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球与圆柱

希腊几何学家会计算棱柱、棱锥、圆柱和圆锥的体积,球却一直是个难题。在分两卷的《论球与圆柱》中,阿基米德解决了这个问题,并发现了一些简单得出奇的关系。 定理 把经过球心的圆,比如赤道,称为大圆。阿基米德证明了: 球的表面积是大圆面积的四倍:$S = 4\pi r^2$; 球的体积是一个以大圆为底、以半径为高的圆锥体积的四倍:$V = 4 \cdot \frac{1}{3}\pi r^2 \cdot r = \frac{4}{3}\pi r^3$。 由此他得出了最让他着迷的推论。考虑恰好包住球的圆柱,半径为 $r$,高为 $2r$。它的体积是 $\pi r^2 \cdot 2r = 2\pi r^3$,算上两个底面的总表面积是 $2\pi r \cdot 2r + 2\pi r^2 = 6\pi r^2$。所以 $$\frac{V_{\text{球}}}{V_{\text{圆柱}}} = \frac{\frac{4}{3}\pi r^3}{2\pi r^3} = \frac{2}{3}, \qquad \frac{S_{\text{球}}}{S_{\text{圆柱}}} = \frac{4\pi r^2}{6\pi r^2} = \frac{2}{3}.$$球的体积和表面积都是圆柱的三分之二。 13 世纪《论球与圆柱》拉丁文抄本的几页。正是在那个时代,阿基米德的著作从希腊文译成了拉丁文。拉丁文抄本,约 1270 年 · Wikimedia Commons · 公有领域 像罐头标签一样的表面 有一种看出表面积结果的方式,阿基米德本人就知道。用两个非常接近的水平面去截球和圆柱。两平面之间的球带与圆柱带面积相同:球越窄的地方,球带越倾斜,因而越宽,两种效应恰好抵消。把所有的带加起来,球的表面积就等于圆柱的侧面积 $2\pi r \cdot 2r = 4\pi r^2$。

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切线的反问题

微分学回答的问题是:已知一条曲线,它在每一点的切线是什么?17 世纪的数学家很快意识到,反过来的问题更难也更有用:已知切线必须具有的某种性质,曲线是什么?这个问题被称为切线的反方法,它是《分析讲义》第四册,也就是最后一册的主题。今天我们把它叫作解微分方程。 1638 年的一个问题 这类问题中最早的一个,是法国律师、业余数学家弗洛里蒙·德博纳在 1638 年向勒内·笛卡儿提出的。笛卡儿没能完全解出来。直到 1684 年,莱布尼茨发表了第一篇关于微积分的论文,证明所求的曲线涉及对数,问题才得到解决。这证明了新方法能解决旧几何力所不及的问题。 次切线为常数 当时的教科书里常见的一个经典例子用到了次切线。在曲线上的点 $(x, y)$ 处作切线,直到它与 $x$ 轴相交。次切线就是这个交点与纵坐标垂足之间的水平距离。切线在这段距离上升高了 $y$,所以斜率为 $y' = \frac{y}{s}$,即 $$s = \frac{y}{y'}.$$哪条曲线的次切线在每一点都相等,等于常数 $k$?条件是 $y' = \frac{y}{k}$。分离变量,也就是把依赖于 $y$ 的都放到一边,依赖于 $x$ 的放到另一边: $$\frac{dy}{y} = \frac{dx}{k} \quad\Longrightarrow\quad \ln y = \frac{x}{k} + C \quad\Longrightarrow\quad y = A\,e^{x/k}.$$次切线为常数的曲线是指数曲线,当时称为“对数曲线”。 箕舌线也是一个解 阿涅西曲线本身就是一个微分方程的解。取 $a = 1$,$y = \frac{1}{1 + x^2}$,其导数为 $$y' = -\frac{2x}{(1 + x^2)^2} = -2x \cdot \left(\frac{1}{1 + x^2}\right)^2 = -2x\,y^2.$$也就是说,箕舌线是这样一条曲线:每一点切线的斜率等于 $-2x$ 乘以高度的平方。在下面的练习里,我们走反方向:从这个性质出发,重新得到这条曲线。 微分方程的论著 1749 年《分析讲义》第二卷出版时,微分方程是数学中最活跃的课题。欧拉、达朗贝尔和丹尼尔·伯努利用它们研究振动的弦、流体和行星,并把结果发表在冗长艰深的论文里。阿涅西的第四册是最早为学生整理解法的著作之一,书中的问题由浅入深、循序渐进。

