هندسه
هندسه (به فارسی سره: اندازه - (به یونانی: γεωμετρία)؛ ژئو «زمین»، متریا «اندازهگیری») شاخهای از ریاضیات است که با شکل، اندازه، موقعیت نسبی شکلها و ویژگیهای فضا سروکار دارد. ریاضیدانی که در شاخهٔ هندسه کار میکند هندسهدان نامیده میشود. هندسه بهطور مستقل در پارهای از تمدنهای اولیه به شکل بدنهای از دانش عملی در مورد طول، مساحت و حجم ظهور کرد و پایهریزی آن به عنوان یک دانش رسمی ریاضی در زمان تالس (قرن ششم پیش از میلاد) در غرب آغاز شد. در قرن سوم پیش از میلاد، هندسه توسط اقلیدس به شکل اصل موضوعی درآمده بود و کار اقلیدس (هندسه اقلیدسی) استانداردی را پایهریزی نمود که قرنها دنبال شد.[1] ارشمیدس روشهای هوشمندانهای برای محاسبهٔ مساحت و حجم ارائه داد که در بسیاری موارد پیشرو حساب انتگرال جدید محسوب میشوند. دانش اخترشناسی و به ویژه نگاشتن مکان ستارهها و سیارهها روی کره آسمان و توصیف رابطهٔ بین حرکت اجسام آسمانی تا هزار و پانصد سال بعد منشا بسیاری از پرسشهای هندسی بود. هر دوی هندسه و اخترشناسی در دنیای کلاسیک بخشی از کوادریویم بودند که خود زیرمجموعهای از علوم مقدماتی هفتگانه بود که یادگیری آنها برای هر شهروند آزادی ضروری مینمود.
هندسه |
---|
|
فهرست هندسهدانان |
معرفی دستگاه مختصات توسط رنه دکارت و توسعه همزمان در جبر، مرحله تازهای را در هندسه آغاز کرد؛ زیرا اشکال هندسی همچون منحنیهای رویهای را میشد به شکل تحلیلی یعنی با توابع و معادلات نمایش داد. این موضوع نقش کلیدی در پیدایش حساب بینهایت کوچک در قرن هفدهم داشت. علاوه براین نظریه ژرفانمایی نیز نشان داد که در هندسه چیزی بیش از ویژگیهای متریک اشکال وجود دارد. نظریه ژرفانمایی بنیان هندسه تصویری را بنا نهاد. موضوع هندسه با مطالعه ساختار ذاتی اجسام هندسی و با شروع از کارهای لئونارد اویلر و گاوس، غنیتر گردید و به پیدایش توپولوژی و هندسه دیفرانسیل انجامید.
در دوران اقلیدس تمایز آشکاری بین فضای فیزیکی و فضای هندسی وجود نداشت. از قرن نوزدهم و کشف هندسه نااقلیدسی مفهوم فضا دستخوش تغییرات اساسی شدهاست و پرسشی پدید آمدهاست: کدام فضای هندسی تطابق بیشتری با فضای فیزیکی دارد؟ امروزه باید بین فضای فیزیکی، فضای هندسی (که در آن هنوز خط و نقطه معانی حسی خود را دارا هستند) و فضاهای انتزاعی تمایز قائل شد. هندسه معاصر امروز با خمینهها سر و کار دارد؛ فضاهایی که از فضای اقلیدسی آشنا بسیار انتزاعیتر است. میتوان به این فضاها ساختارهایی افزود که بتوانیم در مورد طول در این فضاها صحبت کنیم. هندسه مدرن پیوندهای مستحکمی با فیزیک دارد که بهطور نمونه میتوان به هندسه شبه ریمانی و نسبیت عام اشاره نمود. یکی از جوانترین نظریههای فیزیکی یعنی نظریه ریسمان نیز حال و هوایی هندسی دارد.
