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マージソート:併合して並べる

リストを並べ替えることは、計算機が最もよく行う仕事の一つである。名簿の名前、検索結果の価格、選挙の結果。1945 年、EDVAC がまだ紙の上にしかなかったころ、フォン・ノイマンは、報告書の機械が算術以外の仕事にも役立つことを示そうとして、リストを整列し併合するプログラムを手で書いた。これはプログラム内蔵式計算機のために書かれた最初期のプログラムの一つであり、彼が使った方法、今日マージソートと呼ばれるものは、今も最も広く使われる方法の一つである。 整列した二つのリストを併合する 基本の手順は、すでに順に並んだ二つのリストを併合することだ。それぞれの先頭の要素を見て、小さいほうを取り出し、これを繰り返せばよい。 $$[2, 5, 9] \text{ と } [3, 4, 10] \;\longrightarrow\; [2, 3, 4, 5, 9, 10].$$比較を一回するごとに、数が一つ正しい場所に収まる。合わせて $n$ 個の要素をもつ二つのリストを併合するには、高々 $n - 1$ 回の比較で足りる。 分割統治 任意のリストを並べるために、フォン・ノイマンはそれを要素 1 個ずつのブロックに分け(これらはもう整列している!)、隣どうしを併合して 2 個のブロックに、次に 4 個、8 個と進めた。 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。 $n = 2^k$ 個の要素があれば、$k = \log_2 n$ 回のラウンドがあり、各ラウンドの比較は高々 $n$ 回である。合計は高々 $$n \log_2 n.$$最小の要素を探し、次に二番目に小さいものを探し、と続ける素朴な方法では、$\frac{n(n-1)}{2}$ 回の比較が必要になる。$n = 16$ なら、$120$ 回対高々 $64$ 回である。百万の名前なら、およそ二千万回の比較と五千億回の比較の差になる。数秒対数日だ。 方眼紙の上のプログラム 整列についてのフォン・ノイマンの 1945 年の手稿は、ドナルド・クヌースによって再発見・分析され、『The Art of Computer Programming』で紹介されている。EDVAC はまだ存在しなかったので、フォン・ノイマンはプログラムが何ステップかかるかを手で計算し、この機械は当時の専用機械である IBM のパンチカード分類機よりも速く整列できる、と満足げに結論した。 練習:比較の回数を数える$[2, 5, 9]$ と $[3, 4, 10]$ を併合し、比較の回数を数えよ。 $2$ 対 $3$:$2$ を取り出す。$5$ 対 $3$:$3$ を取り出す。$5$ 対 $4$:$4$ を取り出す。$5$ 対 $10$:$5$ を取り出す。$9$ 対 $10$:$9$ を取り出す。最初のリストが尽きたので、$10$ は比較なしで入る。6 個の要素に対して $5$ 回の比較で、上限 $n - 1 = 5$ の範囲内である。

