一、为什么读它
学生时代,几何等于背定理加画辅助线。我从没把它当一本书读,只当一堆必须记住的结论。那些结论为什么成立、凭什么成立,老师不讲,我也不问。
后来起了一个念头:一本被当作教科书用了两千年、又被当成「真理」典范的书,究竟靠什么站住?抱着这个念头翻进去,撞见两个意外。
一个是开头。它列在卷首的,不是五条不言自明的真理,而是五条请你先答应的请求。另一个是第一条命题:作一个等边三角形,几步就做完,可我盯着图看了半天,才看出它偷偷用掉了一个谁也没写明的假设。
二、先看骨架
《几何原本》共十三卷,约四百六十五条命题(通行本通常作 465 条),成书于公元前三百年左右,是亚历山大里亚时期几何知识的一次大整理。第一卷开头列出 23 条定义、5 条公设、5 条公理(又称「共同概念」)。它全程不用代数符号,凡涉及数量运算,都用线段和图形来做——所以书里常有「拿图形代替公式」的段落,读起来像在动手,而不是在计算。
十三卷的分工,我先列成一张表:
| 卷 | 内容 |
|---|---|
| 一 | 定义、公设、公理;三角形与平行线的基本命题,含勾股定理 |
| 二 | 用几何方式处理代数恒等式,即所谓「几何代数」 |
| 三—四 | 圆的性质,以及内接、外接多边形 |
| 五—六 | 比例论与相似形 |
| 七—九 | 数论:整除、比例,以及素数无穷 |
| 十 | 不可通约量的分类 |
| 十一—十二 | 立体几何,以及用「穷竭法」处理体积 |
| 十三 | 构作五种正多面体,全书以此收束 |
展开:我读时最在意的几条命题(我的私人批注)
- I.1:作等边三角形。全书的第一个证明,只有寥寥几步
- I.5:等腰三角形底角相等。中世纪有个绰号叫「驴桥」,相传是学几何的第一道坎
- I.47:勾股定理。它的图形俗称「新娘椅」,也叫「风车」
- V:比例论。用「量」而不是「数」来处理比例,技术上最难
- IX.20:素数有无穷多个。全书最出名的纯数论命题
- XIII:五种正多面体的构作,全书收尾处
一个提醒:「公设」和「公理」在中文里常被合起来说,其实本来分得很清。五条公设谈的是图形世界的操作——作线、作圆、相交;五条公理谈的是关于「相等」的普遍规矩。分清这一点,往后读每一卷才知道它默认了什么。
三、摘录与旁注
关于起点:第一条就是一句请求
设:由任意一点到任意一点,可以作一条直线。
——第一卷,公设一1
它被排在全书最前面,措辞却是一个「设」——不是在陈述事实,是在请求你答应。欧几里得把地基修成了一份协议:这些事,请你先点头,后面的讨论才谈得下去。
我的旁注:这一步其实很现代。一切严谨的推理,都得先把「前提从哪里来」交代清楚。他不假装前提是从天上掉下来的,只把它摊在桌上,问你认不认。
关于最不像公设的那条公设
若一条直线落在两条直线上,使同旁内角之和小于两直角,则这两条直线无限延长后,必在那一侧相交。
——第一卷,公设五
着重点前四条公设都短得像常识:两点连线、线段可延长、可作圆、直角都相等。唯独第五条又长又绕,怎么看都不像「显然」。两千多年里,无数人想把它从其余几条里推出来,直到十九世纪才有人掉过头来承认:它不是必然,只是众多选择之一。
我的旁注:这条被嫌别扭的公设,后来长出整片非欧几何。最不起眼的一条假设,反而成了最有出息的一条。
关于第一个证明:一个没说出口的假设
在一条给定的有限直线上,作一个等边三角形。
——第一卷,命题一
这是全书的第一次证明,短得几乎看不见。以线段两端为圆心作两个圆,取它们的交点,连起来,三角形就成了。
藏在图里的那一步
欧几里得的作法是取两个圆的交点。可翻遍五条公设,没有一条保证「两个圆一定相交」——它默认了这件事,只是没写出来。两千多年后,希尔伯特重排几何公理时,专门补上了一批这类被默认的前提。这不算挑错,而是看清一件事:最讲究的书,也会在显而易见的地方留一个缺口2。
