平面解析几何的产生 学案 (1)

第四讲 平面解析几何的产生
一、自学目标：了解平面解析几何的产生背景与发展，了解笛卡儿和费马在解析几何上的贡献。
二、自学内容提炼
（一）导入新知
1、历史背景
解析几何是17世纪最伟大的数学成果之一，它的产生有着深刻的原因．
首先，生产力的发展对数学提出了新的要求，常量数学的局限性越来越明显了．例如，航海业的发展，向数学提出了如何精确测定经纬度的问题；造船业则要求描绘船体各部位的曲线，计算不同形状船体的面积和体积；显微镜与望远镜的发明，提出了研究透镜镜面形状的问题；随着火器的发展，抛射体运动的性质显得越来越重要了，它要求正确描述抛射体运动的轨迹，计算炮弹的射程，特别是开普勒发现行星沿椭圆轨道绕太阳运行，要求用数学方法确定行星位置．所有这些问题都难以在常量数学的范围内解决．实践要求人们研究变动的量．解析几何便是在这样的社会背景下产生的．
其次，解析几何的产生也是数学发展的大势所趋，因为当时的几何与代数都相当完善了．实际上，几何学早就得到比较充分的发展，《几何原本》建立起完整的演绎体系，阿波罗尼奥斯的《圆锥曲线论》则对各种圆锥曲线的性质作了详尽的研究．但几何学仍存在两个弱点，一是缺乏定量研究，二是缺乏证题的一般方法．而当时的代数则是一门注重定量研究、注重计算的学科．到16世纪末，韦达(F．Vieta， 1540—1603)在代数中有系统地使用字母，从而使这门学科具有了一般性．它在提供广泛的方法论方面，显然高出希腊人的几何方法．于是，从代数中寻求解决几何问题的一般方法，进行定量研究，便成为数学发展的趋势．实际上，韦达的《分析术引论》(In artem analyticem isagoge)等著作中的一些代数问题，便是为解几何题而列出的．
第三，形数结合的思想及变量观念是解析几何产生的直接原因．南斯拉夫的盖塔尔迪(M．Ghetaldi，1566—1626)已初步具有形数结合的思想，他于1607年注释阿波罗尼奥斯的著作时，便对几何问题的代数解法作了系统研究．1631年出版的英国哈里奥特(T．Harriot，1560—1621)所著《实用分析技术》(ArtisAnalyticae Praxis)，进一步发挥了盖塔尔迪的思想，使几何与代数的结合更加系统化．变量观念则是在数学的应用中产生的．开普勒把数学应用于天文学，伽利略(Galileo Galilei，1564—1642)把数学应用于力学，而在天文学和力学中都离不开物体的运动，于是，数学中的变量观念便应运而生了．在这种情况下，一些杰出数学家们把几何、代数同一般变量结合起来，从而创立了解析几何．费马和笛卡儿几乎是同时独立地创立这一学科的，这个事实充分说明在条件成熟时产生一个新学科的必然性．
2、费马的工作
费马(P．de Fermat， 1601—1665)是一位多才多艺的学者．他上大学时专攻法律，毕业后以当律师为生，并长期担任法国图卢兹(Toulouse，费马出生地)议会的顾问．实际上，他在30岁以后才开始进行数学研究．他不愧是一位数学天才，尽管数学工作仅占据了他的一部分时间，他那丰硕的成果却令人目不暇接．17世纪的数论几乎是费马的天下，费马大定理的魅力至今仍不减当年；在牛顿(I．Newton)和莱布尼茨(G．W．Leib-niz)之前，他为微积分的创立作了大量的准备工作，取得十分出色的成果；他和帕斯卡一起，分享了创立概率论的荣誉；在解析几何上，他也是一位名副其实的发明者．