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エニグマ:1.59×10²⁰ 通りの鍵と一つの欠陥

アメリカの国家安全保障局の国立暗号博物館に展示されている、ローター三つのエニグマ。上がローター、中ほどがランプ、下がキーボード、手前がプラグボード。National Security Agency · Wikimedia Commons · パブリックドメイン エニグマは、木の箱に入ったタイプライターのように見えた。操作員がキーボードで文字を押すと、ランプ盤で別の文字が光る。二人めの操作員が光った文字を書きとめ、その文字列がモールス信号で無線送信された。受け手の側では、同じように設定した同じ機械で操作員が暗号文を打ち込み、ランプでもとの文を読んだ。 キーとランプのあいだで、電流は迷路を通った。プラグボード、中で配線が交差した三つのローター、電流を送り返すリフレクター、ふたたび三つのローター、そしてふたたびプラグボード。しかもキーを押すたびに最初のローターが一つ回り、迷路全体が変わった。 鍵を数える ドイツ軍がエニグマを信頼したのは、設定の可能な数の多さのためだった。1939 年の陸軍型について、パスカルが教えてくれた組合せ論で数えてみよう。 ローター。 5 個入りの箱から 3 個を選び、順序も区別する。 $$5\cdot4\cdot3=60.$$初期位置。 各ローターは 26 文字のどれかから始まる。 $$26^3=17\,576.$$プラグボード。 10 本のケーブルが文字を二つずつつなぎ、入れ替える。26 文字から 10 組をつくる方法は何通りか。26 文字を $26!$ 通りのどれかの順に一列に並べ、最初の 20 文字で二つずつ組をつくる。残りの 6 文字はつながず、その順序は関係ないので $6!$ で割る。10 組の順序も関係ないので $10!$ で割る。各組の中の順序も関係ないので $2^{10}$ で割る。結果は $$\frac{26!}{6!\cdot10!\cdot2^{10}}=150\,738\,274\,937\,250.$$合計。 かけ合わせると $$60\cdot17\,576\cdot150\,738\,274\,937\,250\approx1.59\times10^{20}.$$ローターのリング設定を数えなくても、約 1.59×10²⁰ 通りの鍵がある。毎秒百万通り試しても、すべてを試すにはおよそ五百万年かかる。 欠陥 リフレクターには実用上の利点があった。同じ設定のまま、機械で暗号化も復号もできたのである。しかし生まれつきの欠陥ももたらした。電流はいつも別の道を通って戻ってくるので、どの文字も自分自身には暗号化されない。A はけっして A にならない。 ささいなことに見えるが、これが決定的だった。暗号解読者たちは、多くの通信に予想できる語が含まれていることを知っていて、それを crib(カンニング)と呼んだ。6 時の天気予報は WETTERVORHERSAGE で始まり、多くの報告は KEINE BESONDEREN EREIGNISSE、「特記事項なし」と書かれていた。クリブが暗号文のどこにあるかを見つけるには、それを暗号文に沿ってずらしていき、どこかの文字が真下の暗号文の文字と一致する位置をすべて捨てればよかった。 Q F Z W R W I K T Y R E S X B F O G K U H Q W E T T E R V O R H E R S A G E ← S の上に S:ありえない W E T T E R V O R H E R S A G E ← 一致なし:ありうる 最初の位置では、クリブの S が暗号文の S の上に来てしまうが、エニグマはけっしてそうしない。この位置は捨てられる。4 文字先では、どの文字も一致せず、この位置は候補として残る。

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計算尺:すべる対数

対数表を使うには、まだ数を探し、足し、もう一度探さなければなりません。ネイピアから数年後、イギリス人たちは、対数を定規の上に置き、足し算を手で行えることに気づきました。 ガンターの目盛り 1620 年、ブリッグスのグレシャム・カレッジの同僚だった天文学者エドマンド・ガンターは、各数 $x$ が 1 の目盛りから $\log x$ に比例する距離にある定規を描きました。 $$x\text{ の位置}=L\cdot\log x.$$1 は始まりに、10 は終わりにあり、2 は全長の $0.301$、3 は $0.477$、5 は $0.699$ のところにあります。数は右へ行くほど詰まっていきます。かけ算をするには、ディバイダーを 1 から $a$ まで開き、その開きを $b$ から移します。距離が足されるので、先端は $a\times b$ に来ます。 $$L\log a+L\log b=L\log(ab).$$オートレッドの二本の尺 1622 年ごろ、牧師で数学者のウィリアム・オートレッドはディバイダーを不要にしました。同じ目盛りを二本並べ、一方を他方の上ですべらせるのです。$2\times3.5$ を計算するには、下の尺の 1 を上の尺の 2 の下に合わせ、下の尺の 3.5 の上にある上の尺の数を読みます。7 です。これが最初の計算尺でした。 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。 割り算は同じ計算を逆にするだけです。$8\div2.5$ なら、下の尺の 2.5 を上の尺の 8 の下に合わせ、下の尺の 1 の上を読むと 3.2。計算尺は小数点の位置を教えてくれません。答えが 3.2 なのか 32 なのか 0.32 なのかは、計算する人が知っていなければなりません。ブリッグスの対数の指標とまったく同じです。 20 世紀の計算尺。中央の目盛りが互いにすべり、透明なカーソルが読み取りを助ける。Jacek Halicki · Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0 三百五十年 計算尺には、平方、平方根、正弦、対数の目盛りが加わり、正確に読むための細い線の入ったガラスのカーソルがつきました。正しい桁は三桁で、ほとんどすべての工学にはそれで十分でした。橋も、飛行機も、発電所も、ロケットも、計算尺で設計されました。アポロ計画の技術者たちは計算尺を使い、宇宙船にも一本積まれていました。計算尺は、1972 年に関数電卓が登場すると、数年のうちに姿を消しました。

