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阿涅西的一生

年表 17185 月 16 日生于米兰,是富裕的丝绸商人彼得罗·阿涅西 21 个孩子中的长女。 1727九岁时用拉丁语背诵一篇为女性受教育权辩护的演讲。 1738出版《哲学命题》,收录她在父亲家聚会上答辩过的 191 条哲学与自然科学命题。 1739请求父亲允许她进修道院,父亲拒绝。 1748出版《分析讲义》第一卷,献给玛丽亚·特蕾莎女皇。第二卷于 1749 年出版。 1750教皇本笃十四世任命她为博洛尼亚大学数学教授。她从未去过博洛尼亚。 1752父亲去世。阿涅西离开数学,开始照顾贫穷和生病的妇女。 1771米兰成立特里武尔齐奥救济院,收容贫穷的老人。阿涅西受邀主持女性部。 17991 月 9 日在救济院去世,葬于公共墓坑。 沙龙里的女孩 玛丽亚·加埃塔纳·阿涅西 1718 年 5 月 16 日生于米兰。当时这座城市是维也纳哈布斯堡王朝统治下一个公国的首府。父亲彼得罗·阿涅西靠丝绸生意致富,希望家族在米兰社会中往上走。他结过三次婚,有 21 个孩子,玛丽亚·加埃塔纳是长女。 彼得罗很早就发现女儿学东西快得出奇,于是为她请来城里最好的老师。不到十一岁,玛丽亚·加埃塔纳除了意大利语,已经会说法语、拉丁语、希腊语、希伯来语、德语和西班牙语,来访的客人称她为“七种语言的神谕”。彼得罗开始在家中的聚会上展示女儿:学者、贵族和外国旅行者向她提出哲学、物理和数学问题,她用每个人自己的语言回答。妹妹玛丽亚·特蕾莎在这些夜晚弹奏羽管键琴,后来成了作曲家。 书桌旁的阿涅西,身边放着一个地球仪。让·弗朗索瓦·博齐奥所绘,藏于纽约大都会艺术博物馆。Jean François Bozio · Wikimedia Commons · CC0 1727 年,九岁的她在一次聚会上背诵了一篇很长的拉丁语演讲。演讲稿由她的一位老师用意大利语写成,再由她译成拉丁语,主张女性和男性有同样的权利学习。1738 年,她出版了《哲学命题》,列出她在客人面前答辩过的 191 条命题,内容涉及逻辑、力学、天文、化学、植物学和矿物学。 来访者之一、法国法官夏尔·德布罗斯在 1739 年到过阿涅西家,并留下了记述。他见到一位二十岁的姑娘,用拉丁语和他讨论物理和几何问题,还向他坦白,自己不喜欢在这样的场合被人展示。 没有进成的修道院 据她的传记作者说,大约就在这时,玛丽亚·加埃塔纳请求父亲允许她进修道院。彼得罗需要她来教育年幼的弟妹,也需要她为家族增光,于是拒绝了。两人达成了一个约定:她留在家里,但可以穿着朴素,随时去教堂,并远离宴会和沙龙。 摆脱了表演之后,阿涅西转向了数学。她的引路人是拉米罗·兰皮内利,一位熟悉新微积分的奥利维托会修士兼数学家。将近十年里,她一直在写一本书,用来教弟弟们学习分析,也教给意大利的年轻人。 那本书 《供意大利青年使用的分析讲义》(Instituzioni analitiche ad uso della gioventù italiana)在米兰出版,第一卷于 1748 年,第二卷于 1749 年。为了就近监督公式的排版,这本书是在阿涅西家中设立的印刷所里印出来的。书献给了玛丽亚·特蕾莎女皇,女皇回赠了一封信、一枚钻石戒指和一只镶钻的水晶盒。 《分析讲义》第一卷的扉页,米兰,1748 年。阿涅西的署名是博洛尼亚科学院院士。Maria Gaetana Agnesi · Wikimedia Commons · 公有领域 这本书立刻获得了成功。1749 年,巴黎科学院的一个委员会审阅了这部著作,称它是同类著作中最完整、编排最好的一部。书中有哪些内容,我们在《分析讲义》一文中介绍。