费马的《 》(Introduction aux Li－eux Planes et Solides)是他在解析几何方面的代表作．这本书是1630年写成的，但一直到1679年才出版，那时费马已经死了14年．费马的著作表明，他的研究工作是以古希腊阿波罗尼奥斯的《圆锥曲线论》为出发点的．他在书的开头写道：“毫无疑问，古人对于轨迹写得非常多……．可是，如果我没有想错的话，他们对于轨迹的研究并非是那么容易的．原因只有一个：他们对轨迹没有给予充分而又一般的表示．”费马认为给轨迹一般表示只能靠代数．他很熟悉韦达的代数工作，又受到前人用代数解决几何问题的启发，所以他着手解决轨迹的一般表示的问题时，就毫不犹豫地求助于代数．他不仅使代数与几何结为伴侣，更重要的是他把变量思想用于数学研究，这正是他比哈里奥特等人高明的地方，也是他创立解析几何的主要思想基础．
费马的一般方法就是 法．坐标概念古已有之，以坐标系为参考来确定点的位置，这是古希腊人已经熟悉的．但费马凭借他的变量观念和形数结合的思想，在这块数学园地里培育出新的成果．他把坐标平面上的点和一对未知数联系起来，然后在点运动成线的思想下，把曲线用方程表示出来．这种以代数方程表示几何曲线的方法，无疑是解析几何的精髓．
费马的研究重点是圆锥曲线，他通过自己的实践揭示了圆锥曲线的方程特征——含有二个未知数的二次方程．
费马在总结自己的工作时说：“直线是简单唯一的；曲线的数目则是无限的，包括圆、抛物线，椭圆等等．”他把二次以内的曲线分为 轨迹和 轨迹两类，说：“每当构成轨迹的未知数的顶端所描出的是直线或圆时，这轨迹就称为平面轨迹；当它描出的是抛物线、双曲线或椭圆时，它就称为立体轨迹．”至于其他曲线，他一律称为线性轨迹．他重点研究了直角坐标系下的曲线方程，说：“若令两个未知量构成一给定的角，通常假定它为直角，并且未知量之一的位置和顶端是确定的，则此方程是很容易想象的．如果这两个未知量的幂都不超过二次，则由后面所述便能明白，其轨迹是平面轨迹或立体轨迹．”他在书中确定了各种轨迹的方程，其基本形式为(以现代记法表示)：

(3)圆的方程a2－x2＝y2；
(4)椭圆方程a2－x2＝ky2；
(5)双曲线方程a2＋x2＝ky2；
(6)双曲线方程xy＝k2；
(7)抛物线方程x2＝ay．
费马对高次曲线的研究也是卓有成效的．他提出许多以代数方程定
整数)，它们分别被后人称为费马抛物线、费马双曲线和费马螺线．另外，费马还与一位叫阿格内西(M．G．Agnesi，1718—1799)的意大利女数学家在通信中讨论了一种新曲线，即
b3=x2y+b2y．
这种曲线问世后，被称作阿格内西箕舌线．
费马在研究轨迹的过程中，不仅考虑到一维和二维的情形，还进一步探讨了三维空间的轨迹问题．他正确指出：一元方程确定一个点，二元方程确定一条曲线(包括直线)，而三元方程则确定一个曲面．这类曲面包括平面、球面、椭球面、抛物面和双曲面．不过，他没有用解析方法对这些曲面进行具体研究．
由于时代的局限，费马在研究轨迹时不考虑负坐标，他的曲线一般只画在第一象限，尽管他知道这些曲线是在其他象限延续的．这就使他的工作缺乏完整性．例如，他认为任何齐二次方程都表示直线，因为x2=y2可化成x=y．另外，从指导思想来看，他并不想打破希腊数学传统，把自己的思想看作希腊数学思想的继续，认为解析几何不过是阿波罗尼奥斯著作的一种新的表现形式．这种认识对于他的解析思想的发挥无疑具有阻碍作用．例如，他虽然在坐标系内讨论了阿波罗尼奥斯的各种圆锥曲线，但从未考虑过两条曲线在同一坐标系内的相交问题，更不知道交点的代数意义．相比之下，笛卡儿的解析思想更为深刻，他创立的解析几何也更为成熟．
3、笛卡儿的工作
（1）笛卡儿传
笛卡儿(R．Descartes，1596—1650)是17世纪的天才．他是杰出的 家和 家，是近代生物学的奠基人之一，在物理学方面也作了许多有价值的研究．
．