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立方体の倍積と角の三等分:不可能な作図

ギリシア人は、ユークリッドの『原論』の道具である定規とコンパスでは、だれにも解けなかった三つの作図問題を残しました。 立方体の倍積:与えられた立方体の 2 倍の体積をもつ立方体の辺を作図する。 角の三等分:任意の角を三つの等しい部分に分ける。 円の正方形化:与えられた円と同じ面積の正方形を作図する。 伝説によれば、疫病がはやったとき、デロスの神託はアテネの人々に、立方体の形をしたアポロンの祭壇を 2 倍にせよと命じました。人々は辺を 2 倍にしましたが、体積は 8 倍になり、疫病はおさまりませんでした。二千年にわたって数学者たちは挑みました。答えが出たのは 19 世紀、ガウスとガロアの考えによってでした。それは不可能なのです。 定規とコンパスにできること 長さ 1 の線分から始めます。定規とコンパスを使えば、相似な三角形によって長さを足し、引き、かけ、割ることができます。そして、半円の中の相乗平均で平方根をとることもできます。しかし、それだけです。 理由は解析幾何学にあります。作図の新しい点はどれも、二本の直線の交点、直線と円の交点、二つの円の交点のどれかです。直線の方程式は 1 次、円の方程式は 2 次です。これらの交点を求めるのに、2 次方程式より高い次数の方程式は決して必要ありません。だから作図の各ステップで加わるのは、せいぜい平方根一つなのです。 定規とコンパスで作図できる長さは、1 から四則演算と平方根で書ける。とくに、それが有理数の範囲で因数分解できない方程式の根であれば、その方程式の次数は 2 のべき乗である。 デロスの立方体 辺 1 の立方体を 2 倍にするとは、体積 2 の立方体の辺 $x$ を作図することです。 $$x^3=2,\qquad x=\sqrt[3]2\approx1.2599.$$方程式 $x^3-2=0$ は有理数の根をもたず、より低い次数の有理数係数の多項式に因数分解できません。次数は 3 で、2 のべき乗ではありません。したがって $\sqrt[3]2$ は作図できません。デロスの祭壇は、定規とコンパスでは 2 倍にできないのです。 60° の角 かんたんに三等分できる角もあります。直角は三つの $30°$ の角に分けられ、$30°$ は正三角形で作図できます。しかし問題が求めているのはどんな角にも使える方法で、反例が一つあれば十分です。$60°$ をとりましょう。これを三等分するとは、$20°$、つまり長さ $x=\cos20°$ を作図することです。余弦の 3 倍角の公式 $$\cos3\theta=4\cos^3\theta-3\cos\theta$$で、$\theta=20°$、$\cos60°=\frac12$ とすると、 $$4x^3-3x=\frac12\qquad\Longrightarrow\qquad8x^3-6x-1=0.$$ありうる有理数の根は $\pm1,\pm\frac12,\pm\frac14,\pm\frac18$ だけで、どれも当てはまりません。よって方程式は因数分解できず、次数は 3 です。$60°$ の角は定規とコンパスで三等分できません。 ヴァンツェルとガロア この二つの証明は 1837 年、理工科学校の学生だった 23 歳のフランス人ピエール・ヴァンツェルが、リウヴィルの雑誌に発表しました。ヴァンツェルはガウスとラグランジュの考えを使いました。ガロアの著作が出版されるのは九年後のことです。今日、この議論はガロア理論で説明されます。方程式の次数は、その根がつくり出す数の世界の大きさを測り、定規とコンパスは二段ずつしか登れないのです。

