Euclid of Alexandria · 约前325–约前265

欧几里得

他定下了数学此后两千三百年的写法

公理定理定理\text{公理} \Rightarrow \text{定理} \Rightarrow \text{定理}
公理化方法 · 今天每一篇数学论文的骨架

关于欧几里得本人,我们几乎一无所知:生卒年只能推到「约前 325—约前 265」,出生地不详,连他是一个人还是一群人用了同一个名字,学界都争论过。可以确定的只有一件事——他在托勒密一世治下的亚历山大里亚教书,并写下了《几何原本》。

《原本》十三卷,从五条公设、五条公理出发,一路推出四百六十五条命题。它真正的发明不是里面任何一条定理——那些大半是前人的——而是<b>把它们组织起来的方式</b>:先说清楚假设什么,再一步不跳地推。这套写法此后成了数学的标准形态,没有第二种。它也是历史上再版次数仅次于《圣经》的书,两千年里一直是欧洲的几何教科书。

欧几里得肖像
尤斯图斯·范·根特绘,约1474 · Wikimedia Commons,公有领域。无真容传世,此为后世想象;画上拉丁题名写的是「墨伽拉的欧几里得」,那是文艺复兴时期把两个欧几里得混为一谈的结果。

生平

  1. 约前325
    约生于此时

    生平几乎无可考。后世关于他的一切轶事,都出自五百年后的普罗克洛斯。

  2. 约前300
    《几何原本》成书

    在亚历山大里亚。十三卷,五条公设起步,推出四百六十五条命题。

  3. 第一卷 命题29
    第一次用到第五公设

    前二十八条一条也没用它——他自己显然也觉得这条公设不够自明。

  4. 第七卷 命题1–2
    辗转相除法

    求两条线段的公度。今天仍在运行的最古老算法。

  5. 第九卷 命题20
    素数有无穷多个

    给任何有限清单,都能造出一个清单外的素因子。

  6. 约前265
    约卒于此时

    据传他对托勒密王说:几何无王者之路。

展品厅

绝大多数展品都可以亲手把玩——这是本馆的立馆之本;少数以叙述为主的,做成故事展签。

镇馆之宝 · 亲手玩

第五公设

关掉它,勾股定理就倒了——非欧几何从这里开始。

α+β<π两线相交\alpha + \beta < \pi \Rightarrow \text{两线相交}

前四条公设一句话就说完,只有第五条啰嗦得像个定理。欧几里得自己显然也不放心:第一卷命题 1 到 28 一条也没用它,一直拖到命题 29 才动手。关掉它,剩下的叫「绝对几何」,在欧氏与双曲几何里同时成立;倒下的那些里赫然有勾股定理——在双曲几何里它是错的。此后两千年无数人想把它证出来,结果证出了一整个新几何。高斯、罗巴切夫斯基、黎曼那条线,起点就在这块地基上。

把第五公设关掉,看哪些命题跟着倒

前四条公设一句话就说完(两点连一线、线段可延长、圆可以画、直角都相等), 只有第五条啰嗦得像个定理。欧几里得自己显然也不放心:第一卷的 命题 1 到 28,一条也没用它,一直拖到命题 29 才第一次动手。 关掉它,剩下的那部分叫「绝对几何」——在欧氏几何与双曲几何里同时成立。 倒下的那些里赫然有勾股定理:在双曲几何里它是错的。 此后两千年,无数人想把第五公设证出来,结果证出了一整个新几何—— 高斯、罗巴切夫斯基、黎曼那条线,起点就在这块地基上。

素数有无穷多个

给我一份有限的清单,我就造一个不在上面的素因子。

N=p1p2pn+1N = p_1p_2\cdots p_n + 1

《原本》第九卷命题 20。把清单里的素数全乘起来再加 1,这个数除以清单里任何一个都余 1,所以它的素因子必然在清单之外——清单永远不完整。这个证明有个流传极广的误传:说构造出来的数一定是素数。不是。2×3×5×7×11×13+1 = 30031 = 59×509。证明只需要「存在清单外的素因子」,而这恰恰是它比表面上更精巧的地方。

《原本》第九卷命题 20。给我任何一份有限的素数清单,我就造一个数出来: 全部乘起来再加 1。它除以清单里任何一个都余 1,所以清单里的素数一个也 整除不了它——它的素因子必然在清单之外。清单永远不完整,素数没有尽头。 这个证明有个流传极广的误传:说 N 一定是素数。不是。2×3×5×7×11×13 + 1 = 30031 = 59 × 509。证明只需要「存在清单外的素因子」, 而这恰恰是它比表面上更精巧的地方。

辗转相除法

两千三百年,一步没改,今天每次握手都在跑。

gcd(a,b)=gcd(b,amodb)\gcd(a,b) = \gcd(b,\, a \bmod b)

《原本》第七卷命题 1–2,求两条线段的公度:从长方形里不断切下最大的正方形,最后那个正方形的边长就是最大公约数。它是今天仍在天天运行的最古老的算法——每一次 HTTPS 握手、每一次 RSA 生成密钥,背后都要用扩展欧几里得算法求逆元。相邻的斐波那契数是它最慢的情形,步数与位数成正比,这个界后来叫拉梅定理。

这是今天仍在天天运行的最古老的算法——两千三百年,一步没改。 每一次 HTTPS 握手、每一次 RSA 生成密钥,背后都要用扩展欧几里得算法求逆元。 试着把两个数调成互素:正方形会一路切到边长 1,gcd = 1。 再试 89 和 55 这样相邻的斐波那契数——那是它最慢的情形, 步数与数字位数成正比,这个界后来被称作拉梅定理。

《几何原本》:两千年的教科书

再版次数仅次于《圣经》。

十三卷,四百六十五条命题,从五条公设推起。它真正的发明不是里面任何一条定理——那些大半是前人的——而是把它们组织起来的方式:先说清楚假设什么,再一步不跳地推。这套写法此后成了数学的标准形态,没有第二种;牛顿的《原理》刻意模仿它的体例,斯宾诺莎用它写伦理学,林肯据说随身带着它学怎么讲道理。

故事展签故事展签:一本教科书,定了此后两千三百年的写法。

传承

他的工作没有留在十八世纪——每条链的终点,都是你今天正在使用的东西。

公理化方法现代数学的写法每一篇论文的定义—定理—证明
第五公设的两千年非欧几何黎曼几何与广义相对论
辗转相除法数论算法RSA 与今天的每一次加密握手

语录

几何无王者之路。

—— 普罗克洛斯《几何原本第一卷注》,约公元 450 年转述——据说是他对托勒密一世说的;成书距欧氏已五百余年,真伪难考

给他三个铜板吧,他非要从学到的东西里捞点好处不可。

—— 斯托拜乌斯转述,对一个问「学几何有什么用」的学生所说;同样是后世转述