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归并排序:靠合并来排序

给列表排序是计算机做得最多的工作之一:登记簿里的姓名、搜索结果中的价格、选举结果。1945 年,EDVAC 还只存在于纸上,冯·诺依曼想表明,他报告中的机器不只适合做算术,于是亲手写了一个给列表排序和合并的程序。这是为存储程序计算机写的最早的程序之一,而他所用的方法,今天叫作归并排序,仍是使用最广泛的方法之一。 合并两个有序列表 基本步骤是把两个已经有序的列表合并起来。只要看两个列表各自的第一个元素,取出较小的那个,然后重复: $$[2, 5, 9] \text{ 和 } [3, 4, 10] \;\longrightarrow\; [2, 3, 4, 5, 9, 10].$$每次比较都把一个数放到正确的位置上。合并总共有 $n$ 个元素的两个列表,至多需要 $n - 1$ 次比较。 分而治之 为了给任意列表排序,冯·诺依曼把它分成每块 1 个元素(每块自然已经有序!),把相邻的块合并成每块 2 个,再合并成 4 个、8 个,依此类推: 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。 有 $n = 2^k$ 个元素时,共有 $k = \log_2 n$ 轮,每轮至多比较 $n$ 次。总数至多为 $$n \log_2 n.$$朴素的方法先找最小的元素,再找第二小的,依此类推,需要比较 $\frac{n(n-1)}{2}$ 次。对 $n = 16$,这是 $120$ 次对至多 $64$ 次。对一百万个姓名,差别是大约两千万次比较对五千亿次比较:几秒钟对几天。 方格纸上的程序 冯·诺依曼 1945 年关于排序的手稿被唐纳德·克努斯重新发现并加以分析,他在《计算机程序设计艺术》中描述了这份手稿。由于 EDVAC 还不存在,冯·诺依曼亲手算出程序要运行多少步,并满意地得出结论:这台机器排序会比 IBM 的穿孔卡片分类机,即当时的专用机器,更快。

