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勒内·笛卡尔的一生

时间轴 1596出生于 3 月 31,法国都兰地区的拉哈耶。 1607进入欧洲最好的拉弗雷什耶稣会学校之一。 1616他毕业于普瓦捷大学法学专业。 1618他在荷兰加入了拿骚莫里斯的军队,并遇到了艾萨克·比克曼。 161911 月 10 的夜晚,他做了三个梦,并决定将其作为一项使命去实现。 1628他搬到了荷兰,在那里生活了大约 20 年。 1633停止发布 世界 得知伽利略被定罪后 1637发布方法论述,并附有附录几何。 1641出版第一哲学沉思。 1643他开始与波西米亚的伊丽莎白公主交换信件。 1649应瑞典女王克里斯蒂娜的邀请,他前往斯德哥尔摩。 1650于 11 二月在斯德哥尔摩去世。 ◀ 上一站 沿路线走一遍 下一站 ▶ 1596 拉艾生于都兰地区的一个小镇,这个小镇如今为纪念他而改名为笛卡尔。 1607–1614 拉弗莱什在欧洲最好的学校之一、拉弗莱什的耶稣会学院读书,获准早上可以赖床。 1616 普瓦捷从普瓦捷大学获得法学学位。 1618 布雷达加入拿骚的莫里斯的军队,结识了以物理和数学问题考他的以撒·贝克曼。 1619 乌尔姆附近一个冬夜,在一间有火炉取暖的房间里,他做了三个梦,并决定把它们当作使命去追随。 1628–1649 荷兰在荷兰联省共和国住了大约二十年,多次搬家。1637 年在莱顿出版《方法论》及其附录《几何学》。 1649–1650 斯德哥尔摩应克里斯蒂娜女王之邀前往,女王要他清晨五点上课。1650 年 2 月 11 日死于肺炎。 请启用 JavaScript 以查看地图。各站列在下方。 笛卡尔的道路:从都兰到荷兰,晚年又到瑞典。 地图:© OpenStreetMap 贡献者 笛卡尔的道路:从法国到荷兰,在生命的尽头到达瑞典。 Ative o JavaScript para ver esta figura interativa.

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莱昂哈德·欧拉的生平

时间轴 17074 月 15 出生于瑞士巴塞尔。 172013 岁进入巴塞尔大学。他开始跟随约翰·伯努利学习。 1727移居俄罗斯圣彼得堡科学院。 1735解决巴塞尔问题并分析柯尼斯堡大桥。 1738他的右眼几乎失去了所有视力。 1741应普鲁士腓特烈二世的邀请,他前往柏林学院学习。 1748发布无限分析简介,其中出现 $e^{ix} = \cos x + i \sin x$。 1750在给哥德巴赫的一封信中,他阐述了多面体的公式 $V - A + F = 2$。 1766应叶卡捷琳娜大帝的邀请返回圣彼得堡。白内障影响左眼。 1771白内障手术失败,他几乎失明。继续工作。 1783于 18 九月在圣彼得堡去世。 ◀ 上一站 沿路线走一遍 下一站 ▶ 1707–1727 巴塞尔在瑞士出生长大。13 岁进入大学,开始每周六跟约翰·伯努利学习。 1727 吕贝克他乘船沿莱茵河而下,坐马车穿过德意志,在吕贝克登船前往俄国。 1727–1741 圣彼得堡在科学院工作。解决巴塞尔问题,研究柯尼斯堡七桥,右眼失明。 1741–1766 柏林应腓特烈二世之邀前往柏林科学院。出版《无穷分析引论》,提出公式 $e^{ix}=\cos x+i\sin x$。 1766–1783 圣彼得堡应叶卡捷琳娜大帝之邀返回。几乎完全失明,却一直口述论文,直到 1783 年去世。 请启用 JavaScript 以查看地图。各站列在下方。 欧拉生活过的城市,从巴塞尔到圣彼得堡。点击某一站,或使用沿路线走一遍。 地图:© OpenStreetMap 贡献者