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《分析讲义》

18 世纪中叶,想学微积分的人会遇到一个难题。牛顿和莱布尼茨的发明才有七十年历史,它的成果散见于科学期刊上的论文、书信,以及用拉丁语、法语和英语写成的书里,记号也各不相同。唯一有名的教科书,洛必达侯爵 1696 年的《无穷小分析》,只讲微分学。没有一本书能带着学生一步一步地从代数走到微分方程。 阿涅西的《分析讲义》就是这样一本书。 两卷四册 全书约一千页,分为四册: 有限量的分析(第一卷,1748):代数、方程的解法、解析几何、圆锥曲线和其他曲线,以及“方程的作图”,即借助几何图形解方程。箕舌线就出现在这里。 微分学(第二卷,1749):导数、切线、极大值、极小值与拐点。 积分学:积分、面积、体积、曲线的长度和级数。参见曲线下的面积。 切线的反方法:也就是今天所说的微分方程。 阿涅西并不打算介绍自己的发现。这本书的价值在于它的编排:每个主题都放在它所依赖的内容之后,每种方法都配有许多解出的例题,全部微积分都用莱布尼茨的记号书写,即 $dx$ 和 $\int$,后来证明这是最实用的记号。 玛丽亚·加埃塔纳·阿涅西像,埃内斯塔·莱尼亚尼·比西根据玛丽亚·隆吉的素描所作的雕版画,1812 年。Ernesta Legnani Bisi,据 Maria Longhi · Wikimedia Commons · 公有领域 用直尺和圆规解方程 书中最古老的部分展示了当时一种如今已经消失的习惯:除了用计算解方程,数学家还喜欢作出解,也就是把它画成一条线段。 最简单的例子是方程 $x^2 = ab$,其中 $a$ 和 $b$ 是给定的线段。把 $a$ 和 $b$ 首尾相接放在一条直线上,以整条线段 $a + b$ 为直径画半圆。在 $a$ 与 $b$ 的连接点处作垂线,交半圆于一点。这条垂线的长度 $h$ 就是方程的解:$h^2 = ab$。 为什么?由直径两端和半圆上那一点构成的三角形是直角三角形(它内接于半圆),而直角三角形斜边上的高把斜边分成两段,这两段的乘积等于高的平方。阿涅西还处理了复杂得多的情形,比如用两条圆锥曲线的交点作出三次和四次方程的解。 非凡的反响 1749 年,巴黎科学院的一个委员会审阅了这本书,认为它是这个主题上写得最完整、编排最好的著作。第二卷于 1775 年译成法语,并附有夏尔·博叙的补充。剑桥教授约翰·科尔森的英译本于 1801 年出版。 为什么用意大利语? 当时,严肃的数学书都用拉丁语或法语写作。阿涅西用意大利语写,是因为这本书正如书名所说,是 ad uso della gioventù italiana,供意大利青年使用的。她本人从小就精通拉丁语。这一选择使这本书成为意大利科学语言史上的里程碑,但在译本出现之前,也限制了它在意大利以外的流传。 练习:几何平均证明在上面的作图中,$h^2 = ab$。 设半圆上的点为 $C$,垂足为 $D$。圆心在直径的中点,半径为 $r = \frac{a + b}{2}$。$D$ 到圆心的距离是 $\left|\frac{a+b}{2} - a\right| = \frac{|b - a|}{2}$。在由圆心、$D$ 和 $C$ 构成的三角形中用勾股定理: $$h^2 = r^2 - \left(\frac{b-a}{2}\right)^2 = \frac{(a+b)^2 - (b-a)^2}{4} = \frac{4ab}{4} = ab.$$ 线段 $h = \sqrt{ab}$ 是 $a$ 和 $b$ 的几何平均。

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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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统计学里的女巫:柯西分布

