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费马的遗产

数论之父 1670 年版丢番图《算术》的扉页,在图卢兹印制,标明“附 P. 德·费马的评注”。费马去世五年后由儿子出版的这本书,把页边注记传到了欧拉手中。贝尔纳·博斯克,图卢兹(1670) · Wikimedia Commons · 公有领域 在费马之前,关于整数的问题被看作谜题,是丢番图式的智力游戏。费马把它们变成了一个数学领域,有深刻的问题和自己的方法。将近一个世纪里,几乎没有人跟上他。直到 1730 年起,欧拉读了费马的批注,证明了其中很多,才使数论成为数学的核心分支。随后又有拉格朗日、勒让德和高斯。 其他发现 完整的清单会很长。几个亮点: 两平方和定理: 一个奇质数能表示为两个平方数之和,当且仅当它除以 4 余 1。例如 $13=4+9$,$29=4+25$,而 $7$ 和 $11$ 不行。费马在 1640 年宣布,欧拉在 1749 年证明。 佩尔方程: 费马用来挑战英国人的方程 $x^2-Ny^2=1$,当 $N$ 不是平方数时总有无穷多个解。 多边形数: 每个正整数都能表示为至多三个三角形数之和、四个平方数之和、五个五边形数之和,依此类推。拉格朗日在 1770 年证明了平方数的情形,高斯在 1796 年证明了三角形数的情形。 曲线求长: 费马计算了一些曲线弧的长度,这是另一个为微积分铺路的问题。 通向微积分之路 费马的解析几何使曲线能写成方程。他的极值方法用一种本质上就是导数的计算来求切线和极值。他还计算了 $y=x^n$ 型曲线下的面积。所缺的只是认识到切线与面积是互逆运算——这一步将由牛顿和莱布尼茨迈出。 在物理学中,最短时间原理解释了学校里学到的反射和折射,并开辟了现代物理中最优化原理的道路。 错误的猜想同样有教益 费马错误地认为所有形如 $2^{2^n}+1$ 的数都是质数。即便如此,这个问题引导欧拉发展出新的技巧,又意外地出现在高斯的正十七边形中。在数学中,一个好问题价值连城,即使答案与直觉相反。 而大定理,无论费马是否真有那个“绝妙”的证明,都迫使数学家创立了整套理论来解决它。怀尔斯的证明把两个看似遥远的领域联系在一起,这些工具如今的用途已远远超出了原来的问题。 要点回顾 费马的出生地博蒙德洛马涅的费马纪念像,雕塑家亚历山大·法尔吉耶尔的作品。Didier Descouens · Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0 费马是图卢兹的法官,研究数学纯属爱好;生前几乎什么也没发表。 他的出生年份有 1601 年和 1607 年两种说法,因为他有一个同名的同父异母哥哥。 他独立于笛卡儿创立了解析几何。 他的“近似相等”法在牛顿和莱布尼茨的微积分之前就能求极大值和极小值。 小定理说:当质数 $p$ 不整除 $a$ 时,$a^{p-1}\equiv1\pmod p$。 他猜想所有 $2^{2^n}+1$ 都是质数;欧拉证明了 $F_5$ 是 641 的倍数。 1654 年,他与帕斯卡通过点数问题创立了概率论。 最短时间原理解释了折射定律。 无穷递降法证明某些方程没有整数解。 大定理等待了 358 年,于 1995 年由安德鲁·怀尔斯证明。 资料来源: 费马的生平与贡献,MacTutor。