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恩尼格玛:1.59×10²⁰ 个密钥和一个缺陷

一台三转子的恩尼格玛,陈列于美国国家安全局的国家密码学博物馆。上部是转子,中间是灯板,下面是键盘,最前面是接线板。National Security Agency · Wikimedia Commons · 公有领域 恩尼格玛看上去像一台装在木箱里的打字机。操作员在键盘上按下一个字母,灯板上就亮起另一个字母。第二个操作员记下亮起的字母,这串字母再用摩尔斯电码通过无线电发出去。在另一端,一名操作员用一台同样设置的同型机器,敲入密文,就能在灯板上读出原文。 在键与灯之间,电流穿过一座迷宫:接线板、三个内部交叉布线的转子、一个把电流送回去的反射器,再经过三个转子,再经过接线板。而且每按一次键,第一个转子就转一格,整座迷宫随之改变。 数一数密钥 德国人信任恩尼格玛,是因为可能的设置数量庞大。我们用帕斯卡教给我们的组合数学,为 1939 年的陆军型号数一数。 转子。 从一盒 5 个转子中选出 3 个,顺序有关: $$5\cdot4\cdot3=60.$$初始位置。 每个转子从 26 个字母中的某一个开始: $$26^3=17\,576.$$接线板。 十根连线把字母两两相连,互相交换。用 26 个字母组成 10 对,有多少种方法?把 26 个字母排成一排,有 $26!$ 种排法,用前 20 个字母两两配对。最后 6 个不接线,它们的顺序无关紧要:除以 $6!$。10 对之间的顺序无关紧要:除以 $10!$。每对内部的顺序无关紧要:除以 $2^{10}$。结果是 $$\frac{26!}{6!\cdot10!\cdot2^{10}}=150\,738\,274\,937\,250.$$总数。 相乘: $$60\cdot17\,576\cdot150\,738\,274\,937\,250\approx1.59\times10^{20}.$$大约 1.59×10²⁰ 个密钥,还没算转子的字母环。每秒试一百万个密钥,也要大约五百万年才能全部试完。 缺陷 反射器有一个实际的好处:同一种设置下,机器既能加密也能解密。但它也带来了一个先天缺陷:由于电流总是从不同的路径返回,没有一个字母能被加密成它自己。A 永远不会变成 A。 这看起来微不足道,却是决定性的。密码分析员知道,许多电报含有可以预料的词,他们称之为 crib,“提示词”:早上 6 点的天气预报以 WETTERVORHERSAGE 开头,许多报告写着 KEINE BESONDEREN EREIGNISSE,“无事可报”。要找出提示词在密文中的位置,只需把它沿着密文滑动,凡是某个字母与它下方密文字母相同的位置,统统排除。 Q F Z W R W I K T Y R E S X B F O G K U H Q W E T T E R V O R H E R S A G E ← S 对 S:不可能 W E T T E R V O R H E R S A G E ← 没有重合:可能 在第一个位置,提示词中的 S 会落在密文的 S 上,而恩尼格玛从不这样做:这个位置被排除。往后四格,没有字母重合,这个位置仍是候选。

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计算尺:会滑动的对数

对数表仍然需要查数、相加、再查数。纳皮尔之后没几年,英国人就意识到可以把对数刻在尺子上,用手来做加法。 冈特的刻度 1620 年,布里格斯在格雷沙姆学院的同事、天文学家埃德蒙·冈特画了一把尺子,尺上每个数 $x$ 到 1 的刻度的距离都与 $\log x$ 成正比: $$x\text{ 的位置}=L\cdot\log x.$$1 在开头,10 在末尾,2 在全长的 $0.301$ 处,3 在 $0.477$ 处,5 在 $0.699$ 处。数越往右越挤。做乘法时,用两脚规从 1 量到 $a$,再把这段开度从 $b$ 处量出去:脚尖就落在 $a\times b$ 上,因为距离相加: $$L\log a+L\log b=L\log(ab).$$奥特雷德的两把尺子 大约 1622 年,牧师兼数学家威廉·奥特雷德不再用两脚规:他把两条相同的刻度并排放置,一条在另一条上滑动。计算 $2\times3.5$ 时,把下尺的 1 对准上尺的 2,在下尺 3.5 的上方读出上尺的数:7。这就是第一把计算尺。 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。 除法是反过来的同一种算法:算 $8\div2.5$ 时,把下尺的 2.5 对准上尺的 8,在下尺 1 的上方读数:3.2。计算尺不告诉你小数点在哪里。计算的人必须知道答案是 3.2、32 还是 0.32,就像布里格斯对数的首数一样。 一把 20 世纪的计算尺。中间的刻度可以彼此滑动;透明的游标帮助读数。Jacek Halicki · Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0 三百五十年 计算尺后来增加了平方、开方、正弦和对数的刻度,还有一个带细线的玻璃游标,便于精确读数。它能给出三位有效数字,这对几乎所有工程都够用了。桥梁、飞机、发电站和火箭都是用它设计的。阿波罗计划的工程师们使用计算尺,飞船上也带着一把。1972 年科学袖珍计算器出现后,计算尺在短短几年内就消失了。