1596年3月31日，笛卡尔出生在 国土伦(Tournine)的一个律师之家，早年丧母，八岁时被父亲送到当地的一所耶酥教会学校．由于他身(R．Descartes1596—1650)体较弱，父亲与校方商定，允许他每天早晨多睡些时间．于是，笛卡儿养成了晚起的习惯．长大以后，他经常在早晨躺在床上思考问题，据说他的大部分成果出自早上那段适宜思考的时间．
笛卡儿成年后的生活，可以1628年为界分成两个阶段．他16岁时离开家乡，去外地求学， 20岁(1616年)时毕业于普瓦捷(Poitiers)大学，在巴黎当了律师．他在那里结识了数学家梅森(M．Mersenne)和迈多治(C．Mydorge)，经常和他们一起讨论数学问题．笛卡儿于1617年到荷兰，参加了奥兰治(Orange)公爵的军队，后来又到其他军队服务．他参军的目的主要是弥补学校教育的不足，并无明显的宗教或政治倾向．1621年以后，他先后到德国、丹麦、荷兰、瑞士和意大利旅行．在当兵和旅行的日子里，他的数学研究一直没有中断，他把解决数学问题当作自己的乐趣．在荷兰布雷达(Breda)地方的招贴牌上，笛卡儿发现一个挑战性的问题，很快就解决了，这使他自信有数学才能，从而更认真地研究数学． 1625年回到巴黎后，他为望远镜的威力所激动，开始钻研光学理论，同时参加了德扎格等数学家的讨论，并继续他的哲学探索．1628年，他写成第一部哲学著作《思想的指导法则》(Regulae ad DirectionemIngenii)．在这个阶段的生活中，他实际上已为他后来创立唯理论的认识论奠定了基础，为发明解析几何创造了条件．
由于笛卡儿对《圣经》持批评态度，受到国内封建教会的排斥．1628年，笛卡儿移居荷兰，开始了第二阶段的生活．他的主要学术著作，都是在那里的20年中完成的，包括《宇宙论》(LeMonde，1633年写成，1664年出版)、《方法论》(Discours dela Méthode， 1637)、 《形而上学的沉思》(Meditationes dePrima Philosophia，1640)、《哲学原理》(PhincipiaePhilosophiae，1644)、《激情论》(Traité des Passions delame，1649)．《方法论》一书有 个附录——《折光》(La Di-optrique)、《气象》(Les Météores)和《 》(La Géo－métrie)．其中第 个附录便是笛卡儿创立解析几何的标志．很明显，笛卡儿最关心的是哲学问题．实际上，他的解析几何只是他的哲学思想在数学中的体现，所以著名数学史家克莱因(M．Kline)说，笛卡儿“只偶然地是个数学家．”
1649年，笛卡儿接受瑞典女王克利斯蒂娜(Christina)的邀请，去斯德哥尔摩担任了女王的宫廷教师，不幸在那里染上肺炎，于1650年2月11日病逝．
2．笛卡儿的数学思想
笛卡儿是以哲学家的身分来研究数学的．他认为自己在教会学校里没学到多少可靠的知识，所以从青年起就认真思考这样的问题：人类应该怎样取得知识？他勇敢地批评了当时流行的经院哲学，提倡理性哲学．他说圣经不是科学知识的来源，并且说人们应该只承认他所能了解的东西．尽管笛卡儿从未否认过上帝存在，他的这些话还是惹恼了教会，以至在他的葬礼上不准为他致悼词．
笛卡儿认为逻辑不能提供基本的真理，他说：“谈到逻辑，它的三段论和其他观念的大部分，与其说是用来探索未知的东西，不如说是用来交流已知的东西．”那么，什么地方提供真理呢？这就是客观世界，而数学正是客观存在的事物，所以数学里必然包含许多有待发现的真理．他认识到严格的数学方法是无懈可击的，不能为任何权威所左右，他说数学“是一个知识工具，比任何其他由于人的作用而得来的知识工具更为有力，因而是所有其他知识工具的源泉．”
