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歴史的な画像と写真 すべてウィキメディア・コモンズから取りました。コモンズが提供するサムネイルを、編集せずに使っています。 アーベルの肖像、ヨハン・ゲルビッツの素描、パリ、1826 年:元のページ · パブリックドメイン。 『クレレ誌』第 1 巻、ベルリン、1826 年:元のページ · パブリックドメイン。 フローランのアーベルの墓、Karl Ragnar Gjertsen 撮影:元のページ · CC BY 4.0。 オスロのアーベル記念碑、グスタヴ・ヴィーゲランの彫刻、Wolfmann 撮影:元のページ · CC BY-SA 4.0。 ブログの図 レムニスケートを八つの等しい弧に分けた図はオリジナルの図です。点は、記事で導いた公式 $r=\sqrt{\sqrt2-1}$ で計算しました。図には文字がなく、サイトのすべての言語で使えます。 記録 ファイル data/abel_imagens.json に、ダウンロードした各画像の出所、ライセンス、確認日、SHA-256 ハッシュを記録しています。各テーマの歴史的な出典は、それぞれの記事の最後にあります。 追加した歴史図版 これらの図版はウィキメディア・コモンズによる。それぞれの出典、ライセンス、SHA-256 ハッシュ値は data/abel_imagens.json に記録してある。 イェシュタの教会と牧師館(1890 年ごろ): Peder Bentsen Melaas · Wikimedia Commons · パブリックドメイン 1929 年のノルウェーの切手: ノルウェー郵便 · Wikimedia Commons · パブリックドメイン ニールス・ヘンリック・アーベルの全トピック · ← ニールス・ヘンリック・アーベルの遺産

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ラグランジュの未定乗数:制約つきの最適化

現実の決定のほとんどは、制約つきの最大・最小問題です。工場は最大の利益をあげたいが、原料の量にはかぎりがある。缶は 350 ml を入れながら、アルミニウムをできるだけ使いたくない。振り子は、おもりが糸につながっているかぎり、好きなように動く。ラグランジュは、こうした問題すべてに通用する一つの方法を見つけました。それは 1788 年の『解析力学』に、力学系の束縛をあつかうために登場し、1797 年の『解析関数論』に、計算の一般的な規則として登場します。 囲い ギリシア人もすでに解けた問題から始めましょう。20 メートルの柵で、いちばん面積の大きい長方形はどれでしょうか。辺を $x$、$y$ とすると、 $$f(x,y)=xy\qquad\text{を制約}\qquad g(x,y)=x+y=10$$のもとで最大にしたいのです。ここでは $y=10-x$ と解いて $x(10-x)$ を最大にするのはかんたんです。けれども多くの問題では、制約は複雑な方程式で、何も解き出せません。ラグランジュは、そうする必要がまったくない方法をほしがっていました。 新しい文字 ラグランジュのレシピは、今日 $\lambda$ と呼ばれる新しい未知数、乗数を加え、$f$ の導関数が $g$ の導関数に比例することを要求するものです。 $$\begin{aligned}\frac{\partial f}{\partial x}&=\lambda\,\frac{\partial g}{\partial x},\\ \frac{\partial f}{\partial y}&=\lambda\,\frac{\partial g}{\partial y},\\ g(x,y)&=10.\end{aligned}$$囲いの場合、$\frac{\partial f}{\partial x}=y$、$\frac{\partial f}{\partial y}=x$ で、$g$ の導関数はどちらも $1$ です。方程式は $$y=\lambda,\qquad x=\lambda,\qquad x+y=10$$となり、$x=y=5$。最良の長方形は 5 × 5 の正方形で、面積は 25 m² です。何も解き出す必要はありませんでした。制約は方程式が一つ増える形で、$\lambda$ は未知数が一つ増える形で入ってきたのです。 なぜうまくいくのか 下の図は、面積 $xy$ が一定の値 9、16、25、36 になる曲線と、制約の直線 $x+y=10$ を示しています。直線にそって進むと、面積がだんだん大きい曲線を通り、面積 25 の曲線までいきます。そこを過ぎると、面積はまた小さくなります。面積 36 の曲線は直線にふれることさえありません。 最適な点では、制約の直線と面積 25 の曲線が交わらずにふれ合う。つまり接している。Euler’s Eyes 作図 最適な点では、直線と最大面積の曲線は接しています。もし交わっていたら、直線にそってもう少し進み、もっと面積の大きい曲線に入れるはずです。接している曲線は同じ向きをもつので、そこでは $f$ と $g$ の導関数が比例します。乗数 $\lambda$ はその比例の係数なのです。