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アーベル群:順序が問題にならないとき

靴下をはいてから靴をはくのと、靴をはいてから靴下をはくのとでは、結果がちがいます。3 を足してから 5 を足すのと、5 を足してから 3 を足すのとは同じです。二つの操作の順序を変えても結果が変わらないとき、それらは可換であるといいます。すべてが可換な構造を表すために数学者が使う言葉は、アーベルへの敬意を表したものです。アーベル的(abelian)です。 最後の論文 一般の 5 次方程式に公式がないことを証明したあと、アーベルはどんな方程式なら公式があるのかを知りたいと考えました。1829 年、『クレレ誌』に発表した最後の論文の一つで、彼は特別な種類の方程式を調べました。すべての根が、そのうちの一つ $x$ から、互いに可換な有理関数 $\theta_1(x), \theta_2(x),\dots$ によって得られる方程式です。 $$\theta_1(\theta_2(x))=\theta_2(\theta_1(x)).$$アーベルは、こうした方程式がつねに累乗根で解けることを証明しました。それらはアーベル方程式と呼ばれるようになり、のちに、順序が問題にならない群がアーベル群と呼ばれるようになりました。 1 のべき根 最も重要な例は方程式 $x^n=1$ です。その根の一つは $$\zeta=\cos\frac{2\pi}n+i\sin\frac{2\pi}n$$で、ほかの根はすべてそのべき乗です:$\zeta^2,\zeta^3,\dots,\zeta^n=1$。ある根を別の根に移す関数はべき乗 $\theta_a(x)=x^a$ で、これらは可換です。 $$\theta_a(\theta_b(x))=(x^b)^a=x^{ab}=(x^a)^b=\theta_b(\theta_a(x)).$$アーベルの定理により、$x^n=1$ はどの $n$ についても累乗根で解けます。これは、ガウスが正十七角形の作図に使ったのと同じ構造です。正多角形の頂点は $x^{17}=1$ の根なのです。 群と可換性 現代の言葉では、群とは、合成したり、取り消したり、組み合わせたりでき、しかもつねにその集まりの中にとどまる操作の集まりです。どの二つの元についても $a\circ b=b\circ a$ となるとき、その群はアーベル群です。 アーベル群の例はいたるところにあります。 整数と足し算:$3+5=5+3$。 円の回転:$30°$ 回してから $50°$ 回すのは、$50°$ 回してから $30°$ 回すのと同じ。 時計の算術:12 時間の時計で、9 時の 5 時間後は 2 時です。$9+5\equiv2\pmod{12}$ と書きます。ここでも足す順序は関係ありません。 アーベル群でない群もあります。三角形の対称性が最も小さな例です。三角形を回してから裏返すのと、裏返してから回すのとでは結果がちがいます。ルービックキューブも例です。前の面を回してから上の面を回すのは、その逆と同じ効果にはなりません。ガロアが 5 次方程式に公式がない理由を説明したのは、アーベル群でない群を調べることによってでした。 可換だとなぜ助かるのか アーベルの証明の背後にある直観は、アーベル群では操作を一つずつ、どんな順序でも行うことができ、一つの操作がほかの操作の成果をこわさない、ということです。各ステップは累乗根を一つとることに対応し、根は順番にとっていくことができます。五つの根の 120 通りの置換の群のように、アーベル群でなく、しかも複雑すぎる群では、ステップどうしが邪魔し合い、累乗根だけでは最後までたどり着けないのです。 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。 アーベルのぶどう 英語圏の数学者の間には古い冗談があります。「紫色で可換なものは何? アーベルのぶどう。」英語で an abelian grape(アーベルのぶどう)が an abelian group(アーベル群)と似た音になるのです。「abelian」という形容詞はあまりにもよく使われるので、多くの本では小文字で書かれます。それは、ほんのわずかな数学者しか受けていない栄誉です。

