一、实验几何几何学最早产生于对天空星体形状、排列位置的观察,产生于丈量土地、测量容积、制造器皿与绘制图形等实践活动的需要,人们在观察、实践、实验的基础上积累了丰富的几何经验,形成了一批粗略的概念,反映了某些经验事实之间的联系,形成了实验几何。
我国古代、古埃及、古印度、巴比伦所研究的几何,大体上就是实验几何的内容。例如,我国古代很早就发现了勾股定理和简易测量知识,《墨经》中载有“圜(圆),一中同长也”,“平(平行),同高也”,古印度人认为“圆面积等于一个矩形的面积,而该矩形的底等于半个圆周,矩形的高等于圆的半径”等等,都属于实验几何学的范畴。
二、理论几何随着古埃及、希腊之间贸易与文化的交流,埃及的几何知识逐渐传入古希腊。古希腊许多数学家,如泰勒斯( Thales )、毕达哥拉斯( Pythagoras )、柏拉图( Plato )、欧几里德( Euclid )等人都对几何学的研究作出了重大贡献。特别是柏拉图把逻辑学的思想方法引入几何学,确立缜密的定义和明晰的公理作为几何学的基础,而后欧几里德在前人已有几何知识的基础上,按照严密的逻辑系统编写的《几何原本》十三卷,奠定了理论几何(又称推理几何、演绎几何、公理几何、欧氏几何等)的基础,成为历史上久负盛名的巨著。《几何原本》尽管存在公理的不完整,论证有时求助于直观等缺陷,但它集古代数学之大成,论证严密,影响深远,所运用的公理化方法对以后数学的发展指出了方向,以至成为整个人类文明发展史上的里程碑,全人类文化遗产中的瑰宝。欧几里得(公元前330年—公元前275年),古希腊人,数学家。他活跃于托勒密一世(公元前364年-公元前283年)时期的亚历山大里亚,被称为“几何之父”,他最著名的著作《几何原本》是欧洲数学的基础,提出五大公设,欧几里得几何,被广泛的认为是历史上最成功的教科书。欧几里得也写了一些关于透视、圆锥曲线、球面几何学及数论的作品。最早的几何学兴起于公元前7世纪的古埃及,后经古希腊等人传到古希腊的都城,又借毕达哥拉斯学派系统奠基。在欧几里得以前,人们已经积累了许多几何学的知识,然而这些知识当中,存在一个很大的缺点和不足,就是缺乏系统性。大多数是片断、零碎的知识,公理与公理之间、证明与证明之间并没有什么很强的联系性,更不要说对公式和定理进行严格的逻辑论证和说明。因此,随着社会经济的繁荣和发展,特别是随着农林畜牧业的发展、土地开发和利用的增多,把这些几何学知识加以条理化和系统化,成为一整套可以自圆其说、前后贯通的知识体系,已经是刻不容缓,成为科学进步的大势所趋。欧几里得通过早期对柏拉图数学思想,尤其是几何学理论系统而周详的研究,已敏锐地察觉到了几何学理论的发展趋势。他下定决心,要在有生之年完成这一工作,成为几何第一人。为了完成这一重任,欧几里得不辞辛苦,长途跋涉,从爱琴海边的雅典古城,来到尼罗河流域的埃及新埠—亚历山大城,为的就是在这座新兴的,但文化蕴藏丰富的异域城市实现自己的初衷。在此地的无数个日日夜夜里,他一边收集以往的数学专著和手稿,向有关学者请教,一边试着著书立说,阐明自己对几何学的理解,哪怕是尚肤浅的理解。经过欧几里得忘我的劳动,终于在公元前300年结出丰硕的果实,这就是几经易稿而最终定形的《几何原本》一书。这是一部传世之作,几何学正是有了它,不仅第一次实现了系统化、条理化,而且又孕育出一个全新的研究领域——欧几里得几何学,简称欧氏几何。直到今天,他所创作的几何原本仍然是世界各国学校里的必修课,从小学到初中、大学、再到现代高等学科都有他所创作的定律、理论和公式应用。在柏拉图学派晚期导师普罗克洛斯(约410~485)的《几何学发展概要》中,就记载着这样一则故事,说的是数学在欧几里得的推动下,逐渐成为人们生活中的一个时髦话题(这与当今社会截然相反),以至于当时亚里山大国王托勒密一世也想赶这一时髦,学点儿几何学。虽然这位国王见多识广,但欧氏几何却令他学的很吃力。于是,他问欧几里得“学习几何学有没有什么捷径可走?”,欧几里得笑道:“抱歉,陛下!学习数学和学习一切科学一样,是没有什么捷径可走的。学习数学,人人都得独立思考,就像种庄稼一样,不耕耘是不会有收获的。在这一方面,国王和普通老百姓是一样的。”从此,“在几何学里,没有专为国王铺设的大道。”这句话成为千古传诵的学习箴言。