اگر چه ماهیت تصویری هندسه آن را در ابتدا از سایر شاخههای ریاضیات مانند جبر و نظریه اعداد قابل درکتر مینماید، زبان هندسی نیز در زمینههایی که بسیار با حالت سنتی اقلیدسی آن تفاوت دارد به کار رفتهاست (مثلاً هندسه فراکتالی یا هندسه جبری).[پانویس 1]
تاریخچه
اولین ردپای ثبت شدهای از آغاز هندسه را میتوان به بینالنهرین و مصر باستان در هزاره دوم پیش از میلاد ردگیری نمود.[2][3] هندسه در اوایل گردایه ای از اصولی بود که بهطور تجربی کشف شده بودند، این اصول مربوط به طولها، زوایا، مساحتها و حجمها بودند که از آنها جهت رفع احتیاجات عملی در نقشهبرداری، ساختوساز، اخترشناسی و حرفههای مختلف استفاده میشد. اولین نوشتجات مربوط به هندسه، پاپیروس ریند مصری (۲۰۰۰ تا ۱۸۰۰ قبل از میلاد)، پاپیروس مسکو (۱۸۹۰ قبل از میلاد)، و الواح سفالی بابلیان، همچون پلیمپتن ۳۲۲ بود. به عنوان مثال، پاپیروس مسکو فرمولی برای محاسبه حجم هرم بریده شده یا ناقص را ارائه میکند.[4] الواح سفالی بعدی (۳۵۰ تا ۵۰ پیش از میلاد)، نشان میدهند که منجمان بابلی از فرایندهای ذوزنقهای جهت محاسبه موقعیت مشتری و حرکت در فضای زمان-سرعت استفاده میکردهاند. در قرن ۱۴م میلادی توسط چنین فرایندهای هندسی، ماشینحسابهای آکسفورد، و همچنین قضیه سرعت میانگین پیشبینی شدند.[5] نوبههای باستان در جنوب مصر، دستگاهی هندسی شامل نسخههای اولیه از ساعتهای آفتابی را طراحی نمودند.[6][7]
در قرن هفتم پیش از میلاد، ریاضیدان یونانی به نام تالس از ملیتوس، از هندسه جهت حل مسائلی چون محاسبه ارتفاع هرم و فاصله کشتیها از ساحل استفاده نمود. افتخار استفاده از اولین استدلال استنتاجی کاربردی را به دلیل چهار نتیجه در مورد قضیه تالس در هندسه را به او نسبت میدهند.[8] فیثاغورث مکتب فیثاغوری را تأسیس نمود،[9] که به خاطر ارائه اولین اثبات از قضیه فیثاغورث کسب اعتبار نموده، گرچه که حکم این قضیه تاریخچه طولانی دارد.[10][11] اودوکسوس (۴۰۸–۳۵۵ پیش از میلاد)، روش افنا را توسعه داد، که امکان محاسبه مساحت و حجم اشکال خمیده را داد،[12] همچنین او نظریه نسبتها که از مشکل قیاسناپذیری مقادیر جلوگیری مینمود را توسعه داد که هندسهدانان بعدی را قادر ساخت تا پیشرفتهای قابل توجهی را صورت دهند. در حدود ۳۰۰ پیش از میلاد، هندسه توسط اقلیدس متحول شد، کتاب اصول اقلیدس او را بهطور گسترده به عنان موفقترین و مؤثرترین کتب درسی همه زمانها در نظر میگیرند.[13] این کتاب، دقت ریاضیاتی را به وسیله روش اصول موضوعهای معرفی نمود و جزو اولین مثالها از قالب نوشتاری ریاضیاتی است که هنوز هم مورد استفاده ریاضیات است، یعنی استفاده از تعاریف، اصول موضوعهها، و اثباتها. گرچه که پیش از آن نیز بسیاری از محتوای اصول اقلیدس شناخته شده بود، ولی اقلیدس آنها را به صورت چارچوب منطقی منسجم و یکتا درآورد.[14] اصول اقلیدس برای تمام افراد تحصیل کرده غربی تا اواسط قرن ۲۰م میلادی شناخته شده بود و امروزه محتوایش هنوز هم در کلاسهای درسی تدری میشوند.[15] ارشمیدس (حدود ۲۸۷–۲۱۲ پیش از میلاد) از سیراکوز، روش افنا را جهت محاسبه مساحت زیر قوس سهمی به کار برد، در این روش از جمع سری بینهایت استفاده شده که تخمینهایش از عدد پی به میزان قابل توجهی دقیق بودند.[16][16] همچنین او مارپیچی که اسم خودش را یدک میکشد مورد مطالعه قرار داد و فرمولهایی برای حجم رویههای دورانی بدست آورد.