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黎曼积分

牛顿和莱布尼茨在 17 世纪发明了积分学,但很长时间里,没有人在意精确地定义积分到底是什么。对于普通的函数,积分就是导数的逆运算,或者曲线下的面积,这就够了。 奇怪的函数 19 世纪初,情况变了。傅里叶证明,非常不规则的函数,即带有跳跃和尖角的函数,也可以写成正弦和余弦之和,而这些和的系数由积分给出。可是,对一个满是跳跃的函数求积分有什么意义呢?柯西为连续函数给出了第一个定义。黎曼的老师狄利克雷在 1829 年找到了一个根本无法积分的函数:在有理数处取 1、在无理数处取 0 的函数。 黎曼在 1854 年关于三角级数的授课资格论文中处理了这个问题。要知道哪些函数能写成傅里叶级数,他首先得确切知道哪些函数能够积分。 定义 黎曼的想法很简单。要在区间 $[a, b]$ 上对 $f$ 积分: 把区间切成小段 $[x_0, x_1], [x_1, x_2], \ldots, [x_{n-1}, x_n]$,其中 $x_0 = a$,$x_n = b$; 在每一段中任取一点 $\xi_i$; 作出以 $x_i - x_{i-1}$ 为底、$f(\xi_i)$ 为高的矩形面积之和: $$S = \sum_{i=1}^{n} f(\xi_i)\,(x_i - x_{i-1}).$$如果当所有小段都变得非常窄时,这些和趋近同一个数,不论小段和点是怎样选取的,这个数就是积分: $$\int_a^b f(x)\,dx = \lim S.$$要求点的选取无关紧要,这正是定义的核心。在下图中,改变每一段里所取的点和段数: 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。 哪些函数可积 黎曼还给出了一个判别法。在每一段中,函数在一个最小值和一个最大值之间变化,两者之差就是函数在这一段上的振幅。如果各段的振幅乘以宽度之和可以要多小就有多小,函数就是可积的。所有连续函数都能通过这个检验,许多有跳跃的函数也能:只要跳跃不“太多”就行。 狄利克雷函数通不过:在任何一段里,不论多小,都既有有理数又有无理数,振幅始终是 1。和是 1 还是 0,取决于所选的点,不存在唯一的极限。 有无穷多个跳跃的函数 为了展示自己定义的适用范围,黎曼构造了一个可积函数,它在所有形如 $\frac{m}{2n}$($m$ 为奇数)的有理数处都有跳跃,也就是说,跳跃点在实数中稠密。即便如此,和仍然收敛,因为跳跃越来越小。1902 年,亨利·勒贝格提出了一个更一般的定义,它连狄利克雷函数也能积分(积分为 0),并成为现代概率论的基础。但人们首先学的仍然是黎曼积分。