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倍立方与三等分角:不可能的作图

希腊人留下了三个作图问题,没有人能用尺规解决,而尺规正是欧几里得《几何原本》的工具: 倍立方:作出一个立方体的棱,使它的体积是已知立方体的两倍。 三等分角:把任意一个角分成三等份。 化圆为方:作出一个与已知圆面积相等的正方形。 传说在一场瘟疫中,提洛斯的神谕命令雅典人把阿波罗的立方体祭坛加大一倍。他们把棱长加倍,体积变成了八倍,瘟疫依旧。两千年来,数学家们一直在尝试。答案直到 19 世纪才随着高斯和伽罗瓦的思想到来:这是不可能的。 尺规能做什么 从一条长为 1 的线段出发。用尺规可以利用相似三角形对长度做加、减、乘、除。还可以开平方根,方法是在半圆中取几何平均。但仅此而已。 原因在解析几何中。作图中的每个新点,都是两条直线、一条直线与一个圆,或者两个圆的交点。直线的方程是一次的,圆的方程是二次的。求这些交点从来不需要比二次方程更高的方程。所以作图的每一步至多添加一个平方根: 用尺规可作的长度,可以从 1 出发用四则运算和平方根写出。特别地,如果它是一个没有有理因式的方程的根,那么这个方程的次数是 2 的幂。 提洛斯的立方体 把棱长为 1 的立方体加倍,就是作出体积为 2 的立方体的棱 $x$: $$x^3=2,\qquad x=\sqrt[3]2\approx1.2599.$$方程 $x^3-2=0$ 没有有理根,也不能分解为更低次的有理多项式。它的次数是 3,不是 2 的幂。因此 $\sqrt[3]2$ 不可作。提洛斯的祭坛不能用尺规加倍。 60° 的角 有些角很容易三等分:直角可以分成三个 $30°$ 的角,而 $30°$ 可以用正三角形作出。但问题要求的是对任意角都适用的方法,一个反例就够了。取 $60°$。三等分它就是作出 $20°$,即长度 $x=\cos20°$。由三倍角的余弦公式 $$\cos3\theta=4\cos^3\theta-3\cos\theta,$$取 $\theta=20°$,$\cos60°=\frac12$: $$4x^3-3x=\frac12\qquad\Longrightarrow\qquad8x^3-6x-1=0.$$可能的有理根只有 $\pm1,\pm\frac12,\pm\frac14,\pm\frac18$,而它们都不满足方程。所以方程不能分解,次数为 3。$60°$ 角不能用尺规三等分。 旺策尔与伽罗瓦 这两个证明都是在 1837 年由 23 岁的法国人皮埃尔·旺策尔发表在刘维尔的杂志上的,他当时是巴黎综合理工学院的学生。旺策尔用的是高斯和拉格朗日的思想;伽罗瓦的著作要再过九年才出版。今天,这个论证用伽罗瓦理论来解释:方程的次数衡量的是它的根所创造的数的世界的大小,而尺规只能两级两级地往上爬。 第三个问题更难。把半径为 1 的圆化为方,就是作出 $\sqrt\pi$。1882 年,德国人费迪南德·冯·林德曼证明,$\pi$ 不是任何有理系数方程的根:它是一个超越数。于是,圆也不能化为方。 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。 再谈正十七边形 同样的论证也解释了高斯的正十七边形。作正 $n$ 边形就是作出 $\cos\frac{2\pi}n$,当 $n$ 是素数时,这个方程的次数与 $n-1$ 有关。对于 $n=17$,$n-1=16=2^4$ 是 2 的幂,所以可以作出。对于 $n=7$,$n-1=6$ 不是,所以正七边形不能作出。高斯陈述了完整的规则;旺策尔证明了缺失的那一半。