ریاضیدانان هندی نیز مشارکتهای مهمی در هندسه داشتهاند. ساتاپاثا براهمانا (قرن سوم پیش از میلاد)، قواعدی را جهت ترسیم (ساخت) هندسی مربوط به مراسم مذهبی را دربردارد که مشابه با سولبا سوتراس میباشد.[17] براساس (Hayashi 2005, p. ۳۶۳)، سولبا سوتراس شامل «قدیمیترین عبارت کلامی موجود برای قضیه فیثاغورث در جهان است»، گرچه که نزد بابلیها نیز شناخته شده بود. بابلیها فهرستهایی از سهتاییهای فیثاغورثی را داشتند،[18] که حالتهای خاصی از معادلات سیالهای (دیوفانتینی) اند.[19] در نسخه خطی بخشالی، چند مورد معادلات سیالهای موجود است (شامل مسائلی در مورد حجم اجسام نامنظم). همچنین نسخه خطی بخشالی «دستگاه مقادیر ده-دهی به کار گرفته شده که در آن نقطه، نشاندهنده صفر است».[20] رساله آریابهاتا با عنوان Aryabhatiya (در ۴۹۹ میلادی)، شامل محاسبه مساحتها و حجمها میباشد. برهماگوپتا اثر نجومی خود را با عنوان Brāhma Sphuṭa Siddhānta را در ۶۲۸ میلادی نوشت. فصل ۱۲، شامل ۶۶ شعر سانسکریتی بود که به دو بخش تقسیم میشد: «اعمال پایه» (شامل ریشههای مکعبی، کسرها، نسبت و تناسب و معاملات پایاپای) و «ریاضیات عملی» (شامل مخلوط، سریهای ریاضیاتی، اشکال مسطح، آجرهای پشتهای، اره کردن الوار، و انباشت حبوبات).[21] او در بخش اخیر (دوم) از کتابش، قضیه معروفش در مورد قطر چهارضلعی محاطی را بیان میکند. همچنین فصل ۱۲، فرمولی برای مساحت یک چهارضلعی محاطی (تعمیمی از فرمول هرون)، به علاوه توصیف کاملی از مثلثهای گویا (یعنی مثلثهایی با اضلاع و مساحتهای گویا) را دربردارد.[21]
در قرون وسطی، ریاضیات جهان اسلام به توسعه هندسه، بهخصوص هندسه جبری کمک نمود.[22][23] الماهانی (مرگ در ۸۵۳ میلادی)، ایده تقلیل مسائل هندسی چون تضعیف مکعب به مسائلی در جبر را درک نموده بود.[24] ثابت بن قره (در لاتین به Thebit شناخته میشود) (۸۳۶–۹۰۱ میلادی) با کاربردهای اعمال حسابی در نسبتهای کمیتهای هندسی درگیر بود و به توسعه هندسه تحلیلی کمک نمود.[25] عمر خیام (۱۰۴۸–۱۱۳۱ میلادی)، راه حلهایی را برای معادلات مکعبی پیدا نمود.[26] قضایای ابن هیثم (Alhazen)، عمر خیام و خواجه نصیرالدین طوسی در ارتباط با چهارضلعیها، شامل چهارضلعیهای لامبرت و ساکری، جزو اولین نتایج هندسه هذلولوی بودند که به همراه فرضیات جایگزینشان همچون اصل پلیفیر، در میان هندسهدانان اروپایی شامل ویتلو (حدود ۱۲۳۰ تا ۱۳۱۴ میلادی)، ابن گرشوم (۱۲۸۸ تا ۱۳۴۴ میلادی)، آلفونسو، جان والیس، و جیرولامو ساکری، تأثیر قابل توجهی جهت توسعه هندسه نااقلیدسی داشتند.[27]