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木星、土星与太阳系的稳定性

牛顿用一条定律解释了行星的轨道,但他知道这条定律带来了一个问题。每颗行星都受太阳吸引,也受其他行星的一点点吸引。这些小小的吸引会随时间累积。牛顿怀疑,从长远看,太阳系会变得混乱,需要上帝不时出手,把它重新整理好。 木星与土星之谜 天文学家有理由担心。比较古代和近代的观测,埃德蒙·哈雷在 1695 年注意到,木星似乎走得越来越快,土星越来越慢。如果这是一个永久的趋势,木星最终会掉进太阳,土星会消失在太空中。欧拉和拉格朗日都试图解释这一现象,但没有成功。 1785 年,拉普拉斯找到了答案。这不是趋势,而是一种非常缓慢的振荡,周期将近 900 年。天文学家只看到了其中一小段,把这一段误当成了直线。 五圈对两圈 关键在于周期。木星绕太阳一圈约需 11.86 年,土星约需 29.46 年。也就是说,它们每年前进 $$n_J = \frac{360^\circ}{11.86} \approx 30.35^\circ, \qquad n_S = \frac{360^\circ}{29.46} \approx 12.22^\circ.$$请注意,土星的两圈和木星的五圈几乎一样长:$2 \times 29.46 = 58.9$ 年,$5 \times 11.86 = 59.3$ 年。我们说这两颗行星接近 5 比 2 的共振。起作用的差是 $$2n_J - 5n_S \approx 60.70^\circ - 61.10^\circ = -0.40^\circ \text{ 每年}.$$这个差很小,正因如此,扰动需要很久才能消解:这个角转完整一圈需要 $$\frac{360^\circ}{0.40^\circ \text{ 每年}} \approx 880 \text{ 年}.$$三角形上的合 还有一种直观的方式来看同一件事。两颗行星与太阳排成一线,即发生合,每隔 $$\frac{1}{\frac{1}{11.86} - \frac{1}{29.46}} \approx 19.86 \text{ 年}$$发生一次,每次合都比上一次前移约 $242.7^\circ$。连续三次合前移 $3 \times 242.7^\circ = 728.1^\circ$,也就是两整圈再加 $8.1^\circ$。所以合几乎总是落在天空中同样的三个位置,构成一个近似等边三角形的三个顶点,而这个三角形在缓慢旋转。正是在这些位置,一颗行星对另一颗的拉扯不断重复、叠加:

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尤里卡:国王的王冠与阿基米德原理

关于阿基米德最有名的故事,并不见于他的任何一本书。它是两个世纪后罗马建筑师维特鲁威在《建筑十书》第九书里讲的。 希伦的王冠 希伦国王定做了一顶献给神的王冠,交给金匠一定数量的金子。王冠做好了,重量和交出去的金子一样。但有传言说,金匠私吞了一部分金子,换上了同样质量的银。希伦请阿基米德在不损坏王冠的前提下查明真相。 据维特鲁威说,阿基米德正想着这个问题时,跨进一个满满的浴盆,看到身体下沉时水溢了出来。他当即明白了该怎么做,光着身子跑回家,用希腊语大喊 heúreka, heúreka:“我找到了,我找到了”。 维特鲁威的方法 在维特鲁威的版本里,办法是比较体积。银的密度比金小:同样质量的银,体积几乎是金的两倍。如果王冠里掺了银,它的体积就会比同质量的纯金块大。要测量形状不规则的物体的体积,只要把它浸入一个盛满水的容器,量出溢出的水即可。 据说阿基米德先放入一块与王冠同质量的纯金,再放入一块银,最后放入王冠本身。王冠溢出的水比纯金多:金匠确实作了弊。 为什么几乎行不通 1586 年,年轻的伽利略·伽利莱写了一篇短文《小天平》,指出了问题所在:体积的差别非常小,用当时的容器足够精确地测出溢出的水,几乎是不可能的。请在下面的练习中算一算。伽利略提出,阿基米德用的应当是一种灵敏得多的方法,所依据的正是他真正证明过的一个结果。 阿基米德原理 在《论浮体》中,阿基米德证明:浸在液体中的物体会受到一个向上的浮力,大小等于被排开液体的重量。比液体密度大的物体会下沉,但显得轻了;比液体密度小的物体会漂浮,浸没的部分使排开的液体与整个物体一样重。 伽利略提出的方法用的是天平。把王冠挂在一个秤盘上,把同质量的纯金块挂在另一个秤盘上。在空气中,天平是平衡的。现在把两者都浸入水中。如果王冠的体积更大,它排开的水更多,受到的浮力更大,就会上升:天平向纯金那边倾斜。浮力之差直接作用在天平上,而普通天平比水位灵敏得多。 用现代的话说:质量为 $m$、体积为 $V$ 的物体浸在水中(密度 $\rho_a = 1$ 克/立方厘米),视重为 $$m - \rho_a V.$$ 像船一样漂浮 《论浮体》远不止讲浮力。在第二卷中,阿基米德研究了旋转抛物体(一种与船体相似的形状)在什么姿态下能稳定漂浮、在什么姿态下会翻覆。这是对船舶稳定性的第一次数学研究,直到 18 世纪,造船工程师才重新以同样的深度探讨这个问题。这部著作已知唯一的希腊文抄本保存在阿基米德重写本中。 练习:王冠的体积王冠重 1000 克。金的密度为 19.3 克/立方厘米,银为 10.5 克/立方厘米。纯金王冠的体积是多少?含 700 克金和 300 克银的王冠呢?如果容器的口是直径 20 厘米的圆,水面会多升高多少? 纯金:$\frac{1000}{19.3} \approx 51.8$ 立方厘米。掺银的王冠:$\frac{700}{19.3} + \frac{300}{10.5} \approx 36.3 + 28.6 = 64.8$ 立方厘米。差约 13 立方厘米。容器口的面积为 $\pi \cdot 10^2 \approx 314$ 平方厘米,所以水面只会多升高 $\frac{13}{314} \approx 0.04$ 厘米:不到半毫米。这就是伽利略怀疑维特鲁威说法的原因。

