幾何

認識擺線

認識擺線 (On the Cycloid)
國立臺灣師範大學數系趙文敏教授/國立臺灣師範大學數系趙文敏教授責任編輯

摘要:在圓錐曲線發現之後,受到科學家們最多關注的曲線應該算是擺線了,它曾經引起許多科學家的競爭與爭吵,有人甚至把它比喻成古希臘時代特洛依戰爭中的海倫,本文介紹擺線的歷史與一些性質。

何謂擺線

在夜晚的路上,當一輛腳踏車從你面前疾馳而過時,如果車輪上掛著一個小燈泡,你可曾注意到小燈泡在前進過程中描繪出什麼樣的線條?

腳踏車在路上前進,車輪像一個圓,前進的路在一直線上,所以,腳踏車的前進可看成是一個圓在一直線上作沒有滑動的滾動。當一圖形在一曲線上作沒有滑動的滾動時,圖形上的每一個點在滾動過程中﹐都會描繪出一條曲線,這種曲線稱為「旋輪線」(roulette)。選擇不同的圖形、不同的曲線與不同的點,可以得出許多不同的旋輪線,我們舉出幾個例子如下。

空間向量發展史

空間向量發展史 (The Derivation of Space Vectors)
國立中央大學數學系單維彰副教授/國立中央大學數學系單維彰副教授責任編輯

摘要:簡述從複數引起「空間數」的想像,漢彌爾頓之「四元數」最接近成功地實現了這個想像,但是它太複雜而被簡化成空間向量。

從複數平面我們看到複數具有平面向量的本質,而複數的極式則導出了平面向量的內積公式和二階行列式的意義。複數使得平面上的點變得像實數,而實數對應數線上的點。如果把實數想像為直線數,則複數就像平面數。很自然地,數學家想要找到更高一個維度的數:「空間數」。

線性組合與坐標系統(Linear Combination and Coordinate System)

線性組合與坐標系統(Linear Combination and Coordinate System)
國立中央大學數學系單維彰副教授/國立中央大學數學系單維彰副教授責任編輯

摘要:闡述當給定兩個不平行的非零向量,則它們的「線性組合」也就建立了平面上的一個坐標系統。在直角坐標上,我們用某點和原點決定的長方形決定點的坐標,在一般化的坐標系統上,我們用平行四邊形決定點的坐標,而坐標就是線性組合的係數。

任給兩個非零且不平行的平面向量 $$\vec{u}$$、$$\vec{v}$$,透過二元一次聯立方程組,我們發現對任意一個平面向量 $$\vec{b}$$,必存在唯一的一對實數 $$(x,y)$$ 使得

$$x\vec{u}+y\vec{v}=\vec{b}$$

高斯如何作正十七邊形

高斯如何作正十七邊形(Construction of a Regular Polygon of 17 Sides)
國立臺灣師範大學數學系趙文敏教授/國立臺灣師範大學數學系趙文敏教授責任編輯

摘要:正十七邊形的尺規作圖法,是大數學家高斯在他十九歲時所獲得的一項研究成果。高斯對他的這一項成果顯然非常喜歡,才會讓正十七邊形的標誌出現在他的墓碑上,永遠陪伴一代大師。許多人在求學期間都聽說過這些歷史典故,只是可能不曾見識到高斯如何以直尺圓規作出正十七邊形的方法。

正十七邊形的尺規作圖法,是大數學家高斯  ( Karl Gauss )  在他十九歲時所獲得的一項研究成果。高斯對他的這一項成果顯然非常喜歡,才會讓正十七邊形的標誌出現在他的墓碑上,永遠陪伴一代大師。許多人在求學期間都聽說過這些歷史典故,只是可能不曾見識到高斯如何以直尺圓規作出正十七邊形的方法。

利用複數坐標處理平面幾何問題

利用複數坐標處理平面幾何問題(Complex Coordinate in Plane Geometry)
國立臺灣師範大學數學系趙文敏教授/國立臺灣師範大學數學系趙文敏教授責任編

