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根を入れかえる:ラグランジュの定理

1770 年、代数学には二世紀以上も止まったままの問題がありました。2 次方程式には解の公式があり、3 次と 4 次の方程式の解き方も 1545 年にカルダーノが出版していました。ところが 5 次については、だれも何も見つけられませんでした。最高の数学者たちが挑み、4 次までうまくいったどの方法も 5 次でつかえてしまったのです。 ラグランジュは、もう一つ新しい方法を試すことはしませんでした。別の問いを立てたのです。古い方法はなぜうまくいくのか。 この論文で私は、これまでに見いだされた方程式の代数的解法のさまざまな方法を調べ、それらを一般的な原理に帰着させ、それらの方法がなぜ 3 次と 4 次ではうまくいき、それ以上の次数では失敗するのかを、先験的に示すことを目指す。 — ジョゼフ=ルイ・ラグランジュ『方程式の代数的解法についての考察』(1771) この論文は 200 ページを超え、1770 年と 1771 年にベルリン・アカデミーから出版されました。 根を入れかえる 中心にある考えは、方程式の根でつくった式を見て、根どうしが場所を入れかえたときにその式がどうなるかを調べることです。 2 次から始めましょう。方程式 $x^2+bx+c=0$ の根を $x_1$、$x_2$ とすると、ヴィエト以来 $$x_1+x_2=-b,\qquad x_1x_2=c$$であることが知られています。この二つの式は、$x_1$ と $x_2$ を入れかえても変わりません。だから係数で書けるのです。一方、差 $x_1-x_2$ は変わります。$x_2-x_1$、つまり符号が逆になります。この式は二つの値をとります。けれどもその 2 乗は、ふたたび一つの値しかとらないので、係数で書けます。 $$(x_1-x_2)^2=(x_1+x_2)^2-4x_1x_2=b^2-4c.$$あとは平方根をとるだけです。$x_1-x_2=\pm\sqrt{b^2-4c}$。和と差がわかれば根はすぐに出てきて、結果は 2 次方程式の解の公式になります。公式の $\pm$ は、まさに $x_1-x_2$ がとりうる二つの値の符号なのです。 4 次の秘密 ラグランジュは同じ分析を 3 次と 4 次でもおこないました。4 次では、根を $x_1, x_2, x_3, x_4$ とすると、フェラーリの技法は式 $$t=x_1x_2+x_3x_4$$を見ることにあたります。四つの根の並べかえ方は $4!=24$ 通りありますが、$t$ がとる値は三つだけです。 $$\begin{gathered}x_1x_2+x_3x_4,\\ x_1x_3+x_2x_4,\\ x_1x_4+x_2x_3.\end{gathered}$$この三つの値は、もとの方程式の係数から計算できる係数をもつ3 次方程式の根です。3 次はすでに解けるので、$t$ が求まり、そこから根が求まります。4 次方程式が解けるのは、とる値が四つより少ない根の式が存在するからなのです。

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仮想仕事の原理

どのような力のどのようなつりあいにおいても、力がどのように加えられていようと、正のエネルギーの和は負のエネルギーの和に等しい。 — ヨハン・ベルヌーイ、ピエール・ヴァリニョン宛の手紙(1717 年 1 月 26 日) アルキメデス以来、単純機械にはそれぞれ別の説明がありました。てこは腕の長さの法則にしたがい、斜面はステヴィンが考えた力の分解にしたがい、滑車は綱についての議論に、ねじはまた別の議論にしたがう、というぐあいです。1717 年、ヨハン・ベルヌーイはフランスの友人ピエール・ヴァリニョンへの手紙で、これらの法則がすべて ひとつの原理 の特別な場合であることを示しました。 考え方:ほんの少しだけ動かす つりあって止まっている機械を思いうかべてください。それを、頭のなかだけで、ごくわずかな距離だけ動かします。ただし拘束は守ります。てこは支点のまわりに回り、綱はのびず、ブロックは斜面から離れません。この想像上の変位は、実際には起こらないので 仮想 変位と呼ばれます。 力 $F_i$ がはたらく各点は、力の向きにほんの少し $\delta s_i$ 動きます。積 $F_i\,\delta s_i$ がその力の 仮想仕事 です。ヨハンはこれを エネルギー と呼びました。この言葉が今日に近い意味で現れたのは、これが最初です。原理はこう述べます。 $$\boxed{\ \text{つりあいでは、}\quad\sum_i F_i\,\delta s_i=0\ \text{ がすべての仮想変位について成り立つ。}\ }$$運動を助ける力の仕事は、運動に逆らう力の仕事に等しい。止まっている機械は、無から仕事をつくりだすことはできません。 アルキメデスのてこ てこの支点から距離 $a$ と $b$ のところに、重さ $P_1$ と $P_2$ があります。てこをごく小さな角 $\delta\theta$ だけ回します。$P_1$ の側は $a\,\delta\theta$ 下がり、$P_2$ の側は $b\,\delta\theta$ 上がります。下がる重さは正の仕事を、上がる重さは負の仕事をします。 $$P_1\,a\,\delta\theta-P_2\,b\,\delta\theta=0\quad\Longrightarrow\quad P_1\,a=P_2\,b.$$相似な三角形の図をひとつも使わずに、アルキメデスの法則が出てきます。$\delta\theta$ はただ消えるだけです。 滑車 滑車の組み合わせで、重さ $W$ が $n$ 本の綱で支えられ、人が自由端を力 $F$ で引くとします。重さが $\delta h$ 上がると、$n$ 本の綱はそれぞれ $\delta h$ 短くなり、その分の綱がすべて自由端から出てくるので、自由端は $n\,\delta h$ 動きます。したがって