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多边形数定理

希腊人早就用小石子摆图形。用 1、3、6、10 颗石子可以摆成三角形;用 1、4、9、16 颗,摆成正方形;用 1、5、12、22 颗,摆成五边形。这些就是多边形数。 公式 $k$ 边形数的第 $n$ 个,是把一个从 1 开始、公差为 $k - 2$ 的等差数列加起来得到的: $$P_k(n) = 1 + (k-1) + (2k-3) + \cdots = \frac{n\,\big((k-2)n - (k-4)\big)}{2}.$$$k = 3$ 时得到三角形数 $\frac{n(n+1)}{2}$:1, 3, 6, 10, 15, …;$k = 4$ 时是平方数 $n^2$;$k = 5$ 时是五边形数 $\frac{n(3n-1)}{2}$:1, 5, 12, 22, 35, … 我们也把零算进去,$P_k(0) = 0$。 费马的断言 1638 年,皮埃尔·德·费马在给梅森的信中,后来又在他那本丢番图著作的页边批注里,声称发现了一个“非常美妙而且完全普遍”的性质: 每个数或者是三角形数,或者是两个或三个三角形数之和;或者是平方数,或者是两个、三个或四个平方数之和;或者是五边形数,或者是两个、三个、四个或五个五边形数之和;如此直至无穷。 — 皮埃尔·德·费马,丢番图著作页边批注(约 1638) 像往常一样,费马没有留下证明。平方数的情形难倒了欧拉四十年,1770 年才由拉格朗日解决。三角形数的情形由高斯在 1796 年证明;他在日记里欣喜地写道:“ΕΥΡΗΚΑ! num = Δ + Δ + Δ”。五边形数、六边形数以及其余所有情形仍然悬而未决。

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光线系统与锥形折射

十九世纪初,光学是一堆个案的集合:平面镜、曲面镜、透镜、棱镜,各有各的公式。还是学生的哈密顿问自己:它们背后难道没有一个统一的想法吗?结果就是《光线系统理论》,1827 年在皇家爱尔兰学院宣读,此后几年又不断扩充。 一个函数统辖所有光线 出发点是费马的一个原理:光从一点到另一点走的是用时最少的路径,更准确地说,是用时取驻定值的路径。哈密顿把这个时间看作端点的函数。对两点 $A$ 和 $B$,令 $V(A, B)$ 为它们之间光路的“光程”:在每种介质中走过的距离乘以该介质的折射率。他把 $V$ 称为特征函数。 令人惊讶的是,这一个函数包含了一切。$V$ 对 $B$ 的坐标求导,给出到达 $B$ 的光线方向;对 $A$ 的坐标求导,给出离开 $A$ 的光线方向。知道了 $V$,就知道了整个系统。 例如,在折射率为 $n$ 的均匀介质中,光沿直线传播, $$V(A, B) = n\,\lvert AB \rvert = n\sqrt{(x_B - x_A)^2 + (y_B - y_A)^2}.$$对 $x_B$ 和 $y_B$ 求导, $$\frac{\partial V}{\partial x_B} = n\,\frac{x_B - x_A}{\lvert AB \rvert}, \qquad \frac{\partial V}{\partial y_B} = n\,\frac{y_B - y_A}{\lvert AB \rvert},$$这就是光线方向上的单位向量乘以 $n$。特征函数的梯度指向光的方向。 从时间得出斯涅尔定律 一条光线从空气中的 $A$ 出发,到达水中的 $B$,在距离为 $x$ 的一点穿过水面。所用时间正比于