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阿贝尔群:顺序无关紧要的时候

先穿袜子再穿鞋,和先穿鞋再穿袜子,结果不一样。先加 3 再加 5,和先加 5 再加 3,结果一样。当两个操作的先后顺序不改变结果时,我们说它们可交换。数学家用来称呼一切都可交换的结构的那个词,是为了纪念阿贝尔:阿贝尔的(abelian)。 最后的论文 证明了一般五次方程没有公式之后,阿贝尔想知道哪些方程有公式。1829 年,在他发表于《克雷勒杂志》的最后几篇文章之一中,他研究了一类特殊的方程:所有的根都可以由其中一个根 $x$ 通过有理函数 $\theta_1(x), \theta_2(x),\dots$ 得到,而这些函数彼此可交换: $$\theta_1(\theta_2(x))=\theta_2(\theta_1(x)).$$阿贝尔证明这类方程总能用根式求解。它们后来被称为阿贝尔方程,再后来,顺序无关紧要的群被称为阿贝尔群。 单位根 最重要的例子是方程 $x^n=1$。它的一个根是 $$\zeta=\cos\frac{2\pi}n+i\sin\frac{2\pi}n,$$其余的根都是它的幂:$\zeta^2,\zeta^3,\dots,\zeta^n=1$。把一个根变成另一个根的函数是幂函数 $\theta_a(x)=x^a$,它们可交换: $$\theta_a(\theta_b(x))=(x^b)^a=x^{ab}=(x^a)^b=\theta_b(\theta_a(x)).$$由阿贝尔定理,$x^n=1$ 对每个 $n$ 都可以用根式求解。这正是高斯用来作出正十七边形的结构:正多边形的顶点就是 $x^{17}=1$ 的根。 群与交换性 用现代语言说,群是一组可以复合、可以撤销、可以组合的操作,而结果始终留在这组操作之内。如果对任意两个元素都有 $a\circ b=b\circ a$,这个群就是阿贝尔群。 阿贝尔群的例子随处可见: 整数与加法:$3+5=5+3$。 圆的旋转:先转 $30°$ 再转 $50°$,与先转 $50°$ 再转 $30°$ 相同。 时钟算术:在 12 小时制的钟上,9 点再过 5 小时是 2 点。我们写作 $9+5\equiv2\pmod{12}$,加数的顺序同样无关紧要。 也有不是阿贝尔群的群。三角形的对称是最小的例子:先转动三角形再翻转它,与先翻转再转动结果不同。魔方是另一个例子:先转前面再转上面,效果与反过来不同。正是通过研究非阿贝尔群,伽罗瓦解释了五次方程为什么没有公式。 为什么可交换有帮助 阿贝尔证明背后的直觉是:在阿贝尔群中,操作可以一个一个地、以任意顺序进行,而不会互相破坏。每一步对应于开一次方,而这些根可以依次开出。在一个过于复杂的非阿贝尔群里,比如五个根的 120 种置换构成的群,各个步骤互相妨碍,仅靠根式无法走到终点。 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。 阿贝尔葡萄 英语国家的数学家中流传着一个老笑话:“什么东西是紫色的而且可交换?阿贝尔葡萄。“因为英语里 an abelian grape(阿贝尔葡萄)听起来像 an abelian group(阿贝尔群)。“abelian"这个形容词太常用了,许多书都用小写字母书写,这是很少有数学家享有的荣誉。 练习:在 12 小时的时钟算术中,解 7 + x ≡ 3。再解 5 · x ≡ 1。第一个:$x\equiv3-7=-4\equiv8$,从 7 点往后走 8 小时就到了 3 点。第二个,逐个试:$5\cdot5=25=2\cdot12+1$,所以 $x\equiv5$。在时钟上,5 是它自己的逆元。

