幾何學的最高境界
文章來源: 歐洲聯盟2022-01-14 22:02:49

在我剛到加拿大時,翻看了安省的數學教學大綱及其說明;其中一句話讓我百思不得其解:Geometry must go! 幾何必須滾蛋?在他們把中學13年製改為12年製(始於2002年,我移民的第一年)時,把13年級的《幾何》與《微積分》合並成了《Calculus and Vectors》塞到了12年級(也不知道把函數合並到11年級),讓學生們從11年級進入到12年級時,幾乎就像從小學升入大學那般困難!而整個的幾何內容,到九年級時才學了球和圓錐的體積與表麵積,常見幾何圖形的基本性質那是根本不提!全等與相似的概念到了十年級才開講,十一年級根本就沒有幾何;到了十二年級就隻教點向量的概念和運算、而且是在微積分之後,你讓學生怎麽去學好數學—關於數字與形狀的學問?

有人說,這是政府故意而為:就是讓學生們上不了大學、即使上了大學也畢不了業。為啥?要你早早去打工,給老人們養老掙錢。我認為是教學大綱的製定者都沒有大學畢業,不清楚整個數學的結構,更不知道最高端的數學是什麽,甚至可能連什麽是《數學》都不知道。我曾經寫博文說,在加拿大搞創新就是一個笑話;結果有網友回複說,加拿大不是製造了國際太空站上的機械臂嗎?可以肯定的是,那個機械臂的設計者肯定是在校外學了別的幾何知識。

近日有學生要去參加EGMO(European Girl’s Mathematics Olympiads]的選拔賽,發現那一日三題之中必有一道平麵幾何證明題(另外兩道多為函數與組合數學);這可咋辦?從小學到高中都沒有被教過幾何證明題。幾何證明通常有三種辦法:一是從已有歐氏幾何定理推導,可誰記得那麽多的定理?還要巧作輔助線才行。二是坐標化。我記得中國數學家吳文俊,搞出了幾何定理的機器證明,基本出發點就是坐標化,據說還要使用拓撲學的知識;可惜,我們並沒有見到適用的應用程序。如果一個個點設未知數去列方程的話,還不知道何年何月才能解完。第三種方法是使用向量。它介於純粹推理與坐標化之間;既不需要作輔助線,也不需要解大量的方程。缺陷是,對於曲邊形很麻煩。

有不有三全其美的辦法呢?有。在二維空間裏使用複數,在三維時空中使用四元數。對於平麵上的任何曲線,一個單參數的複數表示就夠了。兩點間的距離是兩個複數之差的模;一個點繞另一個點的旋轉,隻要乘以一個指數函數;以一點為中心的伸縮,隻要乘以一個適當的倍數。兩條曲線的交點,通過解方程就可求出(用模與幅角,不必涉及到坐標)。切線、弧長、麵積,可以通過導數和積分求出。這真正做到了代數化,能有一個軟件自動計算就好了。

四元數從它被Hamilton發明之始,曾經在英國受到大力追捧。由於其乘法運算的不可交換性,開方運算的無窮性,帶來許多不便,後來又被向量取代了。現在隻有計算機專業的人士還知道一點,數學家們都拋棄它了。但是,用數來表示形確實是方便的;我們就沒有其它種類的數了嗎?點集拓撲學中沒有分析,微分幾何中沒有計量;難道就不能在高維空間裏,用一個數來代替一個向量?讓它的某些運算可以表出大小的計量?

在內積空間中,我們可以定義長度、正交的概念;在複空間裏還是無法定義角度。向量乘向量等於向量的運算,至今沒有定義(在三維以上的空間);其實這是可以做到的。把角度複數化就可以了,再加上正交投影為最短距離的公理。在有限維空間裏的分析學便可以建立起來;無限維的空間呢,現實中不存在,隻不過是數學家們的想像罷了,不要計量分析也罷!