笛卡儿从他的数学研究中得出一些获得正确知识的原则：不要承认任何事物是真的，除非对它的认识清楚到毫无疑问的程度；要把困难分成一些小的难点；要由简到繁，依次进行；最后，要列举并审查推理步骤，要做得彻底，使无遗漏．对于数学本身，他相信他有清楚的概念，这些数学概念都是客观存在的，并不依赖于人是否想着它们．笛卡儿强调要把科学成果付之应用，要为人类的幸福而掌握自然规律．
笛卡儿数学研究的目标是建立一种把 和 结合起来的科学，吸取 与 的优点，而抛弃它们的缺点．他对逻辑学、欧氏几何及代数都很熟悉，尤其强调代数的价值．他批评希腊人的几何过多地依赖于图形，主张把代数用到几何中去．他认为代数在提供广泛的方法论方面，高出希腊人的几何方法．他强调代数的一般性和程序性，认为代数的这些特点可以减小解题的工作量．他证明了几何问题可以归结为代数问题，因此在求解时可以运用代数的全部方法．由于代数语言比几何语言更有启发性，所以在问题改变形式以后，只要进行一些代数变换，就可以发现许多新的性质．显然，在笛卡儿的数学研究中，代数是居于主导地位的．这种数学思想具有重要意义，因为它终于使代数摆脱了几何思维的束缚，而在文艺复兴之前，这种束缚是长期存在的．例如，x，x2，x3通常被看作长度、面积和体积，方程次数不能高于三次，因为高于三次的方程就难于找到几何解释了．卡尔达诺(G．Cardano)、费拉里(L．Ferrari)等对高次方程的研究，使代数有了独立于几何的倾向，而笛卡儿的工作则使代数完全摆脱了几何的束缚，又反过来用代数方法研究几何问题．他在研究中引入了变量思想，认为曲线是这样生成的：在坐标系内，随着一个坐标的变化，另一个坐标也相应变化，每对坐标决定一个点，这无穷多个点便组成曲线．他用方程表示曲线，把曲线上的每一个点看作方程的一组解，从而把代数与几何在变量观念下统一起来，这是他创立解析几何的基础，我们从他的著作中可以看得很清楚．
3．笛卡儿的《几何》
《几何》分 卷．第一卷的前半部分是解析几何的 知识，通过典型例题说明如何把 用于几何，解决尺、规作图问题；后半部分则包含笛卡儿解析几何的 ．第二卷讨论曲线方程的 及 性质，提出按方程次数对曲线进行分类的方法．第三卷讨论如何用圆锥曲线解高次方程，以及高次方程的性质．
笛卡儿指出：“如果我们逐次给线段y以无限多个不同的值，对于线段x也可找到无限个值．这样被表示出来的C点就可以有无限多个，因此可把所求的曲线表示出来．”这就在变量思想指导下，把数与形统一起来了．这是数学史上一项划时代的变革，从此开拓了变量数学的新领域．
笛卡儿以方程次数为标准，对曲线进行了系统的分类．他认为：几何曲线是那些可用一个唯一的含x和y的有限次代数方程来表出的曲线，所以方程次数决定了曲线的种类．他研究了各种圆锥曲线，指出圆锥曲线都是二次的；另一方面，二次方程(指二元二次方程)的曲线也都是圆锥曲线．他把方程次数强调到这种程度，以至认为像x3+y3-3axy=0(图10．14，即笛卡儿叶线)这样复杂的曲线，比曲线y＝x4还要简单．笛卡儿坚持曲线与方程相对应，对任何一条曲线，只要可以找到适合于它的方程，他立即当作几何曲线来研究．这就突破了欧氏几何只用圆规、直尺作图的局限，以前一向为几何学家所回避的许多曲线，便有了和常见曲线相同的地位．至于不能用代数方程表示的曲线，如螺线和割圆曲线等，笛卡儿一律称之为机械曲线．
第三卷侧重于代数．笛卡儿在解几何作图题时，首先把问题用代数表示，然后解所得出的代数方程，并按解的要求来作图．他还提出利用圆锥曲线来解三次和四次方程的方法，即用同一坐标系内两条圆锥曲线的交点来表示方程的解．这是数学史上的一项革新，它提供了解方程的一个有力工具．笛卡儿用这种方法求出了形如z3=±pz±q和z4=±pz2±qz±r的方程的实根．
