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摆线:一场牙痛带来的曲线

在自行车轮胎上点一个点,推着车沿直线前进。这个点会升起来,画出一道拱,再落下来碰到地面,车轮每转一圈就重复一次。它画出的曲线叫作摆线。 在 17 世纪,这是最时髦的曲线。法国人把它叫作 roulette。为了它的种种发现,那么多数学家争吵不休,以至于它得了一个外号:几何学家的海伦,取自引发了特洛伊战争的海伦。 车轮的方程 一个半径为 $r$ 的轮子沿直线无滑动地滚动。当它转过角度 $t$(以弧度计)时,圆心前进的距离是 $rt$,也就是碰过地面的那段轮缘的长度。那个从最低处出发的点,此时位于 $$x=r(t-\sin t),\qquad y=r(1-\cos t).$$从 $t=0$ 到 $t=2\pi$,轮子转了整整一圈。这道拱的宽度是 $2\pi r$,等于轮子的周长;最大高度是 $2r$,也就是直径。 一道摆线拱,由半径为 1 的轮子画出。拱下的面积是 3π,等于轮子面积的三倍。本博客原创插图。 伽利略称曲线的重量 大约在 1599 年,伽利略给这条曲线起了名字,并想知道一道拱下面的面积。他算不出来,就用同一种材料剪出摆线和生成它的圆,分别称重。摆线的重量几乎是圆的三倍。伽利略怀疑这个比值并不恰好是 3,于是放弃了。 它恰好就是 3。吉尔·德·罗贝瓦尔在 1634 年证明了这一点,而今天这个计算只需要几行。 用微积分求面积 曲线下的面积是许多高为 $y$、宽为 $dx$ 的细条之和。因为 $dx=r(1-\cos t)\,dt$, $$A=\int_0^{2\pi}y\,\frac{dx}{dt}\,dt=r^2\int_0^{2\pi}(1-\cos t)^2\,dt.$$把平方展开,得到三部分: $$\int_0^{2\pi}1\,dt=2\pi,\qquad \int_0^{2\pi}-2\cos t\,dt=0,\qquad \int_0^{2\pi}\cos^2t\,dt=\pi.$$最后一个来自 $\cos^2t=\frac{1+\cos2t}{2}$。相加得 $$A=r^2(2\pi+0+\pi)=3\pi r^2.$$一道摆线拱下的面积,等于画出它的轮子面积的三倍。伽利略剪下的纸片是对的。 1658 年的那个夜晚 到 1658 年,帕斯卡已经放下数学四年了。据他的姐姐吉尔贝特记载,有一天夜里他牙疼得厉害,睡不着觉。为了忘掉疼痛,他开始思考摆线。结果牙不疼了。帕斯卡把这看作允许他继续研究的信号,八天之内就解决了前人没有解决的问题:曲线各部分的面积、它们的重心,以及曲线绕轴旋转所生成的立体的体积。 随后,他以化名阿莫斯·德通维尔向全欧洲发出公开挑战。第一名的奖金是 40 枚金皮斯托尔,第二名 20 枚,截止日期是 1658 年 10 月 1 日。