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無限小のない導関数と平均値の定理

18 世紀の終わり、微積分はとてもよく役に立っていましたが、なぜうまくいくのかをきちんと説明できる人はいませんでした。ライプニッツの $dx$ は「無限に小さい」量でした。それでわり算をするためにゼロでないものとしてあつかったかと思うと、すぐあとで、無視するためにゼロであるかのようにあつかうのです。1734 年、バークリー主教はこれをあざけって、「死んだ量の亡霊」と呼びました。 ラグランジュはこのことが気になっていました。1797 年、彼は副題そのものが一つの綱領になっている本を出版します。 微分計算の原理をふくみ、無限小、消えゆく量、極限、流率についてのあらゆる考察から解放され、有限な量の代数的解析に帰着させたもの。 — ジョゼフ=ルイ・ラグランジュ『解析関数論』(1797) 導かれた関数 ラグランジュの考えは、まともな関数ならどれもべき級数に展開できる、というものでした。変数 $x$ に増分 $i$ を与えると、 $$f(x+i)=f(x)+p\,i+q\,i^2+r\,i^3+\cdots$$となり、$p, q, r, \ldots$ は $x$ の新しい関数です。ラグランジュはこのうち最初のもの、$i$ の係数を、$f$ の導かれた関数と定義し、ダッシュをつけて $f'(x)$ と書きました。$f'$ の導関数は $f''$、以下同様です。 $f(x)=x^3$ でどうなるか見てみましょう。3 乗を展開すると、 $$(x+i)^3=x^3+3x^2\,i+3x\,i^2+i^3.$$$i$ の係数は $3x^2$ なので、$f'(x)=3x^2$ です。あとで消えてしまうものでわる必要も、何かを無視する必要もありませんでした。係数を読みとるだけでよかったのです。これこそラグランジュが望んだことでした。 この対話型の図を使うには JavaScript を有効にしてください。議論の全体は本文にあります。 残ったダッシュ 今日、学校では導関数に二つの記号を使います。ライプニッツの $\frac{dy}{dx}$ と、ラグランジュの $f'(x)$ です。導関数(derivative)ということばもこの本から来ています。fonction dérivée、もとの関数から導かれた関数です。文字の上に点をつけて $\dot y$ と書いたニュートンの記号は、今日ではおもに物理で、変数が時間のときに使われています。 計画がつまずいたところ この計画には欠陥があり、1823 年にコーシーがそれを指摘しました。すべての関数がそのべき級数に等しいわけではないのです。関数 $$f(x)=e^{-1/x^2}\ \ (x\neq0),\qquad f(0)=0$$はゼロの近くでとても平らなので、そこでの導関数はすべてゼロになります。ゼロのまわりでのべき級数は $0+0\,i+0\,i^2+\cdots=0$ ですが、関数はゼロではありません。ラグランジュのように級数から出発するだけでは足りないのです。コーシーは極限の考えで微積分を立て直し、今日教えられているのは彼の版です。 それでもラグランジュは、その途中で、計画が難破したあとも生き残った二つの道具を見つけていました。 平均値の定理 一つめは平均値の定理で、彼は自分の級数をおさえるためにそれを必要としていました。今日の形ではこうです。$f$ が $a$ から $b$ までの区間で微分可能なら、そのあいだに少なくとも一つの点 $c$ があって、