在第三卷中，还有一部分内容是专门讨论方程的，具有独立的代数意义．著名的笛卡儿符号法则就是在这里提出的．
纵观笛卡儿的《几何》，虽然篇幅不过百页，却已奠定了解析几何的基础．笛卡儿把曲线与方程相联系的观点，不仅是曲线理论而且是整个数学思想的重大突破．他还进一步认识到，如果两条曲线以同一个坐标系为参考，则其交点由它们的方程之解来确定．这种思想远远高出了他的同时代人，正如数学史家芬克(Karl Fink)所说：“从来都没有谁作过任何尝试，企图把不同次数的几条曲线同时表示在一个坐标系中……甚至连费马也没有尝试过．笛卡儿所系统完成的恰恰是这件事．”
但是，笛卡儿同费马一样不考虑负坐标，这就不可避免地给他的研究工作带来局限性．另外，他对几何作图题的强调掩盖了解析几何的主要思想——用代数方程表示并研究曲线．许多和他同时代的人认为解析几何主要是为了解决作图问题．当然，笛卡儿本人是清楚这门学科的意义远不止于此的．他在《几何》的引言中说：“我在第二卷中所作的关于曲线性质的讨论，以及考查这些性质的方法，据我看，远远超出了普通几何的论述．”
笛卡儿的《几何》还有一个特点，即很少证明．实际上，笛卡儿不仅熟悉欧氏几何的证明方法，也完全会用代数方法证明几何问题．他有意删去定理的证明，大概是为了使文章简短和利于自学．他在一封信里把自己比做建筑师，说自己的工作是指明应该做什么，而把手工操作留给木工和瓦工．他还说：“我没有做过任何不精心的删节．”他在《几何》中明确表示：他不愿夺去读者们自己进行加工的乐趣．他说之所以删去大多数定理的证明，是因为如果读者系统考查他的题目，则证明就成为显然的了，而且这样学习会更为有益．不过，由于笛卡儿的《几何》过于难懂，还是影响了解析几何的传播速度．后来有人给此书写了许多评注，使它易于理解．
4、解析几何的进一步发展
（1）范·斯柯登、瓦利斯和克拉梅等人的工作
范·斯柯登将笛卡儿的《几何》译成拉丁文，撰写介绍性评论，于1649年出版，并再版了若干次.对宣传、改进解析几何起了积极作用.
约翰·瓦里士在《论圆锥曲线》一书中有意识地引进负的纵、横坐标，使坐标几何中的曲线扩大到整个平面.
克拉梅在《代数曲线的解析引论》一书中第一次正式使用ｙ（纵）轴（1750年）.
（2）伯努利等人关于极坐标系的工作
雅各·贝努利1691年在《教师学报》上发表了一篇关于极坐标的文章，是极坐标的发明者.
赫尔曼于 1729年正式宣布极坐标的普遍可用，且自由地应用极坐标去研究曲线，并建立了直角坐标系和极坐标系的互换公式.
欧拉扩充了极坐标的使用范围，并且明确地使用三角函数的记号.
（二）选例讲解：
1、《几何》第一卷，笛卡儿明确指出用代数方法解决几何作图题的实质在于“定出所求线段的长度”．他首先定义了单位线段，在此基础上又定义了线段的加、减、乘、除和开方．例如，假定取AB为单位，笛卡儿说：“我只需要连接点A和C，然后引DE平行于CA，那么BE就等于BD和BC的积”，“如果要求用BD来除BE，我就连接E和D，再引AC平行于DE，那么BC是除的结果．”(图10．9)“如果要求CH的平方根，我沿同一直线加上FC，FC等于单位，然后在K点将FH二等分．我以K为中心画圆FIH，再从C引垂线到I，那么CI就是所要求的根．”(图10．10)虽然对线段的运算古已有之，单位线段却是笛卡儿首次引入的．它的意义在于突破了几何对代数的束缚——齐次原则．根据这一原则，不同量纲的几何量不能相加，方程ax2＋bx＋c＝0是没有几何意义的，因为ax2表体积，bx表面积而c表长度，属于不同的量纲．而笛卡儿引入单位概念之后，使所有几何量都通过单位而变成统一的关于数的表示．于是图形中各种量的关系就转化成数的关系，这是把代数与几何统一起来的关键．