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约翰·纳什的遗产

从统计上看,一位 66 岁的数学家或科学家,似乎不太可能通过继续研究为自己以前的成就增添多少东西。但我仍在努力。 — 约翰·纳什,为诺贝尔基金会写的自传(1994) 约翰·纳什是唯一同时获得诺贝尔奖和阿贝尔奖的人,这是经济学和数学中的两项最高荣誉。他的工作的两半似乎毫无共同之处:一半关于人的决策,另一半关于曲面和方程。把它们联系起来的是风格:用谁都没想到的思想,去攻克人人都认为不可能的问题。 博弈论无处不在 纳什均衡成了经济学的通用语言。它解释了为什么同一个路口的两家加油站价格几乎一样,为什么即使大家都不打广告会更好、企业还是要打广告,为什么气候协议如此困难。1990 年代,许多国家的政府开始用依据博弈论设计的拍卖出售移动电话频段,筹得数百亿美元。 在生物学中,英国人约翰·梅纳德·史密斯在 1970 年代证明,演化也会产生纳什均衡:在种群中存活下来的行为策略,是任何突变都无法改进的策略。在政治学中,均衡有助于理解选举、战争和议会投票。在计算机科学中,它出现在互联网路由和数字市场的算法设计中。1994 年以来,诺贝尔经济学奖已多次颁给博弈论方面的工作。 纯数学 嵌入定理和纳什–莫泽方法改变了几何与分析。纳什为 $C^1$ 情形发明的技术,被俄罗斯人米哈伊尔·格罗莫夫称为凸积分,催生了"刚性与柔性"现象这一整个领域,并在 2018 年被用来证明拉斯·昂萨格关于流体湍流的一个猜想。德乔治–纳什定理是系数不规则的微分方程现代理论的基础,这类方程描述复合材料和多孔介质。 疾病与康复 纳什还留下了关于精神疾病的一课。三十年间,他被看作一个废人。他的康复虽然缓慢而不完全,却表明精神分裂症并不一定是终身判决。获得诺贝尔奖后,他和艾丽西亚成为改善治疗、减少污名的倡导者;他们的儿子约翰·查尔斯也是数学家,也患有精神分裂症。 留下了什么 博弈论。 适用于任何博弈的纳什均衡、混合策略下均衡的存在性,以及议价解。 棋类游戏。 海克斯棋、策略窃取论证,以及与不动点定理的联系。 几何。 $C^1$ 和光滑情形的等距嵌入定理,以及凸积分。 分析。 德乔治–纳什定理,以及求解非线性方程的纳什–莫泽方法。 应用科学。 经济学、演化生物学、政治学、拍卖和计算机科学。 写给国家安全局的信 1955 年,纳什写信给美国国家安全局,提出一种加密系统。在这些直到 2012 年才公开的信中,他论证说:如果破解一种密码所需的时间随密钥长度指数增长,而使用它所需的时间增长很慢,那么这种密码就是安全的。这正是现代密码学的基础思想,而纳什提出它,比它出现在计算理论中早了将近二十年。 要点回顾 约翰·纳什生于 1928 年,卒于 2015 年。他的主要工作完成于 20 到 30 岁之间,在普林斯顿和麻省理工。 海克斯棋永远不会平局,而且先手总能获胜:这就是策略窃取论证。 在纳什均衡中,谁也无法通过单独改变而改善。均衡可能对所有人都不好,比如囚徒困境。 每个有限博弈都有混合策略均衡。在猜单双中,每人各以 50% 的概率随机出。 在纳什议价中,要使相对于破裂点的收益之积最大,每人得到自己的破裂点收益加上一份剩余。 每个黎曼流形都能无失真地画进欧几里得空间;如果只要求一阶光滑,就连平坦环面也能放进普通空间。 即使在不规则的材料中,热也会抹平:解是赫尔德连续的。 来源: Sylvia Nasar,A Beautiful Mind(Simon & Schuster,1998)· 约翰·纳什的自传,诺贝尔基金会 · 纳什写给国家安全局的信(1955),该局于 2012 年公开。