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ヨハン・ベルヌーイの遺産

ヨハン・ベルヌーイは、兄の『推測術』やニュートンの『プリンキピア』のような大著を書きませんでした。いちばん有名な本は他人の名で出ました。彼が残したのは仕事のしかたです。物理や幾何のあらゆる問題を方程式に変え、ライプニッツの微積分で解くこと。そして弟子たちを残しました。 ライプニッツの闘士 微積分を発明したのはニュートンかライプニッツかという争いで、ヨハンはライプニッツ側の最も戦闘的な兵士でした。1713 年のはじめ、ニュートンが会長をつとめる王立協会がニュートンに優先権を認める報告を出すと、ライプニッツは匿名のビラ『飛び紙』(Charta volans)で応じ、そこに「ある卓越した数学者」の判断を引用しました。それがヨハンでした。その後何年も、ヨハンはニュートンの方法では解けないと考えたむずかしい問題で、イギリスの数学者たちに挑みつづけました。ライプニッツは 1716 年に亡くなり、ヨハンはその後も長くひとりで戦いました。この争いのために、イギリスの数学はほぼ一世紀のあいだ大陸の数学から切り離されることになります。 関数という言葉 数学的な意味での 関数 という言葉は、1690 年代のライプニッツとヨハンの手紙のやりとりのなかで生まれました。1718 年、ヨハンは最初の定義を発表します。 私は、変量の関数とは、その変量と定数とからなんらかのしかたで組み立てられた量のことだと呼ぶ。 — ヨハン・ベルヌーイ『パリ科学アカデミー紀要』(1718) 彼は $x$ の関数をギリシャ文字 $\varphi$ で書き、ときにはかっこなしで $\varphi x$ と書きました。$f(x)$ と書きはじめたのは、1734 年、弟子のオイラーです。このサイトの旧関数講座に記号の年表があります。 年 人物 記号 1694 ヨハン・ベルヌーイ $x$ によって決まる量を、たとえば $n$ のような一文字で表す 1698 ヨハン・ベルヌーイ $x$ の関数を $X$ または $\xi$ で表す 1718 ヨハン・ベルヌーイ $\varphi x$ 1734 レオンハルト・オイラー $f\left(\frac xa+c\right)$ 一派 ヨハンは、同じ世紀のほかのどの先生よりも多くの重要な数学者を育てました。たとえば、 ロピタル侯爵。彼の講義を最初の微積分の本にした。 息子のニコラウス二世、ダニエル、ヨハン二世。 ダニエルは流体力学を創始し、ベルヌーイの名を冠した定理を残した。ヨハン二世は父の講座を継いだ。 レオンハルト・オイラー。その世紀最大の数学者で、土曜日ごとに指導を受けた。 最小作用の原理を唱えた ピエール=ルイ・モロー・ド・モーペルテュイ と、地球の形を研究した アレクシ・クレロー。 オイラーを通じて、この系譜はベルリンでオイラーの後を継いだラグランジュへ、そしてそこから十九世紀と二十世紀の数学の大部分へと続いていきます。 残ったもの 微積分。 ロピタルの定理、対数微分法、指数計算、関数の定義。 曲線。 懸垂線と最速降下線、そして運動と光のあいだのたとえ。 変分法。 最速降下線の挑戦と、等周問題をめぐるヤコブとの争いが、オイラーとラグランジュへの道を開いた。 力学。 仮想仕事の原理。静力学と『解析力学』の土台。 教育。 オイラーを筆頭とする一世代の数学者たち。 全集 1742 年、75 歳のヨハンはローザンヌとジュネーヴで四巻の『全集』(Opera omnia)を出版しました。編集したのは、連立一次方程式のクラメルの公式で知られるガブリエル・クラメルです。そこには『水力学』が、息子の『流体力学』より前に見えるようヨハンが選んだ 1732 年の日付つきで収められています。

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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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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。 ヨハン・ベルヌーイの肖像、アムステルダム国立美術館所蔵の版画:元のページ · CC0。 ギヨーム・ド・ロピタルの肖像:元のページ · パブリックドメイン。 『無限小解析』の扉、パリ、1696 年:元のページ · パブリックドメイン。 ダニエル・ベルヌーイの肖像、Johann Rudolf Huber の原画による Johann Jakob Haid の版画:元のページ · パブリックドメイン。 鎖とアーチ、ジョヴァンニ・ポレーニの図、Memorie istoriche della gran cupola del Tempio Vaticano、1748 年:元のページ · パブリックドメイン。 ブログの図 表紙と、同じ二点を結ぶサイクロイドと直線の図は、このサイトのオリジナルのイラストで、サイトの各言語の版があります。図は縮尺どおりで、二つの軸は同じ単位を使っています。遺産の記事にある関数の記号の表は、このサイトの旧関数講座の表をもとに作りなおしたものです。 記録 ファイル data/johann_bernoulli_imagens.json には、ダウンロードした各画像の出所、ライセンス、確認日、SHA-256 ハッシュが記録されています。各トピックの歴史的な出典は、それぞれの記事の末尾にあります。 ヨハン・ベルヌーイの全トピック · ← ヨハン・ベルヌーイの遺産