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序数:由空集构成的数

二十世纪初,数学家们想从一个唯一的概念,即集合,出发构建整个数学。可是在这种语言里,数 $3$ 是什么?格奥尔格·康托尔谈到过“序数”,也就是度量队列中位置的数:第一、第二、第三,在所有有限的序数之后,还有第一个无穷序数 $\omega$。所缺的是说清这些数作为集合究竟是什么。 1923 年,19 岁的冯·诺依曼发表了一篇短文《论超限数的引入》,给出的答案如此简洁,以至于成了标准定义。 每个数都是它前面那些数的集合 规则只有一条:一个序数就是所有比它小的序数构成的集合。从空无开始: $$0 = \varnothing,\qquad 1 = \{0\} = \{\varnothing\},\qquad 2 = \{0, 1\} = \{\varnothing, \{\varnothing\}\},$$$$3 = \{0, 1, 2\} = \{\varnothing, \{\varnothing\}, \{\varnothing, \{\varnothing\}\}\}.$$一般地,一个数的后继就是这个数本身再加上它自己: $$n + 1 = n \cup \{n\}.$$这个定义白送了三样东西: 数 $n$ 恰好有 $n$ 个元素:$3$ 的元素是 $0$、$1$ 和 $2$。数到 $n$,就是把 $n$ 的元素过一遍。 “小于”变成了“属于”:$m < n$ 意味着 $m \in n$。同时也意味着“包含于”:$2 \subset 3$。 一切都从空集造出来。不必假定数的存在:它们是用花括号制造出来的。 无穷之外 同一条规则继续适用。全体自然数的集合 $$\omega = \{0, 1, 2, 3, \ldots\}$$是第一个无穷序数:它是所有比它小的序数构成的集合,和前面那些完全一样。接下来是 $\omega + 1 = \omega \cup \{\omega\}$,然后是 $\omega + 2$,依此类推,直到 $\omega \cdot 2$、$\omega^2$、$\omega^\omega$……康托尔描述过这座阶梯;冯·诺依曼给每一级台阶都提供了具体的构造。