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方程组:行列式和高斯消元法

为了使用最小二乘法计算轨道,高斯需要求解方程组 许多未知数。每个学生都知道的两个名字都来自这个故事:行列式和 高斯消除。 行列式。 采用具有两个方程的系统: $$\begin{cases} a\,x + b\,y = e \\ c\,x + d\,y = f \end{cases} \quad\Longrightarrow\quad x = \frac{e\,d - b\,f}{a\,d - b\,c}, \qquad y = \frac{a\,f - e\,c}{a\,d - b\,c}.$$ 这完全取决于分母中的数字 $ad - bc$:如果它不为零,则系统有一个 解决方案。这个数字“决定”了系统。 从方程组到二阶行列式的记法。Euler’s Eyes 行列式规则:主对角线乘积减去另一条对角线的乘积。Euler’s Eyes Matrix 在拉丁语中意为“子宫”,即孕育事物之处。Euler’s Eyes 这个词首次出现在高斯的Disquisitiones中,在1801中。他称之为 决定因素决定二级形式的属性的数字,$ax^2 + 2bxy + cy^2$。 在1815中,法国人 Augustin-Louis Cauchy 采用了该术语并给予认可: 高斯在他的分析研究中充分利用了这个术语,发现了二级形式的一般性质。我会保留这个名字。 — 奥古斯丁·路易斯·柯西,《巴黎综合理工学院杂志》,1815 1750Gabriel Cramer 使用我们今天编写的行列式公式来求解系统。 1801高斯在Disquisitiones Arithmeticae中使用了单词行列式。 1815柯西采用了当今意义上的术语行列式。 1841Arthur Cayley 将行列式写在两个竖线之间。 1850James Joseph Sylvester 创建了单词矩阵。 高斯消元法。 如果有三个或更多未知数,公式就会变得庞大。高斯路径 这是一次消除一个未知数,直到只剩下一个只有一个未知数的方程。看到与 示例:

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声速

声音是一种压缩波:空气被推动、压缩,推动下一层空气,然后舒张。这种波的速度取决于空气的两个性质:它抵抗压缩的程度,以及它有多重。 牛顿的公式 在 1687 年的《原理》中,牛顿第一次计算了声速。他假设空气被压缩时服从玻意耳定律,即压强与密度成正比,得到 $$v = \sqrt{\frac{P}{\rho}}.$$在海平面、20 °C 时,压强 $P = 101\,325$ 帕,空气密度 $\rho = 1.204$ 千克/立方米。公式给出 $$v = \sqrt{\frac{101\,325}{1.204}} \approx 290 \text{ 米/秒}.$$然而测量值约为 340 米/秒,多出大约 15%。牛顿试图用一些牵强的假设来解释这个差别,比如空气粒子的大小和水蒸气。一百多年里,这个差异一直得不到解释。 会变热的空气 拉普拉斯找到了错误所在。气体被压缩时会变热,用手动打气筒给自行车轮胎打过气的人都知道这一点。玻意耳定律在温度保持不变时成立。但声波中的压缩非常快,热量来不及散出去:被压缩的空气稍微变热,因而推得比牛顿假设的更用力。今天我们说,这种压缩是绝热的,而不是等温的。 用数学语言说,波在流体中的速度是 $v = \sqrt{\frac{dP}{d\rho}}$,即密度升高时压强升高多少。对等温压缩,$P = k\rho$, $$\frac{dP}{d\rho} = \frac{P}{\rho}.$$对绝热压缩,$P = k\rho^\gamma$,其中 $\gamma$ 是气体定压比热与定容比热之比, $$\frac{dP}{d\rho} = k\gamma\rho^{\gamma-1} = \gamma\,\frac{P}{\rho}.$$所以拉普拉斯在 1816 年发表的正确公式是 $$v = \sqrt{\frac{\gamma P}{\rho}}.$$对于空气,$\gamma \approx 1.40$。这个修正把牛顿的结果乘以 $\sqrt{1.40} \approx 1.183$: $$v \approx 290 \times 1.183 \approx 343 \text{ 米/秒},$$正好是测量值。拉普拉斯还把论证反过来用:在 $\gamma$ 能被精确直接测量之前,他用测得的声速来估计 $\gamma$。

