谁发明了矢量?它是用来做什么的?
教材中讨论的向量是一种具有几何性质的量。除了零矢量,总是可以画出箭头来指示方向。但是,高等数学中的向量更多。比如,如果把所有实系数多项式看成一个多项式空间,这里的多项式就可以看成一个向量。在这种情况下,无法找到起点和终点,甚至无法画出箭头来指示方向。这个空间中的向量比几何中的向量要宽得多。它可以是任何数学对象或物理对象。这样就可以指导线性代数方法应用到广阔的自然科学领域。因此,向量空间的概念已成为数学中最基本的概念和线性代数的中心内容,其理论和方法已广泛应用于自然科学的各个领域。而向量及其线性运算也为“向量空间”这一抽象概念提供了具体的模型。
从数学发展史来看,历史上很长一段时间,空间的向量结构都没有被数学家所认识。直到19世纪末20世纪初,人们才把空间的性质与向量运算联系起来,使向量成为一个运算普适性极好的数学体系。
向量能进入数学并得到发展,首先要从复数的几何表示入手。18世纪末,挪威测量员威塞尔首先用坐标平面上的点来表示复数A+Bi,并用几何复运算定义了向量的运算。坐标平面上的点用向量表示,向量的几何表示用于研究几何问题和三角问题。人们逐渐接受了复数,并学会了用复数来表示和研究平面上的向量。
但是复数的用途是有限的,因为只能用来表示平面。如果有不在同一个平面上的力作用在同一个物体上,我们需要找到所谓的三维“复数”和相应的运算体系。19世纪中叶,英国数学家汉密尔顿发明了四元数(包括数量部分和矢量部分)来表示空间中的矢量。他的工作为向量代数和向量分析奠定了基础。随后,电磁理论建立。
三维向量分析的发起和四元数的形式除法是由英国的Gubbs和Hiveside在19的80年代独立完成的。他们提出向量只是四元数的向量部分,但它并不独立于任何四元数。他们引入了两种乘法,即量的积和叉积,并将向量代数推广到了带变量向量的向量微积分。此后,向量法被引入到分析和解析几何中。