笛卡儿在把代数方法用于几何时，首先是用未知数去表示特定的线段．例如某几何问题归结到求一个未知长度x，而x满足方程x2＝ax＋
作出x，笛卡儿先作直角三角形NLM(图10．11)，其中LM＝b，
地，若x满足方程x2=-ax+b2，则x为MP．
解析几何的精髓是用代数方程表示几何曲线，笛卡儿通过帕波斯问题引入了这一崭新的方法．该问题是：设AB，AD，EF和GH是四条给定直线，从某点C引直线CB，CD，CF，CH各与一条给定直线构成已知角CBA， CDA， CFE，CHG，要求满足CB·CF＝CD·CH的点的轨迹．
笛卡儿的解法是：首先假定已得到轨迹上的C点，然后以AB和CB为主线，考虑其他直线与主线的关系．笛卡儿记AB为x，BC为y，这相当于设了两个相交的坐标轴，当然与现在直角坐标系中的x轴和y轴还有所区别．这样，线段CB，CD，CF和CH的长度便可由x和y确定了．由于三角形ARB的所有角已给定，所以AB与BR之比一定，设AB∶BR=z∶b，因AB＝
　
因为AB， AD，EF是三条给定直线，所以AE长度是确定的，设AE＝k，则EB＝k＋x(或k-x，或-k＋x，依E，A，B三点的根对
（2）在《几何》的第二卷中，笛卡儿详细讨论了曲线方程的推导及各种曲线的性质．我们从下面的例子可以领会他的思路．
设直线l1⊥l2于A，G是l1上的定点，射线m(笛卡儿说是直尺)绕端点G旋转，交l2与L，射线n的端点K沿l2滑动，LK为定长．笛卡儿试图导出m与n的交点的轨迹方程．他设C为轨迹上任一点，过C作CB∥BA，交l2于B，过L作LN∥GA，交n于N，他以A为原点建立坐标系，并设BC＝y，AB＝x，设GA，LK和NL三个已知量为a，b，c(图10．13)
　
　　
这显然是双曲线的方程．
（3）第三卷侧重于代数．
则圆与抛物线在轴左边的交点F给出方程的正根，笛卡儿称为“真正的根”；另一边的交点G和H则表示方程的负根，笛卡儿称为“假根”，因为他不承认方程的负根．实际上，笛卡儿是把圆和抛物线放在以A为原点的同一坐标系内来考虑的．若用现代符号表示，则抛物线方程
为 x2=y， (1)
圆的方程为

化简得 x2＋y2＝qx＋(1+p)y． (2)
把方程(1)和(2)联立，所得解的x值即圆与抛物线的交点的横坐标，也就是方程z3＝pz＋q的解．在这里，笛卡儿把方程的解、方程组的解，以及代表方程的曲线的交点都统一在坐标系内，这种思想是相当出色的．
在第三卷中，还有一部分内容是专门讨论方程的，具有独立的代数意义．著名的笛卡儿符号法则就是在这里提出的．
（三）化解疑难
1、简述笛卡儿坐标系建立的意义。
答：笛卡儿把代数提高到重要地位，其意义远远超出了他对作图问题的洞察和分类。这个关键思想使人们能够认识典型的几何问题，并且能够把几何上互不相关的问题归纳在一起。代数给几何带来最自然的分类原则和最自然的方法层次。因此，体系和结构就从几何转移到代数。
2、比较笛卡儿和费马解析几何的方法。
笛卡儿和费马研究解析几何的方法大相径庭，表达形式也迥然不同：
首先，费马主要是继承了希腊人的思想，尽管他的工作比较全而系统，正确地叙述了解析几何的基本原理，但他研究的重点放在完善阿波罗尼奥斯的工作上。因此古典色彩浓厚。并且沿用了韦达以字母代表数的思想，因此需要读者对韦达的代数知识有充分的了解.而笛卡儿则是从批判古希腊的传统出发，走的是革新古代方法的道路。
笛卡儿的方法更具一般性，适用范围也更加广泛.其次，费马从方程出发研究它的轨迹，笛卡儿则从轨迹开始建立它的方程，这正是解析几何中一个问题的正反两种提法，但各有侧重。前者是从代数到几何。后者是从几何到代数.从历史发展来看，笛卡儿的儿何学更胜一筹。更具突破性.总之，笛卡儿和费马共同分享了创立解析几何的殊荣.