阿涅西 1799 年去世时,想不到她的曲线会在远离几何的地方获得第二次生命。19 世纪,它在概率论中重新出现,成为统计学里最具迷惑性的例子之一。 概率密度 我们在曲线下的面积中看到,$y = \frac{1}{1 + x^2}$ 下的总面积是 $\pi$。除以 $\pi$,面积就变成 1,曲线就成了一个概率密度: $$f(x) = \frac{1}{\pi(1 + x^2)}.$$这就是柯西分布。一次抽样落在 $c$ 和 $d$ 之间的概率,等于这个区间上曲线下的面积 $\frac{1}{\pi}(\arctan d - \arctan c)$。画出来,它和正态曲线很像:一个以零为中心的对称钟形。区别在尾部。正态分布按 $e^{-x^2/2}$ 下降,降得太快,极大的值几乎不会出现;阿涅西曲线只按 $\frac{1}{x^2}$ 下降。 不存在的均值 这个区别带来了一个惊人的后果。分布的均值是 $x\,f(x)$ 的积分。对柯西分布,正半部分的积分是 $$\int_0^{X} \frac{x}{\pi(1 + x^2)}\,dx = \frac{1}{2\pi}\ln(1 + X^2),$$当 $X$ 增大时它无限增大。负半部分向另一个方向做同样的事,计算变成了“无穷减无穷”:这个分布没有均值,也没有方差。 实际上,这意味着多次抽样的平均值不会稳定下来。大数定律和中心极限定理要求均值和方差有限,在这里根本不适用。更糟的是,可以证明 $n$ 次柯西抽样的平均值与单次抽样的分布完全相同。收集再多数据也毫无帮助。 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。 另一方面,中位数却很好用:一半面积在零的左边,一半在右边,多次抽样的中位数趋近于零。所以统计学家把阿涅西曲线当作一个警示:在计算平均值之前,最好先弄清楚数据的尾部是轻还是重。 泊松、柯西与物理学 最早注意到这个问题的是西梅翁-德尼·泊松,他在 1824 年把这个分布当作拉普拉斯误差理论的反例。名字来自奥古斯丁-路易·柯西,他在 1853 年与伊雷内-儒勒·比安内梅关于最小二乘法的争论中讨论过它。 在物理学中,同一条曲线以另一个名字出现:洛伦兹线型,以亨德里克·洛伦兹命名。它描述原子和分子光谱中谱线的形状、振子在共振附近的响应,在粒子物理中还描述揭示不稳定粒子的峰的形状(布莱特-维格纳公式)。凡是一边振荡一边慢慢损失能量的东西,往往都会出现阿涅西的女巫。 海滩上的灯塔 一个经典的例子说明了柯西分布可能从哪里来。一座灯塔距一条笔直的海滩 1 千米,它旋转着,朝随机方向发出一道光脉冲,所有角度的可能性相同。打到海滩上的脉冲,其落点恰好服从柯西分布。当角度接近 90° 时,脉冲会打到海滩上很远的地方,正是这些罕见的远点使均值无法存在。 练习:四分位数一次柯西抽样落在 $-1$ 和 $1$ 之间的概率是多少? $\frac{1}{\pi}(\arctan 1 - \arctan(-1)) = \frac{1}{\pi}\cdot\frac{\pi}{2} = \frac{1}{2}$。一半的抽样落在 $-1$ 和 $1$ 之间:这就是该分布的四分位数。对标准正态分布,一半落在 $-0.674$ 和 $0.674$ 之间;柯西分布在中间更“分散”,在尾部则分散得多得多。

