Ключом к представлению о многомерных пространствах является идея системы координат, представленная Декартом в виде приложения «Геометрия» к его труду «Рассуждение о методе». Его идея состояла в том, что геометрия на плоскости может быть представлена в алгебраических выражениях. Его подход аналогичен методу Ферма. Выберите точку на плоскости и назовите ее начальной. Проведите две оси – линии, проходящие через начальную точку и пересекающиеся под прямым углом. Обозначьте одну ось как x, другую – y. Тогда любая точка P плоскости будет определяться парой расстояний (x, y), которые говорят нам о том, как далеко находится эта точка от начала, если измерять соответствующие перпендикуляры от точки P до осей x и y. Например, на карте x может обозначать расстояние к востоку от начальной точки (с отрицательными числами, представляющими направление на запад), а y – расстояние к северу от исходной точки (с отрицательными показателями, представляющими направление на юг).
Декарт начал изучать математику в 1618 г., став учеником голландского ученого Исаака Бекмана. Он покинул Голландию и путешествовал по Европе, пока в 1619 г. не вступил в баварскую армию. Он продолжал путешествовать с 1620 по 1628 г., побывал в Богемии, Венгрии, Германии, Голландии, Франции и Италии. В Париже в 1622 г. он познакомился с Мареном Мерсенном и с тех пор регулярно переписывался с ним, что позволяло ему постоянно быть в курсе последних достижений ведущих научных школ.
В 1628 г. Декарт осел в Голландии и начал свой первый труд «Мир» (Le Monde), в частности «Трактат о свете», описывавший свойства света. Когда Декарту стало известно о домашнем аресте Галилео Галилея, он испугался и задержал публикацию книги. Только после его смерти работа была издана в усеченном виде. Он продолжил развивать свои идеи о логическом мышлении в большом труде, изданном в 1637 г., «Рассуждение о методе…». У книги было три приложения: «Диоптрика», «Метеоры» и «Геометрия».
Самая его амбициозная книга, «Первоначала философии», увидела свет в 1644 г. Она делилась на четыре части: «Об основах человеческого познания», «О началах материальных вещей», «О видимом мире» и «О земле». Это была попытка подвести единый математический фундамент под всеобъемлющую физическую Вселенную, преобразуя все естественные составляющие в механические объекты.
В 1649 г. Декарт отправился в Швецию, чтобы занять место наставника при королеве Кристине. Королева оказалась ранней пташкой, а Декарт не имел привычки подниматься раньше 11 часов. Необходимость вести уроки математики в пять утра, да еще в холодном сыром климате, подорвала здоровье Декарта. Через несколько месяцев он скончался от пневмонии.
Координаты работают и в трехмерном пространстве, но здесь двух значений уже недостаточно для локализации точки. А вот три достаточно. Кроме направления восток – запад или север – юг нам необходима еще и точка выше или ниже начальной. Обычно для расстояний выше нее мы используем положительное число, ниже – отрицательное. Координаты в пространстве обозначаются (x, y, z).
Поэтому плоскость называют двумерной, а пространство трехмерным. Число измерений зависит от того, сколько чисел нам необходимо для описания данной точки.
В трехмерном пространстве отдельное уравнение, содержащее x, y и z, обычно определяет поверхность. Например, x2 + y2 + z2 = 1 утверждает, что точка (x, y, z) всегда расположена на расстоянии в одну единицу от начальной точки. Это позволяет предположить, что она лежит на единичной сфере с центром в начальной точке.
Обратите внимание, что слово «мера» применяется здесь не в буквальном значении. Мы не пытаемся найти количество измерений пространства через что-то, называемое мерой, чтобы затем подсчитать ее. Мы определяем, сколько чисел необходимо, чтобы определить положение в пространстве, – это и будет размерностью.
КООРДИНАТЫ В СОВРЕМЕННОМ ВИДЕ
Нам легче будет понять, как развивалась координатная геометрия, если познакомимся с тем, как работает современная система. Существует несколько вариантов, но все они основаны на том, что для начала на плоскость наносят две линии под названием оси. Точка их пересечения, общая точка, – начальная точка. Как правило, соблюдается такое условие: одна ось – горизонтальная, другая – вертикальная.
Вдоль каждой оси наносятся целые числа: положительные в одном направлении и отрицательные в другом. Соответственно, горизонтальная ось называется x, а вертикальная y. Символы x и y используются для представления точек с помощью соответствующих осей – это расстояния от начальной точки. Обычная точка на плоскости, на расстоянии x по горизонтальной оси и y по вертикальной, обозначается парой чисел (x, y). Эти числа и есть координаты точки.
Любое уравнение, содержащее x и y, накладывает ограничения на возможные точки. Например, если оно выглядит как x2 + y2 = 1, точка (x, y) должна находиться на расстоянии 1 от начальной, согласно теореме Пифагора. Такие точки образуют окружность. Мы скажем, что x2 + y2 = 1 – уравнение для этой окружности. Любое уравнение соответствует какой-то кривой на плоскости, а любая кривая соответствует уравнению.
Декартова система координат
Декартовы координаты алгебраически тесно связаны с коническими сечениями – кривыми в геометрии, которые древние греки строили как сечения двойного конуса. Алгебраически получается, что конические сечения являются следующим видом простейших кривых линий после прямых. Прямая линия описывается уравнением
с константами a, b и c. Коническое сечение описывается квадратным уравнением
ax2 + bxy + cy2 + dx + ey + f = 0
с константами a, b, c, d, e, f. Декарт отмечал этот факт, но не смог его доказать. Но он разобрал случай, основанный на теореме, которая приписывалась Паппу и давала характеристики коническим сечениям. Он сумел доказать, что там результат описывается квадратным уравнением.