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ラグランジュの遺産

ラグランジュは数学の諸科学にそびえる高いピラミッドである。 — ナポレオン・ボナパルト、同時代人の伝えるところによる ラグランジュは、パスカルのような早熟の天才の逸話も、オイラーほどの量の著作も残しませんでした。彼が残したのは別のもの、数学をするやり方です。ほかの人が図を描くところで、彼は計算しました。ほかの人が問題ごとに技法を見つけるところで、彼はすべての技法を説明する規則を探しました。彼のしたことのほとんどは、今も彼の名とともに教科書にのっています。オイラー=ラグランジュ方程式、ラグランジアン、ラグランジュ点、ラグランジュの定理、ラグランジュの剰余項、ラグランジュの乗数。 ニュートンについて ラグランジュはだれよりもニュートンを尊敬していましたが、そこには隠そうとしない少しのうらやましさもまじっていました。伝記作者ドランブルは、彼がよく口にしていたことばを書きとめています。 ニュートンはかつて存在したもっとも偉大な天才であり、またもっとも幸運な人でもあった。世界の体系を打ち立てられるのは、ただ一度きりなのだから。 — ジョゼフ=ルイ・ラグランジュ、ドランブルによる(1814) メートルと 10 進法 1790 年からメートル法をつくった委員会で、ラグランジュはあらゆる単位の10 進の分割を支持し、約数の多い 12 進法を好む人びとに反対しました。12 の約数の多さはそれほど大事ではないことを示そうとして、なかば冗談に、素数である 11 を底にすることまで提案したといわれています。すべて 10 ずつに分けられるメートル、リットル、グラムには、彼の仕事も少しふくまれているのです。 点を通る多項式 1795 年、パリの高等師範学校の講義で、ラグランジュは与えられた点を通る多項式を求める公式を示しました。三点 $(x_0,y_0)$、$(x_1,y_1)$、$(x_2,y_2)$ に対しては、 $$\begin{aligned}P(x)={}&y_0\,\frac{(x-x_1)(x-x_2)}{(x_0-x_1)(x_0-x_2)}\\&+y_1\,\frac{(x-x_0)(x-x_2)}{(x_1-x_0)(x_1-x_2)}\\&+y_2\,\frac{(x-x_0)(x-x_1)}{(x_2-x_0)(x_2-x_1)}.\end{aligned}$$考えはかんたんです。それぞれの分数は自分の点では $1$、ほかの二点では $0$ になるので、$P(x_0)=y_0$、$P(x_1)=y_1$、$P(x_2)=y_2$ となります。イギリスのエドワード・ウェアリングが 1779 年にすでに同じ公式を発表しており、オイラーも知っていましたが、名前はラグランジュ補間として残りました。今日では電卓やコンピュータの数値計算法のなかに、さらには秘密を何人かに分けて預ける暗号の方法のなかにもあります。 残ったもの 物理学。 『解析力学』は力学を解析学の一分野にしました。相対性理論、量子力学、標準模型は、今もラグランジアン $L=T-V$ の形で書かれています。 変分法。 オイラーとともに、ラグランジュは最良の曲線を選ぶ数学をつくりました。光学からロケットの制御まで使われています。 天文学。 ラグランジュ点には宇宙望遠鏡がおかれ、何千ものトロヤ群小惑星がすみついています。 数論。 四平方定理は、ウェアリングの問題と、ルジャンドルやガウスが引きついだ二次形式の研究への道を開きました。 代数学。 根の置換についての考察は、ルフィニ、アーベル、ガロアの仕事と群論を準備しました。 解析学。 記号 $f'(x)$、導関数ということば、平均値の定理、ラグランジュの剰余項は、どの微積分の授業にも出てきます。 ラグランジュが生まれた町トリノにある彼の像。Twice25 · Wikimedia Commons · CC BY-SA 3.0 あちこちに残る名前 ラグランジュはパリのパンテオンに葬られており、その名はエッフェル塔に刻まれた 72 人の名の一つです。トリノには彼の名のついた広場と通りと像があり、イタリアとフランスは、彼がイタリアの数学者なのかフランスの数学者なのか、今も言い合っています。月にはラグランジュというクレーターがあります。彼が 28 歳のときにその秤動を説明した、あの月です。そして 1006 Lagrangea という小惑星もあります。 イタリア人か、フランス人か? ラグランジュはフランス系の家に生まれたトリノの人で、最初の論文はラテン語とイタリア語で、その後のほとんどはフランス語で書きました。イタリアで 30 年、プロイセンで 20 年、フランスで 26 年を過ごしています。イタリア人は彼をジュゼッペ・ルイージ・ラグランジャと呼び、フランス人はジョゼフ=ルイ・ラグランジュと呼びます。

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ラグランジュの画像クレジット

歴史的な画像 すべてウィキメディア・コモンズから取得しました。コモンズが提供する縮小画像を、編集せずに使っています。 ジョゼフ=ルイ・ラグランジュの肖像、作者不詳の版画:出典ページ · パブリックドメイン。 ラグランジュの横顔のメダイヨン、ピエール=ジャン・ダヴィッド・ダンジェ作のブロンズ、アンジェ美術館蔵:出典ページ · CC0。 『解析力学』(Méchanique analitique)の扉、パリ、1788 年:出典ページ · パブリックドメイン。 トリノのラグランジュ像、Twice25 撮影、2009 年:出典ページ · CC BY-SA 3.0。 ブログの図 表紙、五つのラグランジュ点の図、そして面積の等しい曲線と制約の直線のグラフは、このサイトのそれぞれの言語版を用意したオリジナルの図です。ラグランジュ点の図は縮尺どおりではありません。実際には、L1 と L2 は、太陽と地球の距離の百分の一しか地球から離れていません。 記録 ファイル data/lagrange_imagens.json に、ダウンロードした各画像の出典、ライセンス、確認日、SHA-256 ハッシュを記録しています。各テーマの歴史的な出典は、それぞれの記事の最後にあります。 ラグランジュの全トピック · ← ラグランジュの遺産