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大学里的女性:1727 年的演讲与博洛尼亚的教席

Oratio qua ostenditur artium liberalium studia a femineo sexu neutiquam abhorrere. — 阿涅西演讲的标题,1727 年 这句拉丁文的意思是:“论学习自由七艺对女性而言绝非不相宜”。1727 年,阿涅西在父亲的客人面前背诵这篇演讲时只有九岁。讲稿由她的一位老师用意大利语写成,她把它译成拉丁语并背了下来。 自由七艺 “自由七艺”是中世纪以来构成高等教育基础的学科:一边是文法、修辞和逻辑,另一边是算术、几何、天文和音乐。这些是大学里的学科,而大学是男人的地方。1727 年的这篇演讲主张,女性的天性中没有任何东西妨碍她们学习这些学科,并列举了古代和近代的博学女性。 少数例外 在 18 世纪的意大利,有几位女性成功地冲破了封锁。1678 年,埃莱娜·科尔纳罗·皮斯科皮亚在帕多瓦获得哲学博士学位,这是第一个授予女性的博士学位。1732 年,博洛尼亚大学授予二十岁的劳拉·巴斯博士学位,随后又给了她一个自然哲学教席;她后来成为在意大利传播牛顿物理学的重要人物之一。 在意大利以外,法国的埃米莉·杜·夏特莱在 1740 年出版了《物理学讲义》(Institutions de physique)。这个书名和阿涅西的 Instituzioni 很像,这并非偶然:两本书都想成为教科书。她在生命的最后几年把牛顿的《原理》译成法语,这个译本至今仍在使用。 1750 年博洛尼亚大学记录玛丽亚·加埃塔纳·阿涅西获得任命的文书,任命出自教皇本笃十四世的提议。博洛尼亚大学 · Wikimedia Commons · 公有领域 教皇与教席 博洛尼亚有一个强大的盟友。这座城市的大主教普罗斯佩罗·兰贝尔蒂尼于 1740 年当选教皇,称本笃十四世,此后继续保护这所大学及其科学研究院。正是他支持了劳拉·巴斯,并在 1750 年读过《分析讲义》之后,任命阿涅西为数学教授。 阿涅西表示感谢,接受了这个头衔,但从未离开米兰去授课。这一任命作为一种荣誉,在大学的记录中保留了大约 45 年。在许多历史学家看来,这段插曲同时显示了认可及其局限:一位女性可以获得教席的荣誉,但没有人真的指望她站在坐满年轻男子的教室里。 不能接纳她的科学院 同一时期,巴黎和伦敦的科学院都不接纳女性为成员。与科学研究院相连的博洛尼亚科学院则已接纳了劳拉·巴斯,也接纳了阿涅西:她在《分析讲义》扉页上的署名就是该院院士。第一位当选巴黎科学院院士的女性是伊冯娜·肖凯-布吕阿,时间是 1979 年,已经是两百多年以后了。 练习:罗马数字的年份《分析讲义》的扉页上印着 MDCCXLVIII。这是哪一年?阿涅西去世的 1799 年又该怎样写? M = 1000,D = 500,CC = 200,XL = 40(50 前面放 10),VIII = 8。合计:$1000 + 500 + 200 + 40 + 8 = 1748$。1799 年:M(1000)+ DCC(700)+ XC(90)+ IX(9)= MDCCXCIX。