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只弯不拉:嵌入定理

拿一张纸。你可以把它卷成圆柱而不撕破、不拉伸:用软尺在纸面上量出的距离保持不变。但你无法不起褶皱地用它包住一个球。纸和球面的内蕴几何不同,高斯在 1827 年证明,这种差别,即曲率,在曲面不拉伸地弯曲时不会改变。 19 世纪,波恩哈德·黎曼有一个更大胆的想法:只用内部的测量来描述一个曲面,或任意维数的空间,而不把它画在任何地方。只需要一条规则,即度量,告诉我们怎样测量任意曲线的长度。广义相对论正是这样描述时空的:从内部描述,周围不需要更大的空间。 问题 那么,每一个抽象的黎曼空间,都能画进一个普通的欧几里得空间(也许维数很高),使得在空间内部量出的长度与画出来的长度一致吗?这种"无失真的画法"叫做等距嵌入。这个问题已有半个世纪,几何学家们认为它极其困难。 大约 1953 年,在麻省理工学院,几何学家沃伦·安布罗斯被这位年轻同事的傲慢激怒,向纳什挑战:既然这么厉害,那就把这个问题解决了。纳什接受了赌约。 一个例子:圆柱 我们用一个简单的情形来看看等距嵌入是什么意思。平面上的一条带子有坐标 $(u,v)$ 和普通的度量 $ds^2=du^2+dv^2$:位移为 $du$ 和 $dv$ 的一小段曲线长度为 $\sqrt{du^2+dv^2}$。把带子卷成半径为 $R$ 的圆柱: $$F(u,v)=\left(R\cos\frac uR,\ R\sin\frac uR,\ v\right).$$导数是 $$F_u=\left(-\sin\frac uR,\ \cos\frac uR,\ 0\right),\qquad F_v=(0,0,1),$$内积为 $$F_u\cdot F_u=1,\qquad F_v\cdot F_v=1,\qquad F_u\cdot F_v=0.$$所以在圆柱上 $ds^2=du^2+dv^2$,与带子上完全一样。卷起来是等距的:在曲面上爬行的蚂蚁察觉不到任何差别。但请注意:隔着圆柱相距很近的两点,沿曲面走可能相距很远。嵌入保持的是曲面上曲线的长度,而不是穿过空间的直线距离。 平坦环面 现在来看一个难的情形。拿一张正方形的纸,把上边和下边粘起来:它变成圆柱。再把圆柱两端粘起来:它变成甜甜圈,即环面。如果用真的纸来做,纸会起皱:普通的甜甜圈外侧曲率为正,内侧为负。由平坦正方形做成、保留正方形度量的环面叫做平坦环面,一个经典定理说,它不能被光滑地、无失真地画进三维空间。它可以无失真地放进四维空间,但放不进三维。 纳什证明了什么 1954 年,纳什发表了一个惊人的结果:如果嵌入只需要一阶光滑,也就是每一点都有确定的切面、但不一定有曲率,那么任何曲面都能等距地放进三维空间。荷兰人尼古拉斯·凯珀在 1955 年完善了这个论证。根据纳什–凯珀定理,就连平坦环面也能放进普通空间。代价是一个极其古怪的曲面,布满了褶皱叠褶皱,尺度越来越小,像分形一样。 平坦环面在三维空间中的一个等距嵌入,由 Hevea 项目在 2012 年计算得出。曲面上布满了越来越小的褶皱叠褶皱;这里显示的是前三层。Hevea 项目,Romainbehar 上传 · Wikimedia Commons · CC0 1956 年,纳什发表了安布罗斯所提出的情形,即完全光滑的嵌入:每个黎曼流形都可以等距地放进维数足够高的欧几里得空间。为此他发明了一种求解方程的新技术,一种逐次逼近的方法,每一步都修正上一步损失的光滑性。这种技术后来由于尔根·莫泽改进,被称为纳什–莫泽方法,今天被用于天体力学以及与几何毫无关系的微分方程问题。 一张揉皱的纸 纳什–凯珀定理有一个听起来荒谬的推论:一张平的纸可以不拉伸地放进一个任意小的球里,只要允许无限细的褶皱。2012 年,一个法国团队,即 Hevea 项目,首次计算出平坦环面的这样一个嵌入,并制作了展示它模样的图像。