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阿基米德的遗产

理解了阿基米德和阿波罗尼奥斯的人,对当今最伟大人物的发现就不会那么惊叹了。 — 戈特弗里德·威廉·莱布尼茨 手稿 阿基米德留下的东西,是靠一根细线传到我们手中的。他几乎全部著作都依赖三部拜占庭希腊文抄本。其中两部,学者称为抄本 A 和抄本 B,在文艺复兴时期被抄录或翻译之后就失传了;第三部是重写本,一直藏在一本祈祷书下面。1269 年,多明我会修士穆尔贝克的威廉把希腊文本译成拉丁文,通过这个译本,阿基米德开始在欧洲的大学里被人阅读。希腊文本的第一个印刷版于 1544 年在巴塞尔出版。 继承者 文艺复兴和科学革命时期的科学家把他当作老师来读。伽利略以《小天平》开始了自己的学术生涯,这是一篇关于希伦王冠的文章;他还追随阿基米德的脚步研究固体的重心。开普勒用无穷小薄片的思想计算酒桶的容积。卡瓦列里、费马、帕斯卡和沃利斯在发展通向微积分的方法时,都是从阿基米德的面积和体积出发的。1906 年重新发现《方法》后,人们才看清他曾离微积分多么近:在杠杆上称量的薄片,本质上就是积分。 数学最高奖菲尔兹奖章的正面,有阿基米德的侧面像和拉丁文铭文 Transire suum pectus mundoque potiri,意为“超越自我,掌握世界”。Stefan Zachow,为国际数学联盟拍摄 · Wikimedia Commons · 公有领域 奖章上的面孔 菲尔兹奖章每四年颁发一次,授予不超过 40 岁的数学家,奖章上有加拿大雕塑家罗伯特·泰特·麦肯齐 1933 年创作的阿基米德侧面像。背面是一个内切于圆柱的球,就像叙拉古的那座坟墓,还有拉丁文铭文:“来自全世界的数学家们,为杰出的著作颁发此奖”。 名字 月球上的阿基米德环形山直径 82 千米,位于雨海的边缘。小行星 3600 Archimedes 以他命名,螺旋泵、原理、螺线也都以他命名,还有有时被称为阿基米德常数的常数,也就是 $\pi$ 本身。尤里卡(eureka)一词进入了几乎所有语言,成为发现时的欢呼,也是美国加利福尼亚州的州训。 怀特海的话 英国哲学家、数学家阿尔弗雷德·诺思·怀特海在 1911 年写道,阿基米德死于罗马士兵之手,象征着一个世界的转变:“没有一个罗马人是因为沉迷于思考一幅数学图形而丧命的。”罗马人是伟大的工程师,却没有产生能与希腊人比肩的数学家。阿基米德之死在某种意义上标志着古代数学最富创造力的时代的结束。 练习:环形山阿基米德环形山的直径是 82 千米。假设它是圆形的,面积是多少?用阿基米德的界限 $\pi < \frac{22}{7}$ 得到一个偏大的估计。 面积为 $\pi r^2$,$r = 41$ 千米。取 $\pi \approx 3.1416$:$3.1416 \times 1681 \approx 5281$ 平方千米。用 $\frac{22}{7}$:$\frac{22}{7} \times 1681 \approx 5283$ 平方千米,稍大一些,理应如此。在五千多平方千米中,差别只有 2 平方千米。

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历史图片与照片 全部来自维基共享资源。我们使用共享资源提供的缩略图;柯克伍德的蚀刻像缩小了尺寸,锥形折射图减少了调色板颜色,除此之外未作其他编辑。 哈密顿肖像,Library of Congress:来源页面 · 公有领域。 哈密顿油画肖像,作者不详:来源页面 · 公有领域。 J. 柯克伍德的蚀刻像,Wellcome Collection:来源页面 · CC BY 4.0。 1943 年的爱尔兰邮票:来源页面 · 公有领域。 布鲁姆桥上的纪念牌,Cone83 摄:来源页面 · CC BY-SA 4.0。 布鲁姆桥,Johnflan 摄:来源页面 · CC BY-SA 4.0。 邓辛克天文台,David Malone 摄:来源页面 · CC BY-SA 2.5。 都柏林三一学院,JoachimKohler-HB 摄:来源页面 · CC BY-SA 4.0。 海尔维林峰上的华兹华斯,本杰明·罗伯特·海登绘:来源页面 · 公有领域。 内锥形折射图,Thomas Preston 与 William Edward Thrift:来源页面 · 公有领域。 圣保罗大学 Matemateca 的周游世界游戏复制品,Estes Objethos Atelier,Alisson Ricardo 摄:来源页面 · CC BY-SA 4.0。 为本站制作的图 封面以及单摆相空间、四元数旋转和周游世界游戏的交互图都是为这一系列制作的,在本站的四种语言中都能使用。 记录 文件 data/hamilton_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。每个主题的历史文献列在各篇文章的末尾。 威廉·罗恩·哈密顿的全部主题 · ← 威廉·罗恩·哈密顿的遗产

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