圓錐曲線源起
在希臘數學中,有三個眾所皆知的問題,它們被稱為「化圓為方」、「倍立方」、「三等分任意角」。化圓為方的意思是作一個正方形,其面積與一給定圓的面積相等。倍立方,就是構造一個立方體,其體積是已給定立方體體積的兩倍。三等分任意角,就是將任意一個角分為相等的三部分。這些作圓問題,限於僅僅使用一把直尺(沒有刻度,僅供為畫直線用),一隻圓規,不允許使用任何其他的工具。這些對於作圖工具的限制,表明了古希臘人對待數學的態度,而直尺和圓規都是直線和圓的對應物。整體來說,希臘人在研究幾何上,會有這種非理性的限制,目的是為了保持幾何學的簡單、和諧,以及由此產生的美學魅力。
因此,以柏拉圖為代表的希臘學者,認為引入複雜的工具來解決古希臘的作圖問題,雖對手工繪製是可取,但對於一個思想家來說則是不足稱道,柏拉圖更認為,利用複雜的工具,那麼「幾何學的優點」就會盪然無存,因為這樣的話,我們又重新使幾何學退到了感性世界,而不是用思想中永恆的、超越物質的思維想像力去提高、充實它。
對於圓錐曲線的研究起源,一種說法是,解倍立方問題
(以尺規作),可能是整個發展的起點。Hippocrates(公元前5世紀)認為若能做出連續比例中項
( 其中x代表2的立方根)。
因此,由這件事來解決倍立方問題,用現在我們熟悉的想法來說就是找出x2
= ax 與y2
= 2ax這兩個拋物線的交點。不過!要用尺規作圖來做拋物線是不可能做到的。
但在探討許多尺規作圖的過程中,數學家常有其他的發現。例如約西元前4世紀的Menaechmus就對圓錐曲線十分感興趣,他認為拋物線雖然無法以尺規作出,不過利用直線與圓,藉由比例,可以作出拋物線上的某些點,至少可以大致描繪出它的圖形。
他的理論基礎即以底下將長方形化成正方形的作圖出發,現在圖解如下:
由圖一x、y、z的關係知:x2 = yz
圖一
圖二,即是利用此原理,作一正方形,使其面積等於一長寬分別為a,b的矩形面積的簡易圖解:
圖二
圖(三)即可描繪出y2 = ax的大致圖形。
圖三
大體而言,圓錐曲線研究是由Euclid(公元前4世紀),Apollonius(-287~-221)以圓錐被一平面從不同的角度所截來看待,方開始蓬勃發展。現在我們以代數方式來學習圓錐曲線,似乎極為自然,但對於古希臘幾何學而言,也不陌生,例如Euclid稱一個直角三角形以一股為軸旋轉,斜邊轉出而成的曲面叫圓錐,用平面以不同的角度來切割,即可切出三種不同的截痕。
而現在所用的名稱如:
hyperbola(雙曲線)、parabola(拋物線)以及ellipse(橢圓) 此三字是Apollonius延續Euclid的觀點所使用的。從字母表面根本看不出個玄虛,若單從一般從字典,亦只能發現Hyper-表「超過」、「多」之意;para-表「平行」之意;而ellipsis為「省略」之意。事實上,Apollonius對圓錐曲線所提出hyperbola(雙曲線)、parabola(拋物線)以及ellipse(橢圓)這三個字,是謂「超過」、「重合」或「短於」的三個意思,說得更朋白一些hyperbole、parabole及ellipsis,就是more、equal及less之意。
由上面四個圖,可以看到:
(1) 當一截平面與傾斜超過(more than)圓錐的傾斜角θ其截面為雙曲線,如圖一。
(2) 當一截平面與傾斜等於(equal to)圓錐的傾斜角θ其截面為拋物線,如圖二。
(3) 當一截平面與傾斜少於(less than)圓錐的傾斜角θ其截面為橢圓,如圖三。