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◎ 几何学的5条公理

在我整理的所有初中数学的课程当中,几何学的知识架构是我认为最难讲的。为什么呢?因为几何学的知识是浑然一体的,要对这门学问做出绝对科学严谨而又完美的分类,几乎是不可能的。这并不是说几何知识不能分类,而是它的分类方法实在是太多了,具体的分类方式至少有十几种,而且还没有哪一种方案是绝对完美的。

以一个最简单的问题为例:把平行四边形、长方形、正方形、菱形这四个几何图形做个分类。可以按直角分类,把长方形和正方形分一组;还可以按照等边分类,把正方形和菱形分一组。尽管我们可以按照现行教科书的分类方法,把长方形和菱形都归属到平行四边形中,但这样一来我们就发现,无论把正方形归属到长方形那边还是归属到菱形这边都不是太合适。别急,我的分类方法还没完呢?我可以认为一切图形都是由正方形变化得到的:长方形是正方形水平拉长以后的结果;菱形是正方形倾斜扭转以后的结果;平行四边形呢,又是长方形倾斜后的结果。虽然分类方法如此众多,但是却没有任何一种分类方法是完美无缺的。这才仅仅4个图形就让人如此晕头转向,《几何原本》中有400多个定理呢!谁能告诉我,应该怎么分类才最合适?没办法,因为几何学原本就是一个整体,而分类就意味着要把很多知识割裂开来看待。

那么,欧几里得的《几何原本》是按照什么方式叙述的呢?它基本上是按照这些命题之间的依赖关系叙述的,先讲简单的命题,再讲复杂的命题,同时兼顾一下不同的形状。中学教科书中则完全是按照几何图形分类的:先讲平行线,而后是三角形、四边形、圆形。这样的分类方法是严谨的、循序渐进的,这种方式不但符合做学问的需要,也适应教学和考试的要求。但它的缺点也很明显,那就是枯燥乏味。我深知,没有多少人有耐心能够从头到尾地把《几何原本》读完。那么,与之相对的另一个思路,就是完全实用化的思路,我可以分别讲看图和作图,分别讲求长度、求面积、求体积的方法,然后再讲一些日常生活和工作的例子。但是,如果这样讲述,我就把一本《几何原本》,硬生生地讲成了《九章算术》。如此,不但几何学中的美感荡然无存,而且也丝毫不能提升学生的逻辑推理能力。怎么样把学术性和实用性结合起来,怎么样使课程编排兼具知识性和趣味性,怎么样让孩子爱上数学,这才是我的最终目的。我绞尽脑汁地思来想去,最终决定:不做严格的分类!这也算无招胜有招吧。我的具体思路是这样的:

我要从《几何原本》的几个公理和公设出发,从人类最早使用几何学的起点出发,沿着历史一路走来,一边解决具体问题,一边把这些几何定理重新发现一遍,再在中间穿插一些解题思路,最后再讲一些现代生活中的具体应用。应该说,这个思路是没有什么章法可言的,但是我认为这样讲是合适的,因为代数知识就像一座庄严的宫殿,欣赏代数的美就得站得高高的,从上至下宏观地看待;几何知识就像一座瑰丽奇妙的苏州园林,只要能够身临其境,无论从哪个角度看,我们都能发现它独特的美。而如果看几何知识像欣赏代数一样,只是站在高高的位置上看一张平面图,就感受不到几何应有的美感和趣味了。因此,在后续的几何学课程中,我会徐徐展开人类历史的画卷,像讲故事一样把几何的定理的始末缘由娓娓道来。那么,现在就让我们回到5000年前的古埃及,面对刚刚被尼罗河水冲刷得一干二净的广袤原野,我们拿着手中的绳子,准备重新把土地分给大家。

当面对一望无际的原野时,我们首先应该想到的,不是欧几里得的几条定义和公理,而是一个更基础的问题,什么叫面积?欧几里得没有给出面积的定义,我们得自己找!我们知道,平分土地的目的是耕种,那么简单地说,所谓面积相等,就是说两块土地里能够种下的粮食一样多。因为种粮食的时候,种子都是按照行列的方式播种的,所以,我们就可以按照植株的行列数的乘积来衡量一块土地的大小。因为土地是一个平面,又因为它需要长、宽的乘积来计算大小,所以我们就把长、宽的乘积叫作土地的面积。那么,如何判断土地面积是否相等呢?最直接的办法就是种好庄稼看一看,如果种的植株一样多,那就是一样的。可惜这样的办法行不通,因为我们不能在分土地之前种庄稼,而且植株的距离可能会稍微有点差别,以它为基准是不精确的。

那么,如何判断面积是否相等呢?最简单的方法就是:如果两块土地的形状大小完全一样,我们就可以认为它们的面积是相等的。但什么叫完全一样呢?如果我们能够把一块土地搬起来,挪到另一块土地上,两块土地能够严丝合缝地相互重叠,那我们就认为这两块土地的大小是完全相等的。没错,相互重合的两个图形全等,这就是第一条最基本最重要的公理。可问题在于,土地是搬不动的,那怎么办?很简单,我们可以把一块巨大的牛皮蒙在这块土地上,把它裁剪成这块土地的形状,按照牛皮的大小形状重新划出一块土地,那么这两块土地的形状肯定也是一样的。不错,这就是第二条公理:与同一个物体(这里是牛皮)相等的两个物体彼此也相等,在代数里我们曾经学过等式的传递性,它在几何学里就是第二公理。可是,土地太大了,一张牛皮蒙不下,怎么办?用几张牛皮合起来也是一样的,这就是第三条公理:整体等于部分之和。那么,如果几张牛皮也不能把整块土地盖住,我们可不可以用这几张牛皮覆盖两次呢?第一次都覆盖住一部分土地,然后,挪到另一个地方再根据牛皮的样式划出同样的一块土地;而后再来一次,把土地的另一部分也这样挪动过来,听起来也是可以的,因为两次规划的土地分别等于原来的土地的一部分,所以它们的和应该也是相等的。等量加等量和相等,等量减等量差也相等,这又是两条独立的公理。于是,欧几里得的5条公理, 全部都在这里了:

(1)相互覆盖的图形是全等的;

(2)与同一事物相等的两个事物彼此也相等;

(3)整体等于部分之和;

(4)等量加等量,和相等;

(5)等量减等量,差相等。

其实,看了这5条公理,我倒觉得欧几里得挺笨的,他只算了等量的加减,没有关心等量的乘除,而且他应该把这几条公理合并成一条,那就是:任何等量经过相同的变化以后结果仍然相等。这句话看起来很眼熟,这又是什么呢?它就是我们学过的等式的协变性!不错,这就是《几何原本》的5条基本公理告诉我们的一切。简单来说,它告诉了我们什么是相等,以及等式的传递性和协变性。

当古埃及人拿着牛皮在地面上忙得不亦乐乎的时候,忽然有一个智者哈哈大笑了起来:“你们可真笨,为什么非要用整张牛皮覆盖住这些土地呢?”那么,关于平分土地,他又有哪些更好的办法呢? 9+ltaoI+gySaHXeXwYIm3U+UgE+GqcxABe+ohCZmDwCwdjuNLJ/2BYYNT45E+lI6

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