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位移电流:缺失的一项

麦克斯韦的四个方程中,有三个在他之前就以某种形式为人所知:高斯定律、磁场定律和法拉第定律。第四个,安培定律,也是已知的,但它是 不完整的。麦克斯韦给它加上的只是一项:$\mu_0\varepsilon_0\frac{\partial\mathbf E}{\partial t}$。看起来微不足道。正是这一项让电和磁变成了光。 安培定律 1826 年,法国人安德烈-马里·安培找到了电流与其周围磁场之间的规律。用今天的语言说:沿着导线周围的一条闭合路径,把磁场沿路径的分量加起来,结果与穿过以这条路径为边界的 任意 曲面的电流 $I$ 成正比: $$\oint\mathbf B\cdot d\boldsymbol\ell=\mu_0 I.$$“任意"这个词很重要。想一想捕蝶网的网圈:网可以短也可以长,但穿过网圈的导线也穿过网。穿过网的电流与网的形状无关。 打破规则的电容器 现在在电路里接一个 电容器:两块平行金属板,中间隔着空气或真空。电容器充电时,电流 $I$ 沿一根导线流到一块板上,另一股电流从另一块板流出。但两板之间没有电流:那里没有导线,只有空隙。 在电容器前面,绕导线取一条圆形路径。如果网是 平的,切过导线,穿过它的电流是 $I$。如果网是 长的,像一个口袋从两板之间穿过而不碰到导线,穿过它的电流就是 零。同一条路径,同一个磁场积分,两个不同的答案。在这种情况下,安培定律不可能是对的。 两板之间变化的东西 两板之间没有电荷通过,但有东西在变化:电场。当极板积累电荷 $Q$ 时,面积为 $A$ 的两板之间的电场增大: $$E=\frac{Q}{\varepsilon_0A}.$$穿过极板面积的电场通量为 $\Phi_E=EA=\frac Q{\varepsilon_0}$,它的变化率为 $$\varepsilon_0\frac{d\Phi_E}{dt}=\frac{dQ}{dt}=I.$$恰好等于导线中流来的电流!麦克斯韦提出,变化的电场就像电流一样起作用。他称之为 位移电流,$I_d=\varepsilon_0\frac{d\Phi_E}{dt}$,并把它加进安培定律: $$\boxed{\oint\mathbf B\cdot d\boldsymbol\ell=\mu_0\left(I+\varepsilon_0\frac{d\Phi_E}{dt}\right).}$$现在两张网的结果一致了。穿过平网的只有导线中的电流 $I$。穿过长网的没有电流,但有两板之间变化的电场,它贡献的量完全相同。 为什么叫"位移”? 这个名字来自 1861 年的力学模型。麦克斯韦设想,即使在真空中也存在一种介质——以太,当电场变化时,其中的带电粒子会稍稍 位移,就像被拉伸的弹簧。这种微小的位移就是一种真实的电流。以太并不存在,迈克耳孙、莫雷和 爱因斯坦 后来证明了这一点,但这一项比模型活得更久:即使力学解释是错的,自然界仍然遵守这个方程。 电荷守恒 这一项必须存在还有另一个理由。在微分形式下,未经修正的安培定律是 $\nabla\times\mathbf B=\mu_0\mathbf J$。但旋度的散度总是零,所以它会迫使 $\nabla\cdot\mathbf J=0$:电流永远不能在任何地方积累,任何电容器都无法充电。加上麦克斯韦的一项, $$0=\nabla\cdot(\nabla\times\mathbf B)=\mu_0\nabla\cdot\mathbf J+\mu_0\varepsilon_0\frac{\partial}{\partial t}(\nabla\cdot\mathbf E).$$由高斯定律,$\nabla\cdot\mathbf E=\frac\rho{\varepsilon_0}$,剩下 $$\frac{\partial\rho}{\partial t}+\nabla\cdot\mathbf J=0.$$这就是 电荷守恒:一个区域里的电荷只有在电流流入时才会增加。麦克斯韦的修正正好是让方程组遵守这一原理所需要的。 自我维持的一项 位移电流有一个惊人的推论。由法拉第定律,变化的磁场产生电场。由修正后的安培定律,变化的电场产生磁场。于是两种场可以相互维持,一个产生另一个,完全不需要电荷和电流,并在真空中传播。这就是波。在 下一篇 中,我们来计算它的速度。 练习:一个电容器在 2 毫秒内积累了 6 微库电荷。两板之间的平均位移电流是多少?导线中的平均电流为 $\frac{\Delta Q}{\Delta t}=\frac{6\times10^{-6}}{2\times10^{-3}}=3\times10^{-3}$ A,即 3 mA。两板之间的平均位移电流也是 3 mA,尽管没有一个电子穿过两板之间的空间。

