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画家们见怪不怪的常用技巧,数学家建了个学科来研究
admin2022-12-11 05:41
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简介画家们见怪不怪的常用技巧,数学家建了个学科来研究
几乎所有的画家都能熟练地运用透视的原理。因为透视原理能帮助作画者对物体的形态做出正确而科学的观察。
从绘画角度讲,所谓透视就是透过一层直立于人眼与物体之间的平板玻璃来看物体。这时,我们可以把平板玻璃看成画面,在平板玻璃上看到的物体的缩影,就是我们画面所需要的形象。
我国唐代诗人杜甫在成都描写草堂四周的景致时,曾留下一首千古绝句:
两个黄鹂鸣翠柳,一行白鹭上青天。
窗含西岭千秋雪,门泊东吴万里船。
这首诗实际上是杜甫坐于草堂书屋中,透过门和窗,对外部 环境的透视的精妙描写!
在绘画中,画面上正对作画者眼睛的一点称为心点。凡与画面垂直的直线,都在心点消失。图 (a) 是从上往下看的平面图,图上有 3 条平行的火车轨道,轨道右侧是一排树木。图 (b) 是图 (a) 中人站在“×”点处时的透视图,垂直于画面而伸向远方的树木、铁轨和电线杆,都在心点交合。
在欧洲文艺复兴时期,透视学的成就与绘画史的光彩交相辉映!许多著名的画家,包括多才多艺的达・芬奇,以他们非凡的技巧和才能,为透视学的研究做出了卓越的贡献。他们的成果很快影响到几何学,并孕育出一门新的几何学分支 ——— 射影几何学。
如下图所示,所谓射影是指从中心 O 发出的光线投射锥,使平面 Q 上的图形 Ω,在平面 P 上获得截景 Ω'。则 Ω' 称 为 Ω 关于中心 O 在平面 P 上的射影。
射影几何学就是研究在上述射影变换下不变性质的几何学。
为射影几何学的诞生奠基的是两位法国数学家:吉拉德・德萨格 (Girard Desargues,1591—1661) 和布列斯・帕斯卡 (BrycePascal,1623—1662)。
1636 年,德萨格出版了《用透视表示对象的一般方法》一书。在这本书里,德萨格首次给出了高度、宽度和深度“测尺”的概念,从而把绘画理论与严格的科学联系起来。不可思议的是,对于这种科学上的进步,当时却受到了来自多方面的抨击,致使德萨格为此愤愤不平!他公开宣布,凡能在他的方法里找到错误者,一概奖给 100 个西班牙币;谁能提出更好的方法,他本人愿意支付 1000 法郎。这实在是对历史的一种嘲弄!
1639 年,德萨格在平面与圆锥相截的研究中,取得了新的突破。他论述了 3 种二次曲线都能由平面截圆锥而得,从而可以把这 3 种曲线都看成是圆的透视图形,如图所示。
这使有关圆锥曲线的研究有了一种特别简洁的形式。不过,德萨格的上述著作后来竟不幸失传,直至 200 年后,1845 年的某一天,法国数学家查理斯由于一个偶然的机会,在 巴黎的一个旧书摊上意外地发现了德萨格原稿的抄本,从而使德萨格这一被埋没了的成果得以重新发放光辉!
德萨格之所以能青史留名,还由于以下的定理:如果 2 个空间三角形对应顶点的 3 条连线共点,那么它们对应边直线的交点共线,如图所示。这个定理后来便以德萨格的名字命名。
有趣的是,把德萨格定理中的“点”改为“直线”,而把“直线” 改为“点”,所得的命题依然成立。即如果 2 个空间三角形的对应边直线的 3 个交点共线,那么它们对应顶点的连线共点。
在射影几何学中,上述现象具有普遍性。一般地,把一个已知命题或构图中的词语,按以下“词典”进行翻译:
将得到一个“对偶”的命题。
两个互为对偶的命题,要么同时成立,要么同时不成立。这便是射影几何学中独有的“对偶原理”。
布列斯・帕斯射影几何学的另一位奠基者是广大读者所熟悉的,数学史上公认 的 “神童”——— 法国数学家布莱士・帕斯卡。他的成就充满着传奇。帕斯卡的父亲也是一位数学家,不知什么原因,他极力反对帕斯卡学习数学,甚至把数学书全都藏了起来。
不 料,这一切反而使爱动脑筋的帕斯卡对数学这一“神秘的禁区”更加向往,并在小小年纪,便独立证明了平面几何中的一条重要定理:三角形内角和等于 180°。
帕斯卡的数学天赋竟使他父亲激动得热泪盈眶,并一改过去的态度。他不仅不再反对帕斯卡学习数学,而且全力支持他,亲自带领帕斯卡去参加法兰西科学院创始人梅森主持的讨论会。当时帕斯卡才 14 岁。
1639 年,帕斯卡发现了使他名垂青史的定理: 若 A、B、C、 D、E、F 是圆锥曲线上任意的 6 个点,则由 AB 与 DE,BC 与 EF,CD 与 FA 所形成的 3 个交点共线! 如图 18.5 所示。
帕斯卡的这个定理精妙无比!它表明一个圆锥曲线只需 5 个点便能确定,第 6 个点可以通过定理中共线的条件推出。这个定理的推论多达 400 余条,简直抵得上一部鸿篇巨著!
不料,帕斯卡的这一辉煌成果,竟引起了包括大名鼎鼎的笛卡儿在内的一些人的怀疑,他们不相信这会是一个 16 岁孩子的思维,而认为这是帕斯卡父亲的代笔!
不过,此后的帕斯卡成果累累:19 岁发明了台式加减计算机;23 岁发现了物理 学上著名的流体压强定律;31 岁与费马共同创立了概率论;35 岁对摆线的研究取得了重大成果……
帕斯卡这一系列的成就,终于使所有持怀疑态度的人折服了!至此,人们无不交口称赞这位法国天才的智慧光辉!
不幸的是,德萨格和帕斯卡这两位射影几何学的先躯,竟于 1661 年和 1662 年先后谢世。此后,射影几何学的研究没有得到人们的应有重视,并因此沉寂了整整一个半世纪,直至又一位法国数学家庞斯莱的到来。
本文来自微信公众号:原点阅读 (ID:tupydread),作者:张远南、张昶,编辑:张润昕

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