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第五公设与其他几何

我从无到有,创造了一个奇异的新宇宙。 — 亚诺什·鲍耶致父亲的信(1823 年 11 月 3 日) 欧几里得的前四条公设简短而显然:作直线、延长直线、作圆、所有直角相等。第五条却不一样: 如果一条直线与两条直线相交,在同侧所成的两个内角之和小于两直角,那么这两条直线无限延长后,必在这一侧相交。 它很长,而且谈的是没有人能验证的事情:两条直线 无限 延长后会怎样。欧几里得似乎也对它心存疑虑:他尽可能避免使用它,直到命题 I.29 才第一次引用。 普莱费尔的形式 有一个更容易记住的版本,由苏格兰人约翰·普莱费尔在 1795 年推广:过直线外一点,有且只有一条直线与之平行。在其他公设成立的前提下,这两种形式是等价的:接受其中一个,就必须接受另一个。 三角形的内角 第五公设最有名的推论是命题 I.32:三角形的三个内角之和等于两直角,即 $180°$。本站旧的三角学课程称之为第一条"准则": $$\boxed{\alpha+\beta+\gamma=180°.}$$证明:过三角形 $ABC$ 的顶点 $C$ 作底边 $AB$ 的平行线。这条平行线与 $CA$ 和 $CB$ 所成的角,分别等于三角形的角 $\alpha$ 和 $\beta$,因为它们是 内错角(I.29)。连同角 $\gamma$,三个角并排位于平行线上,组成一个平角 $180°$。内错角相等这一步,正是第五公设起作用的地方。 两千年的证明尝试 两千年来,数学家们认为第五公设不应该是公设,而应该是定理:应该能由前四条推出来。托勒密、普罗克洛斯、波斯人欧玛尔·海亚姆、同为波斯人的纳西尔丁·图西、英国人约翰·沃利斯都尝试过,全都失败了:每一个"证明"都暗中用到了某个与公设本身等价的假设。 1733 年,耶稣会神父吉罗拉莫·萨凯里换了一条路:假设公设是 错 的,然后推出矛盾。他推出了几十条奇怪的定理,比如内角和小于 $180°$ 的三角形。他没有找到任何矛盾,但坚信矛盾一定存在,于是宣称这些结果"与直线的本性相抵触",并以《洗清一切瑕疵的欧几里得》为题出版了这本书。他离一个发现只有一步之遥,却没有看见。 新的几何 十九世纪初,有三个人各自独立地迈出了缺失的那一步:承认没有第五公设的几何 和欧几里得几何一样自洽。高斯在 1820 年前后就得出了这个结论,但因为害怕引起反响而没有发表。俄国人尼古拉·罗巴切夫斯基于 1829 年在喀山大学的一份刊物上发表了它。匈牙利人亚诺什·鲍耶是一位数学家的儿子,他于 1832 年把它作为附录发表在父亲的书中。 鲍耶的父亲法尔卡什一生都在试图证明第五公设。得知儿子走上同一条路时,他写信恳求儿子放弃:“看在上帝的份上,别碰平行线了。要像厌恶一种不体面的激情那样厌恶它;它会夺走你所有的时间、你的健康、你内心的安宁和你一生的幸福。” 亚诺什没有放弃,1823 年他用本文开头那句话回复了父亲。 在这种 双曲几何 中,过直线外一点有 无穷多条 平行线,三角形的内角和总是 小于 $180°$。三角形越大,内角和越小。 球面上的几何 还有相反的情形。在球面上,“直线"即最短的路径是 大圆,比如赤道和经线。两个大圆总是相交:没有平行线。取一个由赤道和从北极出发、相隔 $90°$ 的两条经线围成的三角形。三个角都是直角,内角和为