斯托贝乌斯(约500)记述了另一则故事,一位学生曾这样问欧几里得:“老师,学习几何会使我得到什么好处?”欧几里得思索了一下,请仆人拿点钱给这位学生。欧几里得说:给他三个钱币,因为他想在学习中获取实利。那时候,人们建造了高大的金字塔,可是谁也不知道金字塔究竟有多高。有人这么说:“要想测量金字塔的高度,比登天还难!”这话传到欧几里得耳朵里。他笑着告诉别人:“这有什么难的呢?当你的影子跟你的身体一样长的时候,你去量一下金字塔的影子有多长,那长度便等于金字塔的高度!”三、解析几何勒内·笛卡尔(1596.3.31-1650.2.11)是世界著名的法国哲学家、数学家、物理学家,因将几何坐标体系公式化而被认为是解析几何之父。他还是西方现代哲学思想的奠基人,是近代唯物论的开拓者且提出了“普遍怀疑”的主张。黑格尔称他为“现代哲学之父”。他的哲学思想深深影响了之后的几代欧洲人,开拓了所谓“欧陆理性主义”哲学。堪称17世纪的欧洲哲学界和科学界最有影响的巨匠之一,被誉为“近代科学的始祖”。公元 3 世纪,《几何原本》的出现,为理论几何奠定了基础。与此同时,人们对圆锥曲线也作了一定研究,发现了圆锥曲线的许多性质。但在后来较长时间里,封建社会中的神学占有统治地位,科学得不到应有的重视。直到15、16 世纪欧洲资本主义开始发展起来,随着生产实际的需要,自然科学才得到迅速发展。法国笛卡尔在研究中发现,欧氏几何过分依赖于图形,而传统的代数又完全受公式、法则所约束,他们认为传统的研究圆锥曲线的方法,只重视几何方面,而忽略代数方面,竭力主张将几何、代数结合起来取长补短,认为这是促进数学发展的一个新的途径。在这样的思想指导下,笛卡尔提出了平面坐标系的概念,实现了点与数对的对应,将圆锥曲线用含有两面三刀个求知数的方程来表示,并且形成了一系列全新的理论与方法,解析几何就这样产生了。解析几何学的出现,大大拓广了几何学的研究内容,并且促进了几何学的进一步发展。
18 、 19 世纪,由于工程、力学和大地测量等方面的需要,又进一步产生了画法几何、射影几何、仿射几何和微分几何等几何学的分支。
四、现代几何尼古拉斯·伊万诺维奇·罗巴切夫斯基(1792.12.1—1856.2.24),俄罗斯数学家,非欧几何的早期发现人之一。在初等几何与解析几何的发展过程中,人们不断发现《几何原本》在逻辑上不够严密之处,并不断地充实一些公理,特别是在尝试用其他公理、公设证明第五公设“一条直线与另外两条直线相交,同侧的内角和小于两直角时,这两条直线就在这一侧相交”的失败,促使人们重新考察几何学的逻辑基础,并取得了两方面的突出研究成果。一方面,从改变几何的公理系统出发,即用和欧氏几何第五公设相矛盾的命题来代替第五公设,从而导致几何学研究对象的根本突破。俄罗斯数学家罗巴切夫斯基用“在同一平面内,过直线外一点可作两条直线平行于已知直线”代替第五公设,由此导出了一系列新结论,如“三角形内角和小于两直角”、“不存在相似而不全等的三角形”等等,后人称为罗氏几何学(又称双曲几何学)。波恩哈德·黎曼,德国数学家、物理学家,对数学分析和微分几何做出了重要贡献,其中一些为广义相对论的发展铺平了道路。他的名字出现在黎曼ζ函数,黎曼积分,黎曼引理,黎曼流形,黎曼映照定理,黎曼-希尔伯特问题,黎曼思路回环矩阵和黎曼曲面中。他初次登台作了题为"论作为几何基础的假设"的演讲,开创了黎曼几何,并为爱因斯坦的广义相对论提供了数学基础。德国数学家黎曼从另一角度,“在同一平面内,过直线外任一点不存在直线平行于已知直线”代替第五公设,同样导致了一系列新理论,如“三角形内角和大于两直角”、“所成三角形与球面三角形有相同面积公式”等,又得到另一种不同的几何学,后人称为黎氏几何学(又称椭圆几何学)。习惯上,人们将罗氏几何、黎氏几何统称为非欧几何学。将欧氏几何(又称抛物几何学)、罗氏几何的公共部分统称为绝对几何学。另一方面,人们在对欧氏几何公理系统的严格分析中,形成了公理法,并由德国数学家希尔伯特在他所著《几何基础》中完善地建立起严格的公理体系,通常称为希尔伯特公理体系,希尔伯特公理体系是完备的,即用纯逻辑推理的方法,定能推演出系统严密的欧氏几何学。但如果根据该公理体系,逐步推演出欧氏几何中那些熟知的内容,却是一件相当繁琐的工作。