我的旁注:读到这里我才明白,所谓「严谨」,不是没有漏洞,是把漏洞摆到一个你迟早会撞见的位置上。
关于全书最有名的一条
在直角三角形中,直角所对边上的正方形,等于两直角边上正方形之和。
——第一卷,命题四十七
笔记==换成今天的写法,就是 。==但欧几里得不用字母,他画三个正方形,用割补说明大正方形怎么拼成两个小的。同一个事实,一边是符号,一边是图形,他选了后者。
我的旁注:这个图在中世纪被叫作「新娘椅」,也有人说像风车。名字越叫越花,道理其实只有一句:换一种摆法,面积守恒。
关于意料之外的一卷
素数的个数,比任何指定的素数个数都要多。
——第九卷,命题二十
着重点一本从头到尾讲图形与线段的书,忽然给出这样一条纯数论的断言。证明干净得惊人:任取一组素数,把它们乘起来再加一,所得的数要么本身是素数,要么能被一个不在这组里的素数整除——无论如何,列表之外总有素数。
我的旁注:这一卷最能说明这本书的气质。它讲的不是某条结论有多惊人,而是「证明」这件事本身可以走到多远。
读它之前:两件小事
一个是版本。中译本里,「公设」「公理」「定义」的译法并不统一,同一处有的译「公设」有的译「假设」,读着容易串。挑本子时,先翻到第一卷开头,看它怎么排列表头那三条,大致就知道这本的脾气。另一个是方法。它不用符号,一切靠作图与割补,所以旁边最好放纸笔——照着画一遍,比对着文字读一遍快得多3。
四、心得与用法
- 读证明,先追「它用了前面哪几条」。 每一条命题都建在已证的结论上。读完一条,随手记下它引用了哪些命题号,一两卷下来,全书的依赖关系会显出一张网——你就明白它为什么非要从公设开始不可。
- 手边放纸笔,照着作图。 这本书是为双手写的。两个圆、一条割线、几个正方形,画出来和只在脑子里想,完全是两回事。凡读到「作某某」,就停下来画。
- 把公设当「谈好的前提」,不当「真理」。 一旦这么读,「第五公设能不能改」就不再是废话,而是天然会冒出来的问题——后来真有人改了,也真长出一片新几何。
五、落笔
合上书,我改掉了一个偏见:原以为这样的书没有「作者」,只有结论。读完才知道,它更像一位工匠的现场记录——先跟你把前提谈好,再一步步把整座建筑砌起来,砌到最后一卷,还留了一手,用五种正多面体给自己收尾。
下一本准备读《奥德赛》:一本要你一步一步跟着证明的书读完了,下一本要你一步一步跟着漂流。一个把「确定」讲到极致,一个把「意外」讲成人生;我想看看,这两种「一步一步」到底差在哪里。
Footnotes
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本篇中文引文是内容转写(自译):欧几里得原文为古希腊语,各家译文用词不一,我不假托任何译本的原句,只把命题的意思转写清楚。 ↩
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这个缺口留了很久:从欧几里得到希尔伯特,中间隔了两千两百多年。希尔伯特在 1899 年重写几何公理时,补上了一批被默认而未言明的前提,其中就包括圆与圆的相交。这个例子常被用来说明:所谓「显然」,往往只是「没被追问过」。 ↩
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关于「公设」与「公理」的译名:欧几里得原文里,前五条是 αἰτήματα,字面意思是「所求之事」,故有人译「公设」;后几条是 κοιναὶ ἔννοιαι,意为「共同观念」,故有人译「公理」。译名不同,读者对「哪一条是请求、哪一条是共识」的感受也跟着不同。 ↩
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