摘要:本文利用複數坐標處理幾道平面幾何問題

在坐標平面上,當點 $$P$$ 的直角坐標為 $$(x,y)$$ 時,我們也稱 $$x+iy$$ 是點 $$P$$ 的複數坐標,以 $$P(x+iy)$$ 表之。當一平面上定義了一個複數坐標系時,我們稱此平面為複數平面或高斯平面或 Argand 平面。在複數坐標系中,點 $$O$$ 仍稱為原點,  $$x$$ 軸改稱為實軸、$$y$$ 軸改稱為虛軸。

Steiner 圓系知多少(On Steiner Chain)

Steiner 圓系知多少(On Steiner Chain)
國立臺灣師範大學數學系趙文敏教授/國立臺灣師範大學數學系趙文敏教授責任編輯

摘要:本文介紹Steiner圓的一些性質。

給定平面上一對內離圓 $$O_1(r_1)$$ 與 $$O_2(r_2)$$,其中圓 $$O_2(r_2)$$ 位於圓 $$O_1(r_1)$$的內部。

若 $$\{C_k\}_{k=1}^n$$ 是滿足下述四個條件的有限多個圓,則 $$\{C_k\}_{k=1}^n$$ 稱為是與內離圓 $$O_1(r_1)$$、$$O_2(r_2)$$ 相切的一組Steiner 圓系  ( Steiner chain ):

恆寬曲線(Curve of Constant Width)

恆寬曲線(Curve of Constant Width)
台北市立大直高級中學數學科高子婷老師/國立台灣大學數學系翁秉仁教授責任編輯

摘要:本篇文章從「恆寬曲線」談起,最後回到圓的定義,藉由恆寬與圓的差別體會圓的精妙。

何謂恆寬曲線

工程上稱某種曲線為「恆寬(constant width)曲線」:平面上一凸形封閉曲線,不論如何轉動,其寬度永遠不變,則稱之。所謂「寬度」是指平行線夾住某封閉曲線時,平行線間的距離即是。簡單說來,若以恆寬曲線作為輪子,並在其上放置板子,則乘客於上頭並不會顛簸;反之,若其非恆寬曲線,則當輪子轉動時板子間的寬度就改變了,乘客想必非常暈眩;舉例來說若用梯形當輪子,因為一轉動板子間的寬度就變了,所以梯形不是恆寬曲線。

非歐幾何(Non-Euclidean geometry)

非歐幾何(Non-Euclidean geometry)
國立臺灣師範大學數學系洪萬生教授/國立臺灣師範大學數學系洪萬生教授責任編輯

本文簡要說明非歐幾何的歷史發展,及其與《幾何原本》第五設準之關連。 

歐幾里得對平面幾何的系統化處理實在相當完備,以致於經過兩千年以上的時間,吾人才得以揭開一層蓋在歐氏幾何中心地帶的神秘面紗。而此一揭示,就導出了非歐幾何學,繼而對於所謂的「真實幾何」帶來了革命性的衝擊,永遠改變我們的數學真理信仰。

整個故事要從歐幾里得的第五設準說起:「一條直線與另外兩條直線相交,若某一側的兩個內角和小於兩直角,則這兩條直線不斷延長後在這一側相交。」

歐幾里得《幾何原本》的設準與公理(Postulates and common notions in Euclid’s Elements)

歐幾里得《幾何原本》的設準與公理(Postulates and common notions in Euclid’s Elements)
國立臺灣師範大學數學系洪萬生教授/國立臺灣師範大學數學系洪萬生教授責任編輯

設準與公理之別已經不見於今日數學,不過,釐清它們將可大大地幫助我們進入歐幾里得的幾何世界之中。 

現代數學的公設主義源自古希臘歐幾里得的《幾何原本》。因此,吾人若有意體會數學公設系統之精神,那麼,好好地研讀這一本流傳僅次於《聖經》的經典作品,向歐幾里得大師學習,的確是不二法門。

《幾何原本》以下列五個設準(postulate)作為基礎:設定下面敘述成為準則:

  1. 從任何一點到任何一點可畫一直線。
  2. 且一條有限直線可以持續地延長。
  3. 且以任意點為圓心及任意距離可以畫圓。
  4. 且凡直角都相等。
  5. 且如果一條直線與另兩條直線相交,若同一側的兩個內角和小於兩直角,則這兩條直線不斷延長後(if produced indefinitely),會在內角小於兩直角的那一側相交。
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