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阿涅西的遗产

很长时间里,人们以两种和她所做的事几乎无关的方式记住阿涅西。对说英语的数学家来说,她是一条绰号为“女巫”的曲线的名字。对米兰人来说,她是一位慈善圣女,年轻时写过一本难懂的书。这两种形象都遮住了 18 世纪最有影响的数学著作之一的作者。 那本书 几十年间,《分析讲义》是欧洲能找到的最完整的微积分教程。在意大利,一代又一代的学生用过它。1775 年第二卷的法译本和 1801 年约翰·科尔森的英译本,把这本书带给了更多读者。阿涅西选择的次序,从代数到曲线,从导数到积分再到微分方程,基本上就是今天微积分课程的次序。 那条曲线 阿涅西曲线不断出现在最意想不到的地方: 统计学中,它是柯西分布,没有均值的分布的经典例子; 物理学中,它是洛伦兹曲线,即谱线和共振的形状; 数值分析中,它是龙格函数 $\frac{1}{1 + 25x^2}$。1901 年,卡尔·龙格证明,用经过等距点的多项式逼近这个函数时,用的点越多,端点附近的误差反而越大。这就是“龙格现象”,每门数值方法课程都把它作为警示来讲; 地理学和气象学中,它是山丘剖面的简单模型,用于研究吹过山地的风。 米兰布雷拉宫庭院拱廊下的玛丽亚·加埃塔纳·阿涅西半身像。Giovanni Dall’Orto · Wikimedia Commons · 署名 那些名字 小行星 16765 Agnesi 和金星上的一座陨石坑都以她命名。在米兰,有以她命名的街道和学校,布雷拉宫庭院里有她的半身像,纪念公墓的名人祠里有她的侧面像,她去世的地方还有一块纪念牌。 米兰纪念玛丽亚·加埃塔纳·阿涅西的牌匾,位于她 1799 年去世的地方。Bramfab · Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0 上帝的数学家 近几十年来,马西莫·马佐蒂、保拉·芬德伦等历史学家重建了阿涅西的世界,即 18 世纪信奉天主教又受启蒙思想影响的米兰,并说明数学和慈善并不是两种分开的生活。对阿涅西来说,学习几何是锻炼通向上帝的理性的一种方式,而为穷人服务是同一信仰的结果。马佐蒂那本书的副标题概括了这种解读:阿涅西,上帝的数学家。 对今天学习微积分的人来说,留下的是这样一个榜样:一个人在三十岁时写出了自己当初学习时希望拥有的那本书,而且写得如此之好,全欧洲的数学家都用它来教学。 练习:龙格函数龙格函数是 $y = \frac{1}{1 + 25x^2}$。证明它是一条阿涅西曲线,求出生成圆的直径 $a$,并计算它下面的总面积。 把它写成 $\frac{1}{1 + 25x^2} = \frac{1/25}{x^2 + 1/25}$。直径为 $a$ 的阿涅西曲线是 $\frac{a^3}{x^2 + a^2}$;取 $a^2 = \frac{1}{25}$,即 $a = \frac{1}{5}$,它变成 $\frac{1/125}{x^2 + 1/25}$,正好是龙格函数的 $\frac{1}{5}$。所以龙格函数是在竖直方向拉伸了 5 倍的箕舌线。面积为 $5 \cdot \pi a^2 = 5 \cdot \frac{\pi}{25} = \frac{\pi}{5}$。也可以用代换 $u = 5x$:$\int \frac{dx}{1 + 25x^2} = \frac{1}{5}\int \frac{du}{1 + u^2} = \frac{\pi}{5}$。

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图片来源

历史图片与照片 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,缩小到 800 像素宽,未作其他编辑。 玛丽亚·加埃塔纳·阿涅西像,埃内斯塔·莱尼亚尼·比西据玛丽亚·隆吉的素描所作雕版画(1812):原始页面 · 公有领域。 书桌旁的阿涅西,让·弗朗索瓦·博齐奥素描,大都会艺术博物馆藏:原始页面 · CC0。 《分析讲义》第一卷扉页(米兰,1748):原始页面 · 公有领域。 箕舌线作图的图版,出自《分析讲义》第一卷(1748):原始页面 · 公有领域。 博洛尼亚大学任命文书(1750):原始页面 · 公有领域。 安东尼奥·弗朗切斯科·弗里西《历史颂词》中的肖像(1799):原始页面 · 公有领域。 特里武尔齐奥救济院,米兰,Joaquin008 摄:原始页面 · CC BY-SA 4.0。 布雷拉宫的阿涅西半身像,米兰,Giovanni Dall’Orto 摄:原始页面 · 署名后可自由使用。 阿涅西去世地点的纪念牌,米兰,Bramfab 摄:原始页面 · CC BY-SA 4.0。 本站绘图 封面和四幅交互图(箕舌线的作图、切线与拐点、曲线下的面积、柯西抽样的平均值)都是本站原创插图,文字有网站每种语言的版本。 记录 文件 data/agnesi_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。 阿涅西的全部主题 · ← 阿涅西的遗产