害:它说明三角形的「胖瘦」可以被测出来。在一张无限大的纸上,只要量三个角,就知道这张纸是平的还是弯的——不必走出去看。

数学 · 第五幕弯不弯,可以算p.37

1829 年,俄国喀山,罗巴切夫斯基把一篇论文交给《喀山通报》。他在里面假设「过直线外一点,可作无数条平行线」,然后把整个几何重推了一遍——没有矛盾,而且自成一体。

三年后,匈牙利一位年轻军官鲍耶也从另一条路走到了同一处。他把结果寄给父亲的老朋友高斯。高斯回信说:这结果我三十年前就有了,只是没敢发表。

曲率

这三种几何,可以用一个数分开:高斯曲率 K。

K > 0 球面——曲面在同一侧弯曲,像橘子皮。
K = 0 平面——像一张纸,卷成筒也不改其平。
K < 0 马鞍面——一个方向向上弯,另一个方向向下弯。

最妙的是高斯的「绝妙定理」:K 是内蕴的。住在曲面上的人,不必飞到外面看,只靠面内的测量——量三角形内角和、量圆周与直径之比——就能算出 K。

暗线 · 不许跳步公设是一扇门,不是一句真理p.38

两千年里,人们一直以为第五公设不够清楚,所以要去证明它。

十九世纪之后才明白:它清楚得很,只是它不是关于世界的真理,而是一扇门的选择。选这扇门,进去是欧氏几何;选那扇,进去是双曲几何。两扇门后的世界各自自洽,谁也不能吃掉谁。

这是数学史上最难咽下的一口饭:原来「真」可以不止一种,只要各自的前提不同。前提之间,没有真假可比,只有有用与否。

明暗交汇 · 第五幕星光为什么会拐弯p.39

1915 年,爱因斯坦写完广义相对论。他在里面做了一个大胆的假设:引力不是一种力,而是时空的弯曲。

太阳附近的星光,会沿着弯曲的时空走,于是看起来偏了一点。1919 年日食,两支观测队分别测量,偏折的角度与他的计算相符。

他用的工具,正是黎曼与高斯那一套:度量、曲率、测地线。欧几里得画了两千年的那张平纸,第一次被物理学家卷了起来。

小结 · 第五幕幕末 · 两句p.40
一第五公设两千年证不出来,不是前人笨,是它本来就不是能证的东西——它是前提,不是结论。
二换掉一条前提,就换出一个世界;而这些世界各自自洽。数学的「真」,从此要与「前提」绑在一起说。
收束回望:一条链子p.41

回望这一册,是一条链子慢慢长成的过程。

先是两根桩、一段绳——只想把一条界画直;后来是十枚木牌——把「什么叫直」说定;再后来是八行字——造出一个等边三角形;最后是一整部书——四百六十五条命题,环环相扣。

绳、牌、字、书。东西换了四次,做的事只有一件:让每一步都指得出依据。

收束一本书走了两千年p.42

欧几里得死后,这本书没有停在他的学园里。

它被抄成纸草卷,从亚历山大城散出去;九世纪被译成阿拉伯文,巴格达的学者逐条校注;十二世纪译成拉丁文,进入欧洲的修道院与大学;一四八二年,威尼斯印出第一版——此后五百年,它的印本数量仅次于《圣经》。

一六〇七年,北京。徐光启与意大利人利玛窦合译前六卷,取名《几何原本》。今天课本里的「几何」「平行线」「三角形」「直角」,许多词都是那一次翻译定下的。

收束 · 留问还有什么是可以换的p.43

十九世纪的人发现,第五公设可以换。那么,还有什么是可以换的?

「等于」能不能换?——能。把「等于同量的量相等」换成别的,会得到一种奇怪的算术。

「整体大于部分」能不能换?——能。一旦允许整体与部分「一样多」,就进入了无穷的世界。那里房间住满了还能再住客,自然数与平方数一样多。

每换一次,就多出一片天地。而每一次换,都必须先把原来那句「不许问为什么」的话,明明白白写出来。

动手做 一用绳与钉造一个等边三角形p.44

材料:一根细绳、两枚钉、一块沙地(或一张大纸、一支铅笔、一枚图钉、一根线)。

一 在纸上点两点 A、B,相距约一掌宽。
二 量出 AB 的长度,把绳(或线)剪成正好这么长。
三 一枚钉按在 A,绳端系在钉上,另一端绑笔,拉紧,画一道弧。
四 换到 B,同样画一道弧。两弧相交于 C。
五 连 CA、CB。三条边一样长。