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帕斯卡原理:用水放大力

一头大象和一位穿高跟鞋的女士:谁会在松软的泥地上陷得更深?可能是那位女士。大象比她重五十倍,但它的重量分散在四只宽大的脚掌上;而她的重量集中在细细的鞋跟尖上。 让地面下陷的不是力,而是压强:力除以它所作用的面积。 $$p=\frac FA.$$压强的单位是帕斯卡:$1\ \text{Pa}=1\ \text{N/m}^2$,即一牛顿的力分布在一平方米上。这是很小的压强;在海平面,大气压强大约是 $100\,000$ Pa。 关于液体的论著 大约在 1653 年,帕斯卡写成了《论液体的平衡》,这本书在他去世后的 1663 年才出版。书中有一条我们今天称为帕斯卡原理的规律: 在密闭容器内静止的液体中,任一点所增加的压强,会等值地传递到液体的各个部分和容器壁上。 在中间捏一管牙膏,牙膏会从管口挤出来:你手指的压强传到了那里。把一个气球灌满水,在几个地方扎上小孔再一挤:水会从每一个孔向各个方向喷出来。 被撑破的木桶 据说帕斯卡做过一个著名的演示。他拿来一个装满水、封得很严的木桶,在桶盖上插了一根又细又高、约 10 米长的管子。他登上阳台,往管子里倒水。只倒了一升多一点,木桶就破裂了。 我们不知道这一幕是否完全如此发生,但计算表明它是可能的。高度为 $h$ 的液柱底部的压强是 $$p=\rho gh,$$其中 $\rho$ 是液体的密度,$g\approx9.8\ \text{m/s}^2$。对于 10 米高的水柱,$\rho=1000\ \text{kg/m}^3$, $$p=1000\cdot9.8\cdot10=98\,000\ \text{Pa}.$$起作用的是水柱的高度,而不是水的多少。如果管子的横截面是 $1\ \text{cm}^2$,10 米高的水只有 $1$ 升。但这 $98\,000$ Pa 会传到整个桶盖上。如果桶盖的面积是 $0.2\ \text{m}^2$,它受到的力就是 $$F=pA=98\,000\cdot0.2=19\,600\ \text{N},$$相当于两吨重的物体。细管里的一升水推着桶盖,就像有一辆汽车压在上面。 水压机 帕斯卡意识到,他可以利用这条原理来放大力。设想两个装满水的圆筒,底部相连,各用一个活塞封住,一个细,一个粗。用力 $F_1$ 推细活塞,压强增加 $F_1/A_1$,同样的增量传到粗活塞上: $$\frac{F_1}{A_1}=\frac{F_2}{A_2}\quad\Longrightarrow\quad F_2=F_1\cdot\frac{A_2}{A_1}.$$ 一个人推动小活塞,就能抵得上一百个人推动大一百倍的活塞的力量。 — 布莱兹·帕斯卡,《论液体的平衡》 如果小活塞的面积是 $2\ \text{cm}^2$,大活塞是 $8\ \text{cm}^2$,比值就是 $4$。在小活塞上施加 $50$ N 的力,大活塞上就得到 $200$ N。抬起汽车的液压千斤顶、用一只脚的力就能让汽车停下的刹车,还有挖掘机,都是这样工作的。 小活塞上的力(N): 面积之比 A₂/A₁: 理想模型:两个活塞高度相同,小活塞面积 2 cm²,流体不可压缩。 改变力的大小和两个面积之比。大活塞上的力变大了,但它移动的距离按同样的比例变小。 请启用 JavaScript 以使用控件。正文中也算出了这些例子。

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欧几里得的遗产

他在当过国会议员之后,研读并几乎掌握了欧几里得的前六卷。 — 亚伯拉罕·林肯,自传笔记(1860) 除《圣经》之外,《几何原本》是历史上被抄写、翻译和印刷次数最多的书之一。自 1482 年在威尼斯出版第一个印刷版以来,已有一千多个版本。两千多年来,“学几何"就意味着"学欧几里得”。 《几何原本》的第一个印刷版,1482 年埃哈德·拉特多尔特在威尼斯印制,拉丁文译本。图形印在页边,紧挨着正文;一位早期读者在书页上写满了批注。Folger Shakespeare Library · Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0 一本书的多种面貌 本站旧的三角学课程收集了几个改变了欧几里得呈现方式的版本: 年份 作者 版本 约 1120 巴斯的阿德拉德 由阿拉伯文译成拉丁文 1482 埃哈德·拉特多尔特 第一个印刷版,威尼斯 1570 亨利·比林斯利 第一个英译本,附有可折成立体的纸制图形 1607 利玛窦与徐光启 前六卷的中译本,北京 1698 萨穆埃尔·赖尔 Euclides… mit algebraischen Zeichen,用代数符号写的欧几里得 1847 奥利弗·伯恩 The First Six Books of the Elements of Euclid,用颜色代替字母 伯恩 的版本是印刷史上最美的书之一。他不说"三角形 $ABC$",而是把三角形画成黄色、红色和蓝色,证明变成了一连串彩色小图。当时它在商业上是失败的;如今它是博物馆藏品,也是设计师的灵感来源。 《几何原本》的阿拉伯文版,纳西尔丁·图西的校订本,1594 年印于罗马。哈佛大学霍顿图书馆 · Wikimedia Commons · 公有领域 方法 比定理更重要的是 方法。牛顿仿照《几何原本》写成《自然哲学的数学原理》(1687):定义、公理(他称之为运动定律),以及逐一证明的命题。斯宾诺莎"按几何学的顺序"写了《伦理学》(1677),用定义、公理和命题来谈论上帝和灵魂。美国《独立宣言》以一些被认为不言而喻的真理开头,如同公理,再由它们推出独立的权利。