اوایل قرن هفدهم میلادی، دو پیشرفت مهم در هندسه شکل گرفت. اولینشان خلق هندسه تحلیلی یا هندسه مختصاتی و معادلاتی بود که توسط رنه دکارت (۱۹۵۶ تا ۱۶۵۰ میلادی) و پیر دو فرما (۱۶۰۱ تا ۱۶۶۵ میلادی) صورت پذیرفت.[28] این فرایند جهت توسعه حسابان و علم کمی دقیق فیزیک، پیش نیازی ضروری بود.[29] پیشرفت هندسی دوم از این دوره، مطالعه نظاممند هندسه تصویری توسط جرارد دزارگ (۱۵۹۱ تا ۱۶۶۱ میلادی) بود.[30] هندسه تصویری به مطالعه خواص اشکالی میپردازد که تحت افکنشها و مقطعگیریها ناوردا باقی بماند، بهخصوص که مرتبط با ژرفانمایی هنری نیز میشود.[31]
دو پیشرفت که در قرن نوزدهم میلادی در زمینه هندسه به وقوع پیوست، باعث تغییر در مسیر مطالعاتی هندسه گشت که تا پیش از آن زمان رواج داشت.[32] این پیشرفتها، کشف هندسه نااقلیدسی توسط نیکولای ایوانوویچ لوباچفسکی، یانوش بویایی، کارل فردریش گاوس، و همچنین فرمول بندی تقارن به عنوان دغدغه اصلی برنامه ارلانگن مربوط به فلیکس کلاین (که باعث تعمیم هندسههای اقلیدسی و نااقلیدسی شد) بود. دوتن از استادان هندسه زمان، برنهارت ریمان (۱۸۲۶ تا ۱۸۶۶ میلادی) بود که عمدتاً با ابزارهایی از آنالیز ریاضی کار میکرد و رویه ریمانی را معرفی نمود، دیگری آنری پوانکاره، بنیانگذار توپولوژی جبری و نظریه هندسی سیستمهای دینامیکی بود. مفهوم «فضا»، به عنوان پیامدی از این تغییرات عمده در مفهوم هندسه، تبدیل به مفهومی غنی و متنوع شد که تبدیل به پیش زمینهای طبیعی برای نظریات متفاوتی چون آنالیز مختلط و مکانیک کلاسیک گشت.[33]
بررسی کلی
رشد و توسعه ثبت شده هندسه بیش از هزاران سال قبل از میلاد مسیح قدمت دارد. چندان دور از ذهن نمینماید که درک آنچه هندسه را تشکیل میدهد در طول سالیان تکامل یافتهاست.
هندسه عملی
هندسه به عنوان دانشی عملی به وجود آمد و با بررسی، اندازهگیری، مساحت و حجم مرتبط بود. دستاوردهای قابل توجه آن کشف فرمولهایی برای طول، مساحت و حجم بودند؛ مثل قضیه فیثاغورس، محیط و مساحت دایره، مساحت مثلث، حجم استوانه، کره و هرم. روشی برای محاسبه فواصل و ارتفاعهای دور از دسترس با استفاده از تشابه به تالس نسبت داده میشود. رشد اخترشناسی به پیدایش مثلثات و مثلثات کروی انجامید.
هندسه اصل موضوعی
اقلیدس در کتاب اصول خود دیدگاهی انتزاعیتر در پیش گرفت و اصول موضوع خاصی را مطرح نمود که ویژگیهای اولیه یا خودآشکار نقطه، خط و صفحه را بیان میکرد و برای انتاج سایر ویژگیها از استدلال استفاده کرد. مشخصه مهم دیدگاه اقلیدس استواری نتیجهگیریها بود. در ابتدای قرن نوزدهم کشف هندسههای نااقلیدسی توسط گاوس، لباچفسکی و یانوش بویویی و دیگران به احیای علاقه منجر شد و در قرن بیستم داوید هیلبرت استدلال اصل موضوعی را برای ارائه بنیان مدرن هندسه به کار گرفت.