要点

绳长必须正好等于 AB——多一分少一分都不成。这正是「以 A 为心、AB 为半径作圆」的意思:半径不是一个随便的数,是「A 到 B 的距离」这个具体的东西。

两弧为什么一定相交?在纸上画,它们当然相交;但严格说来,这一条要靠「连续性」来保证,欧几里得的公设里并没有写。两千年后才被补上——这正是 p.10 讲的那处缝隙。

动手做 二剪两刀,拼成一个大方块p.45

材料:方格纸、剪刀、胶水。

一 在方格纸上画一个直角三角形,两条直角边取 3 格与 4 格,斜边正好是 5 格。
二 三条边上各画一个正方形:小的是 3×3 = 9 格,中的是 4×4 = 16 格,大的是 5×5 = 25 格。
三 把两个小正方形剪下来。
四 试着把它们铺进大正方形里——正好铺满,一格不剩。

数学

9 + 16 = 25

这就是勾股定理最朴素的样子。换成任意直角三角形,同样成立:

a2 + b2 = c2

不过要留意:剪拼只「验证」了 3-4-5 这一个情形,没有证明它对所有直角三角形都成立。欧几里得在 Ⅰ.47 里做的,是后者——对所有情形一次说清。

小典 一术语 · 记号p.46
公设
不加证明而承认的「能作什么」。欧几里得列了五条:连线、延长、作圆、直角相等、平行判定。
公理(共同概念)
不加证明而承认的「能推什么」,是一切关于量的推理共用的通则,共五条。
定义
把一个词换成更简单的词。追到「点」就追不下去——点没有部分,无法再用别的东西解释。
命题
从前提推出的一句断言。《原本》共 465 条,分「定理」(证明其真)与「作图题」(作出所求)。
证明
把一句断言拆成一串可逐步检查的推理,每步注明依据。
反证法
先假设结论不成立,推出矛盾,从而判定原假设不成立。Ⅸ.20 与第五公设的两千年都用它。
全等
能彼此重合的图形。欧几里得的判据是「叠合」,公理四即由此而来。
平行
同一平面内不相交的两条直线。欧氏几何中,过线外一点恰有一条。
辗转相除
反复以余数除除数,直至整除;最后的除数即最大公约数。今称欧几里得算法。
素数
只能被 1 与自身整除的大于 1 的整数。Ⅸ.20 证明其无穷多。
记号 AB 线段 · △ABC 三角形 · ∠ABC 角 · ≌ 全等 · ∥ 平行 · ⊥ 垂直 · ∟ 直角 · gcd(a,b) 最大公约数
小典 二人名 · 典籍p.47
欧几里得(约前 300)
希腊数学家,活动于亚历山大城。生平不详,著《原本》十三卷,另有《数据》《光学》《现象》等。普罗克洛斯称其为「柏拉图派」。
托勒密一世(前 367—前 283)
亚历山大城统治者,据传曾问欧几里得学几何有无近路。
欧多克索斯(约前 390—前 337)
比例论与穷竭法的创立者,《原本》卷五、卷十二多本其说。
泰阿泰德(约前 417—前 369)
不可通约量与正多面体研究者,《原本》卷十、卷十三多本其说。
普罗克洛斯(412—485)
新柏拉图派哲学家,《欧几里得〈原本〉第一卷注》为现存最早的欧几里得传记材料。
萨凯里(1677—1733)
意大利耶稣会士,以归谬法研究第五公设,距非欧几何一步之遥。
罗巴切夫斯基(1792—1856)
俄国数学家,1829 年首次公开发表双曲几何。
鲍耶·亚诺什(1802—1860)
匈牙利数学家,1832 年独立得到非欧几何,附于其父著作之后发表。
高斯(1777—1855)
德国数学家,自 1813 年起私下相信非欧几何可能存在,终身未正式发表。
希尔伯特(1862—1943)
德国数学家,1899 年《几何基础》重建欧氏几何的公理系统。
徐光启(1562—1633)· 利玛窦(1552—1610)
1607 年合译《几何原本》前六卷于北京,「几何」一名自此始。
李善兰(1811—1882)· 伟烈亚力(1815—1887)
1857 年续译后九卷,1865 年合刊为足本。
典籍
《原本》(Στοιχεῖα,十三卷)· 希罗多德《历史》· 普罗克洛斯《注》· 徐光启《刻几何原本序》· 《周髀算经》
延伸 一身边的「公设」p.48