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空气的重量:多姆山实验

两千年来,学者们一直重复着亚里士多德的一句话:自然厌恶真空。你用吸管吸走空气,液体就会上升,因为自然不允许那里空着。这似乎能解释一切。 可是佛罗伦萨的掘井工人遇到了一个难题:不管怎么努力,抽水泵都无法把水抽到大约 10 米以上。为什么自然对真空的厌恶偏偏止步于 10 米? 托里拆利的管子 1643 年,伽利略的学生、意大利人埃万杰利斯塔·托里拆利,把一根一端封闭、长一米的玻璃管灌满水银。他用手指堵住另一端,把管子倒过来插进一盆水银里,然后松开手指。水银往下降,停在大约 76 厘米的高度,在管子顶部留下一段空的空间。 托里拆利的解释很大胆:撑住水银柱的不是对真空的厌恶,而是压在水银盆表面上的空气的重量。他写道,我们生活在一片空气海洋的底部。水银的密度大约是水的 13.6 倍,而 $76\ \text{cm}\times13.6\approx10.3$ m:正是佛罗伦萨抽水泵的极限。 帕斯卡把实验搬上高处 帕斯卡在 1646 年听说了这个实验,并在鲁昂用装满水和葡萄酒的巨大玻璃管重复了它。但他想要一个决定性的检验。他的推理是:如果撑住水银的是空气的重量,那么在山顶上,上方的空气更少,水银柱就一定更低。如果原因是对真空的厌恶,海拔就不会有任何影响。 帕斯卡住在巴黎,身体又不好。1647 年 11 月,他写信给住在克莱蒙的姐夫弗洛林·佩里耶。克莱蒙就在多姆山脚下,那是一座高近 1500 米的死火山。 1648 年 9 月 19 日 佩里耶和克莱蒙的一群神父和名人一起登山,好让他们作见证。他们带了两根管子和水银。这个实验里有一个很现代的想法:登山之前,他们先在城里地势最低的米尼姆修道院的花园里装好两根管子,确认两者的高度相同。一根管子留在那里,由一位神父——沙斯坦神父——负责整天看守。另一根带上了山。 多姆山顶纪念 1648 年实验的标志石,摄于 1923 年帕斯卡诞辰三百周年之际。Agence Rol,1923 年 · 法国国家图书馆 · Wikimedia Commons · 公有领域 用当时的单位,测量结果是: 地点 水银柱高度 克莱蒙的米尼姆修道院花园 26 法寸 3½ 法分 多姆山顶,约高出 500 突阿斯 23 法寸 2 法分 一法寸大约是 $27.07$ 毫米,一法分是一法寸的 $\frac1{12}$。换算一下:

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图片来源

历史图片 全部来自维基共享资源(Wikimedia Commons)。我们使用共享资源提供的缩略图,未作编辑。欧几里得生前没有留下任何画像;流传的欧几里得形象都是很久以后的艺术家想象出来的。 俄克喜林库斯纸草,载有命题 II.5,约公元 100 年,宾夕法尼亚大学博物馆:原始页面 · 公有领域。 《雅典学院》局部,拉斐尔,1509–1511 年:原始页面 · 公有领域。 奥利弗·伯恩版中的命题 I.47,伦敦,1847 年,Mirko Junge 扫描:原始页面 · 公有领域。 《几何原本》第一个印刷版,埃哈德·拉特多尔特,威尼斯,1482 年,Folger Shakespeare Library:原始页面 · CC BY-SA 4.0。 《几何原本》阿拉伯文版,纳西尔丁·图西校订本,罗马,1594 年,霍顿图书馆:原始页面 · 公有领域。 本站绘图 封面、等边三角形的作图、毕达哥拉斯定理的图和配方的图都是本站原创插图,并为网站的每种语言制作了相应版本。配方的例子 $x^2+10x=39$ 和练习 $x^2+8x=65$ 来自本站旧的巴斯卡拉公式课程,其中的图已重新绘制;3、4、5 和 6、8、10 的例子以及版本表来自旧的几何和三角学课程。 记录 文件 data/euclides_imagens.json 记录了每张下载图片的来源、许可、核实日期和 SHA-256 哈希值。各主题的历史资料来源列在每篇文章末尾。 欧几里得的全部主题 · ← 欧几里得的遗产

