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用正方形和矩形做代数

如果任意分一条直线,整条线上的正方形等于两段上的正方形加上两段所夹矩形的两倍。 — 欧几里得,《几何原本》命题 II.4 希腊人没有表示未知数的字母,没有加号减号,也没有等号。他们想说 $a\cdot b$ 时,就说边长为 $a$ 和 $b$ 的 矩形;想说 $a^2$ 时,就说边长为 $a$ 的 正方形。我们用来称呼乘方的"平方"和"立方"就是由此而来。《几何原本》第二卷全是这样写的:都是代数恒等式,却以面积的事实来陈述和证明。历史学家称之为 几何代数。 和的平方 引文中的命题 II.4 说:把一条线段分成两段 $a$ 和 $b$。整条线段上的正方形(边长 $a+b$)等于 $a$ 上的正方形,加上 $b$ 上的正方形,再加上两个边长为 $a$ 和 $b$ 的矩形。只要看看被分成四块的大正方形的图就明白了。用今天的记号: $$(a+b)^2=a^2+b^2+2ab.$$学校里要背的公式,欧几里得是 画 出来的。证明就是那张图:四块正好填满大正方形,不多也不少。 平方差 命题 II.5 就是俄克喜林库斯纸草上的那一条,那是已知最古老的《几何原本》残片。用今天的话说,它讲的是:如果把长为 $2m$ 的线段从中点分开,同时又在任意一点分成 $m+d$ 和 $m-d$ 两段,那么 $$(m+d)(m-d)+d^2=m^2.$$这就是恒等式 $m^2-d^2=(m+d)(m-d)$,即 平方差。欧几里得的证明是从一个矩形上切下一块,把它补到一个小正方形旁边,拼成一个正方形。 配方 欧几里得之后一千年,约 820 年,出身于中亚花剌子模地区、在巴格达智慧宫工作的数学家穆罕默德·伊本·穆萨·花拉子米,写了一本关于如何解含有一个未知量的问题的书。书名中有 al-jabr 一词,意为"还原",由此产生了 代数(algebra)一词;作者的名字则产生了 算法(algorithm)一词。本站旧的"巴斯卡拉公式"课程讲过他的一个例子: 一个平方加上它的十个根等于三十九。这个平方是多少? 用今天的语言就是 $x^2+10x=39$。花拉子米的解法和欧几里得会用的完全一样:用面积。 x² + 10x = 39 的几何解法。边长为 x 的黄色正方形和两个边长为 x 与 5 的绿色矩形,合起来面积为 39。边长为 5 的红色小正方形补成一个边长为 x + 5 的正方形。Euler’s Eyes 绘图 画一个边长为 $x$ 的正方形:面积为 $x^2$。 “十个根” $10x$ 被分成两个边长为 $x$ 和 $5$ 的矩形,分别贴在正方形的两条边上。整个 L 形的面积为 $x^2+10x=39$。 角上还缺一个边长为 $5$、面积为 $25$ 的小正方形,才能补成一个大正方形。补上它:大正方形面积为 $39+25=64$。 面积为 $64$ 的正方形边长为 $8$。而大正方形的边长是 $x+5$。所以 $x+5=8$,$x=3$。 用今天的记号,就是:

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E = mc²:藏在质量里的能量

我又想到了电动力学论文的一个推论。相对性原理加上麦克斯韦方程,要求质量是物体所含能量的直接量度。这个想法既有趣又诱人;但我不知道上帝是不是正在笑话这件事,牵着我的鼻子走。 — 阿尔伯特·爱因斯坦致康拉德·哈比希特的信(1905 年夏) 1905 年 9 月,在相对论论文发表三个月后,爱因斯坦给《物理学年鉴》寄去一篇只有三页的补充,标题是一个问句:“物体的惯性取决于它所含的能量吗?“答案是肯定的,而结论——用文字和别的字母写出——就是物理学中最著名的公式: $$\boxed{E=mc^2.}$$简化的论证 爱因斯坦设想一个静止的物体,同时向相反方向发出两个相同的光脉冲,每个能量为 $\frac E2$。由于两个脉冲相互抵消,物体保持静止。到这里没什么奇怪:物体损失了能量 $E$。 现在让一个以很小速度 $v$ 经过的人来看同一场景。对这位观察者来说,物体前后都在以同一速度 $v$ 运动。但按照相对论,向前发出的光看起来能量稍大,向后发出的稍小,对于很小的 $v$,总共是 $$E\left(1+\frac{v^2}{2c^2}\right).$$对这位观察者来说,总能量也必须守恒。物体除了 $E$ 之外还多损失了 $E\frac{v^2}{2c^2}$,而这份损失只能来自它的运动能量 $\frac12mv^2$。既然速度没变,变的就是 质量: $$\frac12(\Delta m)\,v^2=E\,\frac{v^2}{2c^2}\quad\Longrightarrow\quad \Delta m=\frac{E}{c^2}.$$一个物体以任何形式损失能量 $E$,就损失质量 $\frac E{c^2}$。爱因斯坦的结论是:“物体的质量是它所含能量的量度”。质量就是储存起来的能量。 那是多少? 数 $c^2$ 非常巨大:$(3\times10^8)^2=9\times10^{16}$ m²/s²。所以很小的质量对应着巨大的能量。仅仅一克: $$E=0.001\ \text{kg}\cdot9\times10^{16}\ \text{m}^2/\text{s}^2\approx9\times10^{13}\ \text{J}.$$这相当于约 2.1 万吨 TNT 的能量,比广岛原子弹还多,或者一座约 1 万人口的城镇一年的全部用电量。 反过来,日常的能量对应的质量小得可笑。把一升水从 20 °C 加热到 100 °C,水获得约 335 000 J,它的质量增加 $$\Delta m=\frac{335\,000}{9\times10^{16}}\approx3.7\times10^{-12}\ \text{kg},$$大约十亿分之四克。没有哪台秤能察觉。所以几个世纪以来,质量看起来是严格守恒的。 太阳与恒星 质量真正变成能量的地方,是原子核。在太阳中心,四个氢核聚变成一个氦核。但账算不平: $$4\times1.00783\ \text{u}=4.03130\ \text{u}\quad\text{对比}\quad\text{氦的}\ 4.00260\ \text{u}.$$少了 $0.0287$ u,约为质量的 0.7%。这部分消失的质量以能量 $\Delta m\,c^2$ 的形式释放出来,太阳就是因此发光的。太阳的辐射功率为 $3.8\times10^{26}$ 瓦;除以 $c^2$,它每秒损失

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猜度术:计算机会

猜度一件事,就是度量它的概率。因此我们把猜度术,或称随机术,定义为尽可能准确地度量事物概率的技艺,使我们在判断和行动中,总能选择或遵循在我们看来更好、更令人满意、更稳妥或更审慎的做法。 — 雅各布·伯努利,《猜度术》(1713),第四部分 1654 年,帕斯卡和费马 通信讨论一局中断的赌博该如何分配赌注。1657 年,荷兰人克里斯蒂安·惠更斯出版了一本十五页的小册子,讲掷骰子游戏中的计算。这些都是客厅里的问题:骰子、纸牌、赌注。 雅各布·伯努利想要的远不止这些。在他看来,概率是对 确定程度 的度量,是一个介于 0(不可能)和 1(必然)之间的数,可以用来在法庭上衡量证词、预测一个人还能活多久、评估一份保险,或者判断一种药是否有效。他花了二十年写一本书来说明如何做到。他把它称为 Ars conjectandi,《猜度术》。 《猜度术》的扉页,1713 年在巴塞尔出版,距雅各布去世已有八年。Wikimedia Commons · 公有领域 四部分的书 《猜度术》分为四部分。第一部分重印了惠更斯的书,雅各布写的评注比原文还长。第二部分是一门完整的 组合学 课程:排列、组合,以及其中如今以雅各布命名的 幂和。第三部分把这些应用到几十种游戏上。第四部分没有完成,讨论概率在公民、道德和经济生活中的应用,黄金定理 就在这里。 伯努利试验 书中最简单的想法,成了统计学中用得最多的想法之一。设想一个只有两种可能结果的试验:硬币是不是正面,病人是否痊愈,零件是不是次品。其中一种结果叫 成功,概率为 $p$;另一种叫 失败,概率为 $q=1-p$。这个词只是一个标签:在工厂里,被计数的"成功"可能是发现一个次品。 如今这样的试验叫作 伯努利试验。雅各布的问题是:在相同条件下把试验重复 $n$ 次,且各次结果互不影响,恰好得到 $k$ 次成功的概率是多少? 一步步推出公式 先看一个小例子。掷一颗骰子 3 次,“成功"是掷出 6,$p=\frac16$。恰好掷出两个 6 的机会是多少? 一种可能的序列是 6、6、其他。它的概率是每次投掷机会的乘积: $$\frac16\cdot\frac16\cdot\frac56=\frac5{216}.$$但还有其他含两个 6 的顺序:6、其他、6 和 其他、6、6。每一种的概率都是 $\frac5{216}$,因为同样的因子只是换了顺序。共有 3 种顺序,所以 $$P(\text{两个 6})=3\cdot\frac5{216}=\frac{15}{216}\approx6.9\%.$$顺序的个数,就是选出 哪几次 投掷成功的方法数:从 3 次中选 2 次,即 $\binom32=3$。一般地,每个含 $k$ 次成功、$n-k$ 次失败的序列概率为 $p^kq^{n-k}$,这样的序列有 $\binom nk$ 个。加起来:

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费马数:一个猜想和一个反例

数学家们一直梦想找到一个只产生质数的公式。1640 年,费马以为自己找到了。 连续五个质数 费马研究了如下形式的数: $$F_n=2^{2^n}+1.$$指数是 2 的幂:$1,2,4,8,16,\ldots$ 算出前几个: $$F_0=3,\quad F_1=5,\quad F_2=17,\quad F_3=257,\quad F_4=65\,537.$$五个都是质数。用手检验 $65\,537$(试除到它的平方根)已经相当费力了。费马写信给弗雷尼克·德贝西说,他确信所有这种形式的数都是质数,尽管他承认自己没有证明。 一个太大的数 下一个数是 $$F_5=2^{32}+1=4\,294\,967\,297.$$这是一个十位数。要检验它是不是质数,需要在 17 世纪用手试除到大约 6.5 万。费马没有去算。 将近一百年后的 1732 年,年轻的莱昂哈德·欧拉算了。他发现: $$4\,294\,967\,297=641\times6\,700\,417.$$费马的猜想错了。要推翻一个关于所有数的命题,一个反例就够了。 为什么是 641? 欧拉并不是随便试除。他知道 $F_5$ 的因数必须具有特殊形式 $64k+1$,这大大缩小了搜索范围。这种形式的第五个质数候选就是 641。 还有一种不做除法就能验证整除的巧妙方法。注意 641 可以写成两种形式: $$641=5\cdot2^7+1=5^4+2^4.$$模 641 时,第一种形式说明 $5\cdot2^7$ 余 $-1$。两边四次方,$5^4\cdot2^{28}$ 余 $1$。第二种形式说明 $5^4$ 与 $-2^4$ 余数相同。互相替换: $$-2^4\cdot2^{28}=-2^{32}\equiv1\pmod{641}.$$所以 $2^{32}+1$ 余 0:它是 641 的倍数。完整的计算见欧拉专题。 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。 至今只有五个质数 借助计算机,人们已经知道从 $F_5$ 到 $F_{32}$ 的所有费马数都是合数。除了前五个,没有人找到过其他的费马质数。如今许多数学家怀疑,真相与费马的猜想正好相反:也许只存在这五个。 意想不到的用途:正十七边形 自希腊时代起,人们就知道如何用尺规作出正三角形和正五边形。两千年来,没有人能作出另一个边数为质数的正多边形。

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牛顿法:用切线逼近方程的根

有些方程没有求根公式。$e^x+x-3=0$ 没有像一元二次方程那样的公式,而三次方程的公式又繁琐得几乎没人使用。这时候的办法是逼近:先猜一个值,看看差多少,再修正猜测。问题在于如何修正得好。 牛顿的例子 在 1669 年的《分析》中,牛顿选了这个方程: $$y^3-2y-5=0.$$试算之后,他发现根在 $2$ 附近,因为 $2^3-2\cdot2-5=-1$。于是他写 $y=2+p$,其中 $p$ 是还缺的修正量,代入得到: $$(2+p)^3-2(2+p)-5=p^3+6p^2+10p-1=0.$$既然 $p$ 很小,$p^2$ 和 $p^3$ 就更小。牛顿把它们丢掉,只留下 $10p-1=0$,得 $p=0.1$。新的猜测:$y=2.1$。再用 $y=2.1+q$ 重复同样的想法,得到 $q\approx-0.0054$,依此类推。几步之后,他得到 $y\approx2.09455148$。 牛顿、拉弗森与辛普森 牛顿每一步都要重新代入,每次得到一个新的多项式。1690 年,约瑟夫·拉弗森发表了一个更实用的版本,始终使用原方程。今天课本上用导数表示的形式,是托马斯·辛普森在 1740 年给出的。所以这个方法也叫牛顿–拉弗森法。 几何思想:沿着切线走 丢掉 $p^2$ 和 $p^3$,等于用曲线的切线来代替曲线。在切点附近,切线几乎与曲线重合,而求直线与坐标轴的交点很容易。 从猜测值 $x_n$ 出发,函数 $f$ 的图像在该点的切线是 $$y=f(x_n)+f'(x_n)(x-x_n).$$它在 $y=0$ 处与横轴相交。解出 $x$,就得到新的猜测: $$x_{n+1}=x_n-\frac{f(x_n)}{f'(x_n)}.$$用文字说:新猜测 = 猜测 − f(猜测) ÷ f′(猜测)。 用于牛顿的方程,$f(y)=y^3-2y-5$,$f'(y)=3y^2-2$,公式给出: 步骤 $y$ 0 2 1 2.1 2 2.0945681 3 2.0945514817 4 2.0945514815 每走一步,正确的小数位数大约翻一倍。 例子:平方根 要计算 $\sqrt2$,我们解 $x^2-2=0$。由 $f'(x)=2x$,公式变成