第1章 绪论

1.1 从开普勒三大定律的发现谈起

约翰尼斯·开普勒是德国杰出的天文学家、物理学家、数学家，他在1609年发表的伟大著作《新天文学》中提出了行星运动第一和第二定律。行星运动第一定律认为每个行星都在一个椭圆形的轨道上围绕太阳运转，而太阳位于这个椭圆形轨道的一个焦点上。行星运动第二定律认为行星运行离太阳越近，运行就越快，行星的速度以这样的方式变化：行星与太阳之间的连线在等时间内扫过的面积相等。10年后，开普勒发表了行星运动第三定律：行星距离太阳越远，它的运转周期越长；运转周期的平方与行星到太阳之间距离的立方成正比。行星运动三大定律最终使开普勒赢得了“天空立法者”的美名。

事实上，开普勒并不是第一位从事行星运动规律分析的科学家，他的成功得益于他的老师第谷·布拉赫。第谷是一位执着的丹麦天文学家与占星家，为了证明尼克劳斯·哥白尼提出的“日心说”，第谷几十年坚持不懈地观察、记录和归纳天体的运动状态。他在天文望远镜发明之前，创造性地运用了当时最先进的仪器和技术，使得靠肉眼观测行星运动所导致的视差精确到了一弧分，这几乎是肉眼分辨率的极限。关于他的执着追求，还有一个故事。1565年，19岁的第谷因一个数学公式与同学以剑决斗，结果失去了鼻子的大部分组织，后来他就一直装着金属制作的假鼻子从事天文学研究。他在丹麦的汶岛建立了世界上最早的大型天文台，通过大型浑仪、象限仪和纪限仪等天文观测仪器来测量星体的坐标、太阳的地平高度、两个星体之间的角距等参数。第谷穷尽了毕生精力，观测记录了数百颗恒星几十年间每个夜晚的数据。1601年第谷去世，他无私地将几十年来观测的数据赠予了助手开普勒。开普勒对老师遗留下来的大量观测数据进行了艰苦的分析和整理，经过近 9年的数据分析，他于1609年发表了行星运动第一和第二定律，并于10年后发表了第三定律，从而奠定了现代天文学的基础。

事实上，开普勒三大定律的发现，本质上就是数据分析的过程。第谷经过数十年坚持不懈的精密观测，记录了大量的数据，属于数据的采集与存储过程。第谷去逝后，开普勒继承他的遗志，对数据进行了大量细致的整理，并从中总结与凝练出规律，是数据的分析过程。行星运动三大定律对现代天文学的发展起到了奠基性作用，并在此基础上发展出牛顿定律等一系列重要成果，可以看作数据应用过程。

经过数百年的发展，数据分析的方法经过了长足的发展，已经从单纯的数理分析进化成了融合计算机科学、数学、半导体制造等多学科的前沿技术，成为驱动机械、交通等重要工程领域发展的核心动力。