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帕斯卡的遗产

心灵有其理由,而理性对此一无所知。 — 布莱兹·帕斯卡,《思想录》 帕斯卡留下的完整著作很少。他写的数学几乎都是以单页、书信的形式,或者在他去世后才发表的。尽管如此,很少有哪位作者会出现在这么多不同的地方:学校里的三角形、天气预报、汽车的刹车、保险的计算,甚至一种编程语言的名字。 赌注 《思想录》中最著名的一段与几何无关,但它用到了帕斯卡刚刚和费马一起发明的数学:这就是帕斯卡的赌注。它并不试图证明上帝存在。帕斯卡说理性无法裁决这个问题,于是问押哪一边更划算,并像计算期望值那样,按机会权衡得失。只要信仰一方的收益是无穷大,任何正的概率就都足够了。这个论证、它的三种形式以及狄德罗和伏尔泰的反驳,见帕斯卡的赌注。它被认为是决策论——在不确定性下做选择的数学——的第一篇文字。 我没有时间把它写短 在第 16 封《致外省人信札》的结尾,帕斯卡向读者致歉:“这封信之所以写得这么长,只是因为我没有时间把它写短。” 直到今天,凡是需要在匆忙中写好文章的人,还常常引用这句话。 给费马的最后一封信 1660 年,费马提议两人见一面,各走图卢兹和克莱蒙之间路程的一半。帕斯卡因病婉拒了,他的回信显示了他晚年如何看待数学: 坦白地说,我认为几何是心智最高的锻炼;但同时我又知道它是如此无用,以至于我认为一个只是几何学家的人和一个熟练的工匠没有多大区别。 — 布莱兹·帕斯卡,致费马的信(1660 年 8 月 10 日) 两人终生未曾谋面。 留下了什么 概率论。 1654 年的通信启发了惠更斯,他在 1657 年出版了这一主题的第一本书。随后有雅各布·伯努利、棣莫弗和拉普拉斯。保险、彩票、统计学和数据科学都源自那些信。 组合数学与归纳法。 《算术三角形论》整理了组合问题,并第一次清楚地表述了数学归纳法。 射影几何。 神秘六边形成为射影几何的奠基定理之一,19 世纪又被彭赛列和布里昂雄重新发扬。 微积分。 莱布尼茨说,正是在读帕斯卡关于四分之一圆的著作时,他想到了特征三角形,这是通向微积分的一步。 物理学。 真空实验和多姆山实验终结了“自然厌恶真空”的说法,催生了气压计和高度计。帕斯卡原理存在于每一个液压系统中。 计算。 帕斯卡计算器是第一台被制造和出售的计算机器。 留下来的名字 1971 年,国际单位制的压强单位被命名为帕斯卡(Pa)。天气预报说“1013 百帕”时,指的就是 $101\,300$ Pa,也就是帕斯卡让姐夫去测量的海平面气压。 1970 年,瑞士计算机科学家尼克劳斯·维尔特设计了一种用来清晰地教授编程的语言,并为了纪念帕斯卡计算器的发明者,把它命名为 Pascal。好几代学生都是用它学会编程的。 会思想的芦苇 这条路线开头的那句话还有下文:“用不着整个宇宙都武装起来才能毁灭他;一口气、一滴水就足以致他死命。然而,纵使宇宙毁灭了他,人却仍然要比致他于死命的东西高贵得多,因为他知道自己要死亡。” 写下这段话的人,从 18 岁起就知道自己活不长。 要点回顾 帕斯卡生于 1623 年,卒于 1662 年。16 岁时发表六边形定理;19 岁时开始制造帕斯卡计算器。 在算术三角形中,每个数都是它上方两个数之和,第 $n$ 行的和是 $2^n$,这些数就是组合数 $\binom nk$。 在帕斯卡之前,印度、波斯、中国和欧洲都已经知道这个三角形;他对它做了深入的研究。 1654 年,帕斯卡和费马一起创立了概率论和期望值的概念。 一道摆线拱下的面积是 $3\pi r^2$,等于轮子面积的三倍。 在静止的液体中,压强的增量会等值地传递到各点;水压机放大了力,但没有放大功。 在多姆山顶,水银柱下降了 8.5 厘米:空气是有重量的。 练习:一张抽奖券 5 雷亚尔,有 1/25 的机会赢 100 雷亚尔。按期望值算,值得买吗?期望收益是 $100\cdot\frac{1}{25}=4$ 雷亚尔。奖券要 5 雷亚尔,所以每张的期望值是 $4-5=-1$ 雷亚尔。平均每买一张亏 1 雷亚尔。