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置换根:拉格朗日定理

1770 年,代数学有一个停滞了两个多世纪的问题。二次方程有求根公式,卡尔达诺在 1545 年也发表了三次和四次方程的解法。到了五次,谁也找不到任何东西。最优秀的数学家都试过,每一种直到四次都管用的方法,到了五次就卡住了。 拉格朗日没有再去尝试一种新方法。他提出了一个不同的问题:旧方法为什么管用? 我打算在这篇论文中考察迄今为止找到的各种方程代数解法,把它们归结为一般原理,并先验地说明这些方法为什么对三次和四次方程有效,而对更高次的方程失效。 — 约瑟夫-路易·拉格朗日,《关于方程代数解法的思考》(1771) 这篇论文有 200 多页,由柏林科学院在 1770 年和 1771 年发表。 把根打乱 核心想法是考察由方程的根构成的表达式,看看当根互换位置时这些表达式会怎样。 先从二次开始。方程 $x^2+bx+c=0$ 的根是 $x_1$ 和 $x_2$,自韦达以来人们就知道 $$x_1+x_2=-b,\qquad x_1x_2=c.$$交换 $x_1$ 和 $x_2$,这两个表达式不变。正因为如此,它们可以用系数写出来。而差 $x_1-x_2$ 会变:变成 $x_2-x_1$,即它的相反数。它取两个值。但它的平方又只取一个值,于是可以用系数写出来: $$(x_1-x_2)^2=(x_1+x_2)^2-4x_1x_2=b^2-4c.$$现在只需开方:$x_1-x_2=\pm\sqrt{b^2-4c}$。知道了和与差,根立刻就出来了,结果正是二次方程求根公式。公式里的 $\pm$,恰好就是 $x_1-x_2$ 可能取的两个值的符号。 四次的秘密 拉格朗日对三次和四次方程做了同样的分析。在四次方程中,设根为 $x_1, x_2, x_3, x_4$,费拉里的技巧相当于考察表达式 $$t=x_1x_2+x_3x_4.$$打乱四个根共有 $4!=24$ 种方式,但 $t$ 只取三个值: $$\begin{gathered}x_1x_2+x_3x_4,\\ x_1x_3+x_2x_4,\\ x_1x_4+x_2x_3.\end{gathered}$$这三个值是一个三次方程的根,其系数可由原方程的系数算出。既然三次方程已经会解,就能求出 $t$,进而求出根。四次方程之所以可解,是因为存在一个取值少于四个的根的表达式。 对于五次方程,拉格朗日寻找一个取值很少的五个根的表达式,没有找到。他怀疑这个问题无解,但无法证明。意大利人保罗·鲁菲尼在 1799 年给出了几乎完整的证明,说明不存在一般的求根公式;挪威人尼尔斯·阿贝尔在 1824 年彻底解决了这个问题。几年后,埃瓦里斯特·伽罗瓦把拉格朗日的想法发展成一整套理论,即群论。 定理 在这项分析中,拉格朗日证明了一个今天以他命名的结果: 如果把一个含 $n$ 个字母的表达式按所有 $n!$ 种可能的方式打乱,它所取的不同值的个数整除 $n!$。 例如,四个字母的表达式 $t$ 取 3 个值,3 整除 24。两个字母的表达式 $x_1-x_2$ 取 2 个值,2 整除 $2!=2$。