جستارهای وابسته
- هندسه اقلیدسی
- هندسه نااقلیدسی
- هندسه ناجابهجایی
- هندسه جبری
پانویس
- کاملاً متداول است که در هندسه جبری از واریته های جبری در میدانهای متناهی و احتمالاً تکینه سخن بگوییم. از یک دیدگاه خام این اشیا تنها مجموعههایی متناهی از نقاط هستند؛ اما با فراخوانی شبیهسازیهای قدرتمند هندسی و استفاده از تکنیکهای توسعهیافته هندسی امکان آن وجود دارد که ساختارهایی بیابیم که آنها را با کره و مخروطهای معمولی قابل مقایسه بسازد.
منابع
- Martin J. Turner,Jonathan M. Blackledge,Patrick R. Andrews (1998). "Fractal geometry in digital imaging". آکادمیک پرس. p.1. ISBN 0-12-703970-8
- J. Friberg, "Methods and traditions of Babylonian mathematics. Plimpton 322, Pythagorean triples, and the Babylonian triangle parameter equations", Historia Mathematica, 8, 1981, pp. 277–318.
- Neugebauer, Otto (1969) [1957]. "Chap. IV Egyptian Mathematics and Astronomy". The Exact Sciences in Antiquity (2 ed.). Dover Publications. pp. 71–96. ISBN 978-0-486-22332-2..
- (Boyer 1991, "Egypt" p. 19)
- Ossendrijver, Mathieu (29 January 2016). "Ancient Babylonian astronomers calculated Jupiter's position from the area under a time-velocity graph". Science. 351 (6272): 482–484. Bibcode:2016Sci...351..482O. doi:10.1126/science.aad8085. PMID 26823423. S2CID 206644971.
- Depuydt, Leo (1 January 1998). "Gnomons at Meroë and Early Trigonometry". The Journal of Egyptian Archaeology. 84: 171–180. doi:10.2307/3822211. JSTOR 3822211.
- Slayman, Andrew (27 May 1998). "Neolithic Skywatchers". Archaeology Magazine Archive. Archived from the original on 5 June 2011. Retrieved 17 April 2011.
- (Boyer 1991, "Ionia and the Pythagoreans" p. 43)
- Eves, Howard, An Introduction to the History of Mathematics, Saunders, 1990, شابک ۰−۰۳−۰۲۹۵۵۸−۰ .
- Kurt Von Fritz (1945). "The Discovery of Incommensurability by Hippasus of Metapontum". The Annals of Mathematics.
- James R. Choike (1980). "The Pentagram and the Discovery of an Irrational Number". The Two-Year College Mathematics Journal.
- (Boyer 1991, "The Age of Plato and Aristotle" p. 92)
- (Boyer 1991, "Euclid of Alexandria" p. 119)
- (Boyer 1991, "Euclid of Alexandria" p. 104)
- Howard Eves, An Introduction to the History of Mathematics, Saunders, 1990, شابک ۰−۰۳−۰۲۹۵۵۸−۰ p. 141: "No work, except The Bible, has been more widely used...."
- O'Connor, J.J.; Robertson, E.F. (February 1996). "A history of calculus". University of St Andrews. Archived from the original on 15 July 2007. Retrieved 7 August 2007.
- Staal, Frits (1999). "Greek and Vedic Geometry". Journal of Indian Philosophy. 27 (1–2): 105–127. doi:10.1023/A:1004364417713. S2CID 170894641.
- سهتاییهای فیثاغورثی، سهتاییهایی چون هستند که دارای این خاصیت میباشند: . بنابراین، ، ، ….
- (Cooke 2005, p. 198): "The arithmetic content of the Śulva Sūtras consists of rules for finding Pythagorean triples such as (3, 4, 5), (5, 12, 13), (8, 15, 17), and (12, 35, 37). It is not certain what practical use these arithmetic rules had. The best conjecture is that they were part of religious ritual. A Hindu home was required to have three fires burning at three different altars. The three altars were to be of different shapes, but all three were to have the same area. These conditions led to certain "Diophantine" problems, a particular case of which is the generation of Pythagorean triples, so as to make one square integer equal to the sum of two others."