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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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スクリュー、鉤爪、鏡

プルタルコスによれば、アルキメデスは工学を一段低い仕事とみなしており、自分の機械について本を一冊も残さなかった。それでも、同時代の人びとのあいだで彼を有名にしたのは機械だった。古代の史料はいくつかの機械を伝えているが、その信頼性には大きな差がある。 アルキメデスのスクリュー 内側に螺旋をもつか、外側に管を螺旋状に巻きつけた傾いた円筒の、下の端を水に浸す。円筒を回すと、水のひとかたまりずつが螺旋のひだに閉じこめられ、一回転ごとに上がっていき、上の端から出てくる。前一世紀の歴史家シチリアのディオドロスは、この発明をアルキメデスのエジプト滞在中のものとしている。エジプトではこの機械がナイル川沿いの畑の灌漑や、鉱山の排水に使われていたという。 もっとも簡単な形のアルキメデスのスクリュー。傾いた円柱に管を螺旋状に巻きつけたもので、1908 年の挿絵。Chambers’s Twentieth Century Dictionary · Wikimedia Commons · パブリックドメイン この装置はもっと古く、アルキメデスは改良したか広めただけだと考える歴史家もいる。いずれにせよ、スクリューはいまも使われている。下水処理場では汚泥を持ち上げるのに使われ、逆向きに回る巨大なものは、落差の小さい川で小さな水力発電所として働いている。 シラクサの防衛 包囲から一世紀もたたないうちに書いたポリュビオスが、もっとも信頼できる史料である。彼によれば、アルキメデスはどんな距離のローマ船にも届くよう、大小さまざまな投石機を用意した。城壁には手のひらの幅ほどの小さな穴をあけ、弓兵が身をさらさずに射られるようにした。そして城壁の上から、大きな石や鉛の塊を船の上に落とす起重機をつくった。 もっとも恐ろしい機械は鉤爪だった。鎖につながれた鉄の鉤をもつ腕で、船首をつかみ、てこのおもりの力で持ち上げてから急に放し、船を転覆させたり沈めたりした。ポリュビオスによれば、マルケルスは苦々しく冗談を言い、アルキメデスは自分の船をひしゃくにして海の水を汲んでいると言ったという。 燃える鏡 アルキメデスが鏡で太陽の光を集めてローマ艦隊に火をつけたという話は、ポリュビオスにもリウィウスにもプルタルコスにも出てこない。ずっと後の著者たちに現れるもので、もっとも詳しい記述は十二世紀のビザンツのヨハネス・ツェツェスによる。現代の実験の結果ははっきりしない。2005 年、MIT の学生たちは、127 枚の平らな鏡を使い、強い日ざしと晴れた空のもとで数分間かけて、30 メートル先にとまっている木の船体に火をつけることに成功した。テレビ番組『怪しい伝説(MythBusters)』は何度も試し、動いている船に対してはこの方法はうまくいかないと結論した。ほとんどの歴史家はこの話を伝説とみなしている。 プラネタリウム キケロによれば、シラクサの戦利品のなかからマルケルスが自分のためにローマへ持ち帰ったのは、ただひとつ、アルキメデスがつくった天球儀だった。太陽、月、惑星の動き、さらには日食や月食まで示すものだったという。アンティキテラ島の近くの難破船から、天体の位置を計算する前二世紀のギリシアの歯車装置が見つかってから、この記述はより信じられるものになった。この装置とアルキメデスの結びつきを示す証拠はないが、こうした機械がギリシアの技術者の手の届くものだったことはわかる。 練習:スクリューの流量アルキメデスのスクリューが毎分 30 回転し、螺旋の一回転ごとに 2 リットルの水を運ぶ。一時間に何立方メートルの水を持ち上げるか。10 m³ の貯水槽を満たすには何回転必要か。 毎分 $30 \times 2 = 60$ リットル、毎時 $60 \times 60 = 3600$ リットル、つまり $3.6$ m³ である。10 m³ = 10 000 リットルには $\frac{10\,000}{2} = 5000$ 回転が必要で、およそ 2 時間 47 分かかる。 練習:てことしての鉤爪鉤爪の腕が船の側で 12 m、おもりの側で 3 m あり、船首が腕の先に 5 トンに相当する力をおよぼすとする。それを持ち上げるにはどれだけのおもりが必要か。 てこの法則により $5 \times 12 = P \times 3$、よって $P = 20$ トンである。大きなおもりだが、城壁の近くで石や鉛の塊を使えば可能である。海の側の腕が長いほど鉤爪は遠くまで届くが、必要なおもりも大きくなる。