「不许问为什么,先认下来」的话,其实到处都是。

下棋:马走日,象走田。没人问「凭什么马走日」,规则就是规则。定了规则,才有输赢。

开车:红灯停,绿灯行。靠左还是靠右,各国不同——但一旦定了,全国都按这个走,路才不乱。

写程序:变量名不能以数字开头;括号必须成对。这些也不是「真理」,是约定。定了,程序才跑得起来。

延伸 二从《原本》到今天p.49

《原本》的体例,被后世反复借用。

牛顿写《自然哲学的数学原理》,通篇仿《原本》:先立定义与公理,再一条条命题推下去。斯宾诺莎写《伦理学》,干脆用「定义—公理—命题—证明」的格式讲哲学。

据说林肯年轻时读《原本》,一直读到能背下大部分证明。他说,律师训练他的是「找依据」,而几何教他的是「每一步都得有依据」。

家长导读 一这一册在讲什么p.50

这一册不打算教「几何知识」,它想让孩子看见一件事:人凭什么说自己是对的。

故事的外壳是争地、问路、画图,内核是一条很硬的思想:把「显然」拆开,把前提摆明,让每一步都当众可查。这套做法,是希腊人留给世界最耐用的一件工具——比任何一条定理都耐用。

三层读法

给孩子的——看图,听故事。谁在争?为什么争不清?那个蹲在地上的人想出了什么办法?

给少年的——跟着证明走一遍。Ⅰ.1 只有八行,可以逐行问:「这一行的依据是什么?」问得出,就是读懂了。

给大人的——留意页脚小注。哪些是史实,哪些是「相传」,哪些是后世附会,都标了出处。这份分寸感,本身就是教育的一部分。

家长导读 二留下的问题p.51

三个可以不急着回答的问题,留给亲子一起慢慢聊。

三问

一 为什么要「先说定」,才能「往下说」?
因为两个人若对「直」的理解不同,后面的争论就永远没有交点。先把共同的前提说清楚,分歧才落得到具体的地方——这一条不只用于几何,也用于一切讲道理。

二 公设既然是「假设」,那数学还可靠吗?
可靠,但可靠的方式变了:它不再承诺「世界必然如此」,而是承诺「若接受这些前提,则结论必然如此」。这是一种更谦逊、也更结实的可靠。

三 欧几里得若知道第五公设长出了非欧几何,会怎么想?
大概会意外,但不会觉得被推翻。因为他做的正是「把前提摆明」的事——摆明了,后人才能换掉它,再重新推一遍。这是他的方法允许的。

写下想法
(此处留给亲子手写。读完这一册,最想留住的一句话是什么?)
版权版权与编目p.52
编目

《数学家的故事绘本》第一辑 · 第 01 册
欧几里得 · 一步一证

明线:五条公设与五条公理 · 定义链 · 证明的工序 · 命题 Ⅰ.1 与 Ⅰ.47 · Ⅸ.20 素数无穷 · Ⅶ.1–2 辗转相除 · 第五公设与非欧几何
暗线:不许跳步 · 把前提摆明,让每一步当众可查

时代:约公元前 300 年 · 亚历山大城(下延至 1919 年星光偏折之观测)
主典:《原本》十三卷;普罗克洛斯《欧几里得〈原本〉第一卷注》;希罗多德《历史》;徐光启、利玛窦《几何原本》(1607)

体例:扉页与题解 2 页 · 引子 3 页 · 五幕 35 页(每幕:故事 1 · 数学 3 · 暗线 1 · 交汇 1 · 小结 1)· 收束与留问 3 页 · 动手做 2 页 · 小典 2 页 · 延伸 2 页 · 家长导读 2 页 · 版权 1 页,共 52 页。

《数学家的故事绘本》第一辑十册:欧几里得 · 刘徽 · 费马 · 秦九韶 · 笛卡尔 · 伽罗华 · 高斯 · 希尔伯特 · 黎曼 · 陈省身。本册为第一册。