1. Geometry 几何学源自古代农业生产活动中发展的测量土地技术,欧几里得的《几何原本》是古典几何的集大成。中国古代很早就发现了勾股定理、掌握了割圆术等一系列几何学知识,可惜受制于封建统治阶级的意思形态,科学技术对没有对社会生产力产生直接的推动,近现代几何学一直为西方主导。随着数学三大基础方向的发展,代数学和几何学的融合,导致解析几何的产生,分析学在几何方向催生出曲面几何、拓扑学等。几何学自身也在蓬勃发展,在欧氏几何上发展出非欧几何(黎曼几何)、微分几何、分形等科学分支。本文主要记录一些笔者在解析几何的思考。
2 Line in 2d 初中我们就学过平面的直线方程:
$$ y = kx+b\quad\quad (1) $$
老师会告诉我们这个公式(1)斜率是$k$,$b$是$y$轴偏移,但是很不幸的是,这个方程并不能表示所有的平面直线,像$x=1$这类与$x$轴平行的直线是没有办法写成(1)的,因为斜率不能为’$\infty $’!。所以在计算两点$A(x_1,y_1),B(x_1,y_1)$构成的直线时,我们需要分情况判断: $$ \begin{cases} x=x_1,\quad x_1=x_2 \\ y=\dfrac{y_1-y_2}{x_1-x_2}x+\dfrac{x_1y_2-x_2y_1}{x_1-x_2},\quad x_1\ne x_2 \end{cases} $$ 那么,有没有高级的方程,可以不用搞这么麻烦呢?答案是有的,高中老师告诉我们,直线有一般方程,可以统一描述所有直线: $$ ax+by+c = 0\quad\quad (2) $$ 这个方程倒是解决了上述问题,但是初次接触是不如(1)式直观,参数$a、b、c$在当时看来没有几何意义的,对比(1)里面的斜率和截距$k、b$就很直观,而且参数还多了一个。一般方程的几何意义在学习了向量之后才会比较明确,我们先回忆下向量相关的基础知识,向量也叫矢量,具有方向,一般第一次接触都是用笛卡尔坐标来描述,就是$x-o-y$轴上的分量来给定向量坐标,大部分高中生都默认这个为向量的定义,但其实向量在代数学中是和向量空间一起定义的,一组向量基构成一个向量空间,而向量是这些基的线性组合,由于向量空间具备封闭性,向量的线性组合仍然位于空间内,直观解释就是,将平面内的任意向量线性相加仍然在平面内,三维的向量$\bar{v}$在基坐标$(1,0,0)、(0,1,0)、(0,0,1)$的线性组合下仍然位于三维空间内,这个线性组合的系数正是向量坐标: $$ \vec{v} = x\cdot(1,0,0)+y\cdot(0,1,0)+z\cdot(0,0,1) $$ 向量具备一些基本性质,如线性性、交换性等,这些都是向量空间的基本性质,只不过限于初次接触时知识不够,没有办法了解,到后面学习了高等代数和向量空间,这些都是自然而然的结论。向量有两种重要的运算,即内积和外积,向量内积的定义为: $$ \vec{a}\cdot \vec{b} = |a|\cdot |b|cos<a,b>\quad \quad (3) $$ 内积是一个标量,其大小等于两个向量的长度积乘两向量夹角的余弦。向量长度定义为$\sqrt{x^2+y^2}$,几何意义就是距离坐标原点的距离(由勾股定理得)。内积也可以写成: $$ (a,b)\cdot(c,d) = ac+bd \quad\quad (4) $$ (3)和(4)是如何等价的?这个也困扰了我很久,直到我知道了欧拉公式: $$ e^{ix}=cosx+isinx \quad\quad (5) $$ 将$\vec{a}\cdot \vec{b}$写成$\vec{a}=r_1(\cos \alpha ,\sin \alpha)=r_1e^{i\alpha},\vec{b}=r_2(\cos \beta,\sin \beta)=r_2e^{i\beta}$,内积可以写成: $$ \vec{a}\cdot \vec{b} = r_1\cdot r_2\cdot e^{i(\alpha-\beta)} = r_1 cos\alpha \cdot r_2 cos\beta + r_1 sin\alpha \cdot r_2 sin\beta + i r_1 r_2sin(\alpha-\beta)\quad\quad (6) $$ 上式中的实数部分(位于平面内)正好就是$ac+bd$,虚数部分的含义有点迷,暂时也不用管了(这个是外积部分,在平面外)。……
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