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帕斯卡图片来源

历史图片 全部来自 Wikimedia Commons。我们使用 Commons 提供的缩略图,未作编辑。 布莱兹·帕斯卡肖像,作者不详,约 1690 年,凡尔赛宫:来源页面 · 公有领域。 杨辉三角,见朱世杰 1303 年的著作:来源页面 · 公有领域。 《算术三角形》(Triangulus arithmeticus)第一页,克莱蒙奥弗涅大都会收藏本:来源页面 · CC BY-SA 4.0。 巴黎工艺博物馆的帕斯卡计算器,David Monniaux 摄于 2005 年:来源页面 · CC BY-SA 3.0。 多姆山实验纪念标志,Agence Rol,1923 年,法国国家图书馆:来源页面 · 公有领域。 圣艾蒂安杜蒙教堂的墓地铭牌,Agence Meurisse,1923 年,法国国家图书馆:来源页面 · 公有领域。 《思想录》手稿,法国国家图书馆展览,ActuaLitté 摄,2016 年:来源页面 · CC BY-SA 2.0。 《思想录》第一页,1670 年版的仿冒本,克莱蒙奥弗涅大都会藏本:来源页面 · CC BY-SA 4.0。 博客插图 封面、碗的喷泉、进位示意图和摆线拱都是原创插图。三角形、赌注分配和水压机的控件是为这条路线制作的。它们是教学辅助工具,不是手稿的复制,也不是帕斯卡计算器内部机构的复原。 记录 文件 data/pascal_imagens.json 记录了每张下载图片的来源、许可、核实日期和 SHA-256 哈希值。各主题的历史资料来源列在每篇文章的末尾。 帕斯卡的全部主题 · ← 帕斯卡的遗产

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第四维:画出看不见的东西

本章所有的图都有一个优势:所表示的对象总能以某种方式放到纸上。但数学谈论四维、十维甚至一百万维的空间时,毫不费力。代数没有任何困难:四维空间中的一个点,只是四个数的一张清单 $(x,y,z,w)$。然而眼睛生活在三维里。怎样画出看不见的东西? 平面国 《平面国:一个多维的传奇》的扉页,署名“一个正方形”,1885 年美国版。真正的作者是英国校长埃德温·艾勃特。Edwin A. Abbott · Wikimedia Commons · 公有领域 1884 年,伦敦一所学校的校长埃德温·艾勃特以一个正方形为笔名,出版了一部名为《平面国》的小说。叙述者是一个生活在二维世界里的正方形,那里住着三角形、正方形、五边形和圆。居民们只能看见线段:从侧面看,每个多边形都是一条线。 有一天,一个球来到平面国。正方形看见一个点出现,长成一个圆,又缩小、消失:那是球穿过平面时的一个个截面。他无法理解球是什么,直到他被带离平面,从上方看见自己的世界。回去之后,他试图谈论第三维,结果因异端罪被关进了监狱。 艾勃特亲手画的一座平面国房屋的平面图:一个五边形,一扇门给男人,另一扇给女人。对居民来说,这是看一座房子唯一可能的视角。Edwin A. Abbott · Wikimedia Commons · 公有领域 艾勃特的教训是一种方法:用类比推理。我们就是面对球的那个正方形。一个穿过我们空间的四维物体,会显现为一连串先长大后缩小的三维截面。我们无法看见它的全貌,但可以问:比它低一维的居民会怎样看见它? 不用看也能数 用数字,类比更有效。看看各个维度中的“立方体”序列: 维数 对象 顶点 棱 0 点 1 0 1 线段 2 1 2 正方形 4 4 3 立方体 8 12 4 超立方体 16 32 要从一个维度到下一个维度,就把对象复制一份,把每个顶点与它的副本连起来。顶点数加倍:$2^n$。棱数是原来的棱、副本的棱和新的连线:$2E+V$。从立方体到超立方体:$2\cdot12+8=32$。没有人看见过超立方体的 32 条棱,但这个计数是确定的。记号和推理到达了眼睛到不了的地方。超立方体的另一个名字四维立方体(tesseract),是英国数学家查尔斯·霍华德·辛顿在 1888 年创造的。 超立方体的影子 能画出来的是影子。立方体在纸上的影子是两个顶点相连的正方形。超立方体在我们空间里的影子是两个立方体,顶点相连,一个套在另一个里面。而这个影子在纸上的影子,就是下面这张图。 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。 让超立方体在 $xw$ 平面上旋转。这个平面混合了我们空间的一个方向和第四个方向,对我们来说并不存在。结果看起来不可思议:里面的立方体变大,外面的变小,两者互相穿过、交换位置。对平面国的居民来说,一个转出平面的立方体同样会像是在里外翻转。这张图展示的不是超立方体本身,而是我们用现有的眼睛能知道的关于它的东西。