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图灵机:用铅笔、纸带和规则来计算

1936 年还没有任何计算机。英语里的 computer 指的是一个人:以计算为职业、用铅笔和纸在保险公司、天文台和政府部门里做算术的人。图灵就从这个人出发。他问:一个人在计算时真正在做什么?然后把一切不重要的东西都去掉。 计算的人还剩下什么 图灵在《论可计算数》中的推理,几乎就是一串简化: 纸可以换成一条分成格子的纸带,因为方格纸上的计算可以一格一格地抄到一行上。 每格里放一个符号,取自一张有限的清单:数字、字母、空白。 计算的人每次只看少数几格。看一格就够了:看几格,就是先看一格,再看它旁边那格。 计算的人有一种心理状态,比如“我在做加法”或“我在进位”。这样的状态只有有限多个。 每一步只取决于当前状态和正在读的符号。这一步就是写下一个符号、向左或向右移动一格、改变状态。 剩下的就是一台机器:一条纸带、一个能读能写的头,以及一张规则表。表的每一行说:“在某某状态下,读到某某符号,就写下这个,移到那边,进入某某状态”。 一台加 1 的机器 我们来造一台把二进制数加 1 的机器。手算 $1011+1$ 时,从右往左:最后一个 1 变成 0,“进一”;倒数第二个 1 也变成 0,再进一;接下来的 0 变成 1,计算结束。结果是 $1100$,也就是 $11+1=12$。 机器做的正是这件事,只需要一个状态“加”,外加终止状态“停机”。读写头从最后一位开始: 状态 读到 写下 移动 下一状态 加 1 0 向左 加 加 0 1 不动 停机 加 空白 1 不动 停机 第一行就是进位:把 1 换成 0,继续向左。第二行在遇到 0 时结束计算。第三行处理所有数字都是 1 的情形,比如 $111+1=1000$:读写头走到数字左边的空白处,在那里写下新的 1。 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。 为什么这么简陋? 图灵机看上去简陋得可笑。它不能一次把两个数相加,除了纸带之外没有记忆,每次只走一格。但这种简陋是有意为之。图灵想要一个关于“机械计算”的定义,它要简单到没有人会怀疑一个人能执行它,同时又要普遍到涵盖任何计算。

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打乱方程的根:方程的群

双脚并拢跳过计算;把运算分组,按照它们的难度而不是形式来分类:在我看来,这就是未来几何学家的使命。 — 埃瓦里斯特·伽罗瓦,一份手稿的序言(1831) 在伽罗瓦之前六十年,拉格朗日研究过由方程的根构成的表达式,并计算了当根交换位置时它们取多少个值。伽罗瓦更进了一步。他不再看表达式,而是看交换本身。而且不是所有的交换:只看方程允许的那些。 允许的交换 取一个有理系数的方程,把它的根记作 $a, b, c,\dots$ 根之间成立某些关系:系数为有理数的真等式,比如 $a+b=0$ 或 $a^2=2$。伽罗瓦把方程的群定义为根的这样一些置换的集合:它们把每一个成立的关系都变成另一个成立的关系。 最简单的例子是 $x^2-2=0$,根为 $a=\sqrt2$ 和 $b=-\sqrt2$。例如,下列关系成立: $$a+b=0,\qquad ab=-2,\qquad a^2=2,\qquad b^2=2.$$把 $a$ 和 $b$ 交换,四个关系仍然成立。这个群有两个元素:什么都不换,以及交换两个根。 与 $x^2-3x+2=0$ 比较,它的根是 $a=1$ 和 $b=2$。这里关系 $a=1$ 成立。交换两个根,它变成 $b=1$,这是错的。所以这个交换不被允许,群里只有恒等置换。这并非偶然: 根的一个有理表达式是有理数,当且仅当群中没有任何置换改变它。 这是整个理论的核心原理。特别地,当且仅当群只有恒等置换时,所有的根都是有理数。群越大,根就"藏"得越深。 四个根,四种交换 方程 $x^4-5x^2+6=0$ 可以分解为 $(x^2-2)(x^2-3)=0$。它的根是 $$a=\sqrt2,\qquad b=-\sqrt2,\qquad c=\sqrt3,\qquad d=-\sqrt3.$$四个根有 $4!=24$ 种打乱方式,但其中大多数会破坏某个关系。例如,交换 $a$ 和 $c$ 会把成立的关系 $a^2=2$ 变成错误的 $c^2=2$。只剩下把 $\sqrt2$ 变为 $\pm\sqrt2$、把 $\sqrt3$ 变为 $\pm\sqrt3$ 的那些交换: 置换 $a$ 变为 $c$ 变为 恒等 $a$ $c$ 交换 $a\leftrightarrow b$ $b$ $c$ 交换 $c\leftrightarrow d$ $a$ $d$ 两个都交换 $b$ $d$ 这个群有四个元素,而可能的置换有 24 个。这个看上去是四次的方程,实际上用两个相互独立的平方根就能解出,群把这一点显示了出来。