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ウィリアム・ローワン・ハミルトンの遺産

ハミルトンの原理は現代物理学の礎石となった。物理学者は、あらゆる物理現象がそれに従うことを期待しているのである。 — エルヴィン・シュレーディンガー(1943) ハミルトンは、四元数こそ自分の大きな仕事であり、未来の物理学のことばになると信じていた。細部では誤り、本質では正しかった。物理学はギブズとヘヴィサイドのベクトルを採用したが、ハミルトン自身はそれほど重要と思っていなかった力学が、その後のほとんどすべての土台になったのである。 物理学で 量子力学。シュレーディンガー方程式では、系のエネルギーは演算子、つまりハミルトニアン $\hat H$ である。原子のエネルギー準位を計算することは、そのハミルトニアンの固有値を求めることだ。 **統計力学とカオス。**各状態が一つの点であるハミルトンの相空間は、統計熱力学とカオス理論の舞台である。相空間の体積が保存されるというリウヴィルの定理は、ハミルトンの方程式から直接出てくる。 **光学。**特性関数は今も光学系の設計に使われ、円錐屈折は二十一世紀に入ってレーザーを使って再び研究されている。 数学と計算で **代数。**交換法則を捨てることで、ハミルトンは抽象代数への扉を開いた。行列、八元数、リー代数、クリフォード代数。問題が求める規則をもつ代数を発明してよい、という考えは、かなりの部分が彼のものである。 **グラフィックスと航法。**四元数は、ビデオゲームのキャラクター、映画のカメラ、ロボットの腕、宇宙望遠鏡、そしてあなたのポケットの携帯電話を回している。 **グラフ。**ハミルトン閉路は計算量理論の中心的な問題の一つである。 ダブリンで 四元数の発見百年を記念して、1943 年 11 月にアイルランドが発行した半ペニー切手。アイルランド郵政 · Wikimedia Commons · パブリックドメイン 1943 年、橋の百周年に、アイルランドはハミルトンの顔をあしらった切手を二種類発行し、かつて数学教師だった政府首班イーモン・デ・ヴァレラが記念行事を推し進めた。当時デ・ヴァレラが創設したダブリン高等研究所にいたシュレーディンガーは、ハミルトンの仕事について講演した。1958 年には、失われた刻字に代わる銘板がブルーム橋に取りつけられた。そして 1990 年以来、毎年 10 月 16 日に、数学者たちはダンシンク天文台から橋までのハミルトン・ウォークを行い、1843 年の道筋をたどっている。マレー・ゲルマンやスティーヴン・ワインバーグのようなノーベル賞物理学者や、数学者アンドリュー・ワイルズも歩いた。 C・グレイの素描にもとづく J・カークウッドのエッチングによるサー・ウィリアム・ローワン・ハミルトン。Wellcome Collection · Wikimedia Commons · CC BY 4.0 彼をどう語るか ハミルトンは燃えつきなかった神童である。21 歳ですでに独自の理論をもち、38 歳で散歩の途中に最大の発見をした。私生活は苦しく、酒を飲みすぎ、乱雑の中で働いた人でもあった。だが彼が残した教訓は一つの自由である。算術の規則は神聖なものではない。問題が新しい代数を求めるなら、矛盾がないかぎり、それを発明してよい。二十世紀の数学がその構造を築いたのは、この自由によってであった。 意味の変わったことば 「ベクトル」と「スカラー」のほかに、ハミルトンはテンソルということばもつくった。四元数の大きさ、それを「引きのばす」数を表すためである。1898 年、ドイツの物理学者ヴォルデマール・フォークトはこのことばを結晶の応力を表す量に転用し、その新しい意味でアインシュタインの一般相対性理論に入っていった。ハミルトンの三つのことばのうち、もとの意味を失ったのは「テンソル」だけである。 練習:四元数か行列か回転は $3 \times 3$ 行列としても、単位四元数としても保存できる。二つの回転を合成するのに、それぞれ何回の数の掛け算が必要か。 二つの $3 \times 3$ 行列の積では、9 個の成分のそれぞれが 3 つの積の和なので、$27$ 回の掛け算になる。二つの四元数の積では、4 つの部分のそれぞれが 4 つの積の和なので、$16$ 回である。しかも四元数は 9 個ではなく 4 個の数を保存すればよく、丸め誤差も、自分の大きさで割るだけで簡単に直せる。

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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