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正弦、直角边与斜边:三角学和它失落的名字

几乎每个学生都学会了说“正弦”“余弦”“直角边”和“斜边”,却不知道这些词原本是什么意思。它们是要背的标签,就像陌生城市里的街名。但每个词都曾经是一段描述,有些还藏着意想不到的故事。比如正弦(sine),就是一次翻译失误的产物。 拉丁文里的毕达哥拉斯 几何学中最著名的定理,在很长一段时间里,是一句关于真正的正方形的话——画在三角形各边上的正方形。本站早期的文章按照中世纪的方式把它写成: $$\textit{quadratum lateris } a \textit{ et quadratum lateris } b \textit{ aequalis quadratum lateris } c,$$“边 $a$ 上的正方形与边 $b$ 上的正方形之和,等于边 $c$ 上的正方形”。边长为 $3$、$4$、$5$ 时,正方形的面积是 $9$、$16$、$25$,而 $9+16=25$ 确实成立。边长 $6$、$8$、$10$:$36+64=100$。今天我们写作 $$a^2+b^2=c^2,$$而指数 $^2$ 的名字本身仍带着它所出自的图形:“平方”。这个定理并不只属于希腊。约公元前 1800 年的一块巴比伦泥板“普林顿 322”列出了满足这一关系的数组;中国的《周髀算经》用一幅叫作“勾股”的图证明了 $3$、$4$、$5$ 的情形,“勾”和“股”就是中文里两条较短边的名字。 直角边与斜边 在欧洲语言里,直角三角形各边的名字来自希腊语,原本是对位置的描述。直角边的西文名 cathetus 来自 káthetos,意思是“垂下来的东西”,这个词也指泥瓦匠的铅垂线:直角边就是垂直于另一条边落下的那条边。斜边的西文名 hypotenuse 来自 hypoteínousa,意思是“在下面绷紧的”:它是在直角下方从一端延伸到另一端的那条边,就像弓上的弦。 这些名字是用语言做成的像似符:它们说明了每条边在哪里。一旦变成标签,图像就消失了。对懂希腊语的人来说,“斜边是最长的边”几乎不言自明;对只背过这个词的人来说,这又是一条规则。中文的“勾、股、弦”同样是图像:勾是曲尺短的一边,股是长的一边(像大腿),弦则是弓弦。 等边三角形与特殊角 学校要求背的正弦、余弦值,比如 $\frac12$、$\frac{\sqrt3}{2}$、$\frac{\sqrt2}{2}$,都来自两个图形。把边长为 $a$ 的等边三角形沿高 $h$ 切成两半:出现两个直角三角形,角为 $30^\circ$、$60^\circ$、$90^\circ$,斜边为 $a$,一条直角边为 $\frac a2$。由毕达哥拉斯定理, $$h^2+\left(\frac a2\right)^2=a^2\quad\Longrightarrow\quad h^2=\frac{3a^2}{4}\quad\Longrightarrow\quad h=\frac{a}{2}\sqrt3.$$斜边取 $1$ 时,$30^\circ$ 角的对边长 $\frac12$,$60^\circ$ 角的对边长 $\frac{\sqrt3}2$。把正方形沿对角线切开,就得到 $45^\circ$ 角,两条直角边都等于 $\frac{\sqrt2}2$。要背的那张表,不过是对两个图形的阅读。