- (Hayashi 2005, p. 371)
- (Hayashi 2003, pp. 121–122)
- R. Rashed (1994), The development of Arabic mathematics: between arithmetic and algebra, p. 35 London
- (Boyer 1991, "The Arabic Hegemony" pp. 241–242) "Omar Khayyam (c. 1050–1123), the "tent-maker," wrote an Algebra that went beyond that of al-Khwarizmi to include equations of third degree. Like his Arab predecessors, Omar Khayyam provided for quadratic equations both arithmetic and geometric solutions; for general cubic equations, he believed (mistakenly, as the 16th century later showed), arithmetic solutions were impossible; hence he gave only geometric solutions. The scheme of using intersecting conics to solve cubics had been used earlier by Menaechmus, Archimedes, and Alhazan, but Omar Khayyam took the praiseworthy step of generalizing the method to cover all third-degree equations (having positive roots). .. For equations of higher degree than three, Omar Khayyam evidently did not envision similar geometric methods, for space does not contain more than three dimensions, … One of the most fruitful contributions of Arabic eclecticism was the tendency to close the gap between numerical and geometric algebra. The decisive step in this direction came much later with Descartes, but Omar Khayyam was moving in this direction when he wrote, "Whoever thinks algebra is a trick in obtaining unknowns has thought it in vain. No attention should be paid to the fact that algebra and geometry are different in appearance. Algebras are geometric facts which are proved."".
- O'Connor, John J.; Robertson, Edmund F., "Al-Mahani", MacTutor History of Mathematics archive, University of St Andrews.
- O'Connor, John J.; Robertson, Edmund F., "Al-Sabi Thabit ibn Qurra al-Harrani", MacTutor History of Mathematics archive, University of St Andrews.
- O'Connor, John J.; Robertson, Edmund F., "Omar Khayyam", MacTutor History of Mathematics archive, University of St Andrews.
- Boris A. Rosenfeld and Adolf P. Youschkevitch (1996), "Geometry", in Roshdi Rashed, ed. , Encyclopedia of the History of Arabic Science, Vol. 2, pp. 447–494 [470], Routledge, London and New York:
"Three scientists, Ibn al-Haytham, Khayyam, and al-Tusi, had made the most considerable contribution to this branch of geometry whose importance came to be completely recognized only in the 19th century. In essence, their propositions concerning the properties of quadrangles which they considered, assuming that some of the angles of these figures were acute of obtuse, embodied the first few theorems of the hyperbolic and the elliptic geometries. Their other proposals showed that various geometric statements were equivalent to the Euclidean postulate V. It is extremely important that these scholars established the mutual connection between this postulate and the sum of the angles of a triangle and a quadrangle. By their works on the theory of parallel lines Arab mathematicians directly influenced the relevant investigations of their European counterparts. The first European attempt to prove the postulate on parallel lines – made by Witelo, the Polish scientists of the 13th century, while revising Ibn al-Haytham's Book of Optics (Kitab al-Manazir) – was undoubtedly prompted by Arabic sources. The proofs put forward in the 14th century by the Jewish scholar Levi ben Gerson, who lived in southern France, and by the above-mentioned Alfonso from Spain directly border on Ibn al-Haytham's demonstration. Above, we have demonstrated that Pseudo-Tusi's Exposition of Euclid had stimulated both J. Wallis's and G. Saccheri's studies of the theory of parallel lines."
- Carl B. Boyer (2012). History of Analytic Geometry. Courier Corporation. ISBN 978-0-486-15451-0.
- C.H. Edwards Jr. (2012). The Historical Development of the Calculus. Springer Science & Business Media. p. 95. ISBN 978-1-4612-6230-5.
- Judith V. Field; Jeremy Gray (2012). The Geometrical Work of Girard Desargues. Springer Science & Business Media. p. 43. ISBN 978-1-4613-8692-6.
- C. R. Wylie (2011). Introduction to Projective Geometry. Courier Corporation. ISBN 978-0-486-14170-1.
- Jeremy Gray (2011). Worlds Out of Nothing: A Course in the History of Geometry in the 19th Century. Springer Science & Business Media. ISBN 978-0-85729-060-1.
- Eduardo Bayro-Corrochano (2018). Geometric Algebra Applications Vol. I: Computer Vision, Graphics and Neurocomputing. Springer. p. 4. ISBN 978-3-319-74830-6.