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伸ばさずに曲げる:埋め込み定理

紙を一枚取ってください。破らず、伸ばさずに、円柱に丸めることができます。紙の上でしなやかな定規で測った距離は変わりません。しかし、しわを作らずにボールを包むことはできません。紙と球面では内在的な幾何が違うのです。ガウスは 1827 年、この違い、すなわち曲率は、曲面を伸ばさずに曲げても変わらないことを証明しました。 19 世紀、ベルンハルト・リーマンはさらに大胆な考えをもちました。曲面や、任意の次元の空間を、どこにも描かずに、内側での測り方だけで記述しようというのです。必要なのは、どんな曲線の長さをどう測るかを決める規則、計量だけです。一般相対性理論はこうして時空を記述します。まわりにより大きな空間を置かず、内側から記述するのです。 問い では、抽象的なリーマン空間はどれも、ふつうのユークリッド空間(次元はとても高いかもしれません)の中に、内側で測った長さが描いたものの上での長さと一致するように描けるのでしょうか。この「ゆがみのない描き方」を等長埋め込みといいます。この問いは半世紀前からあり、幾何学者たちはきわめて難しいと考えていました。 1953 年ごろ、MIT で、幾何学者ウォーレン・アンブローズは若い同僚の傲慢さにいらだち、ナッシュに挑みました。そんなに優秀なら、これを解いてみろ。ナッシュは賭けに乗りました。 例:円柱 簡単な場合で、等長埋め込みとは何かを見てみましょう。平面の帯に座標 $(u,v)$ とふつうの計量 $ds^2=du^2+dv^2$ があるとします。変位 $du$、$dv$ の小さな曲線の長さは $\sqrt{du^2+dv^2}$ です。帯を半径 $R$ の円柱に巻きます。 $$F(u,v)=\left(R\cos\frac uR,\ R\sin\frac uR,\ v\right).$$導関数は $$F_u=\left(-\sin\frac uR,\ \cos\frac uR,\ 0\right),\qquad F_v=(0,0,1),$$内積は $$F_u\cdot F_u=1,\qquad F_v\cdot F_v=1,\qquad F_u\cdot F_v=0.$$したがって円柱上でも $ds^2=du^2+dv^2$ で、帯の上とまったく同じです。巻くことは等長的です。曲面の上を歩くアリは何の違いにも気づかないでしょう。ただし注意してください。円柱をはさんで近くにある二点も、曲面に沿って歩けば遠いことがあります。埋め込みが保つのは曲面上の曲線の長さであって、空間を通る直線距離ではありません。 平坦トーラス 今度は難しい場合です。正方形の紙を取り、上の辺と下の辺を貼り合わせると円柱になります。次に円柱の両端を貼り合わせると、ドーナツ、すなわちトーラスになります。本物の紙でやると、しわが寄ります。ふつうのドーナツは外側で曲率が正、内側で負だからです。平らな正方形から作り、正方形の測り方を保ったトーラスを平坦トーラスといい、古典的な定理によれば、それは三次元空間に滑らかに、ゆがみなく描くことはできません。四次元ならゆがみなく収まりますが、三次元には収まりません。 ナッシュが証明したこと 1954 年、ナッシュは驚くべき結果を発表しました。埋め込みが一回だけ滑らかであればよい、つまり各点で接平面は定まるが曲率はなくてもよいなら、どんな曲面も三次元空間に等長的に置けるというのです。オランダのニコラース・カイパーが 1955 年に議論を完成させました。ナッシュ=カイパーの定理により、平坦トーラスでさえふつうの空間に収まります。その代償は、ひだの上にひだが重なり、尺度がどんどん小さくなる、フラクタルのようなきわめて奇妙な曲面です。 平坦トーラスの三次元空間への等長埋め込み。2012 年に Hevea プロジェクトが計算したもの。曲面はしだいに小さくなるひだの上のひだで覆われている。ここに見えているのは最初の三層。Hevea プロジェクト、Romainbehar によるアップロード · Wikimedia Commons · CC0 1956 年、ナッシュはアンブローズが持ち出した場合、すなわち完全に滑らかな埋め込みの場合を発表しました。どんなリーマン多様体も、十分高い次元のユークリッド空間に等長的に置けるのです。そのために彼は方程式を解く新しい技法を考案しました。各段階で、前の段階で失われた滑らかさを補正する逐次近似の方法です。この技法はのちにユルゲン・モーザーが改良し、ナッシュ=モーザーの方法として知られるようになり、今日では天体力学や、幾何学とは何の関係もない微分方程式の問題で使われています。 くしゃくしゃの紙 ナッシュ=カイパーの定理には、ばかげて聞こえる帰結があります。平らな一枚の紙を、伸ばさずに、いくらでも小さな球の中に入れられるのです。無限に細かいひだを許しさえすれば。2012 年、フランスのチーム、Hevea プロジェクトが、平坦トーラスのそのような埋め込みを初めて計算し、それがどんな姿かを示す画像を作りました。 練習問題:半径 R = 1 の円柱で、点 (1, 0, 0) と (−1, 0, 0) の間の曲面上の道の長さはいくらか。直線距離は?二点は $u=0$ と $u=\pi$、同じ $v$ に対応します。曲面上を歩けば、長さは帯の上と同じで $\pi\approx3.14$。円柱を横切る空間の直線距離は $2$ です。埋め込みが保つのは前者で、後者ではありません。

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変位電流:欠けていた項

マクスウェルの四本の方程式のうち三本は、なんらかの形で彼以前から知られていました。ガウスの法則、磁場の法則、ファラデーの法則です。四本目のアンペールの法則も知られていましたが、それは 不完全 でした。マクスウェルがそれに加えたのは、ただひとつの項 $\mu_0\varepsilon_0\frac{\partial\mathbf E}{\partial t}$ です。たいしたことのないように見えます。けれども電気と磁気を光に変えたのは、この項だったのです。 アンペールの法則 1826 年、フランスのアンドレ=マリ・アンペールは、電流とそのまわりの磁場を結ぶ規則を見つけました。今日のことばで言うと、導線のまわりの閉じた道を一周して、道に沿った磁場の成分を足しあわせると、その結果は、その道をふちとする どんな 面を通る電流 $I$ にも比例する、というものです。 $$\oint\mathbf B\cdot d\boldsymbol\ell=\mu_0 I.$$「どんな」という言葉が大切です。虫とり網のわくを考えてください。網は短くても長くてもかまいませんが、わくを通る導線は網も通ります。網を通る電流は網の形によりません。 規則を破るコンデンサー さて、回路に コンデンサー を入れます。空気か真空をはさんだ二枚の平行な金属板です。コンデンサーが充電されるあいだ、電流 $I$ が導線を通って一方の板に流れこみ、もう一方の板からは別の電流が出ていきます。けれども板のあいだには電流は流れません。導線はなく、すきまがあるだけです。 コンデンサーの手前で、導線のまわりに円い道をとります。網が 平ら で導線を切るなら、それを通る電流は $I$ です。網が 長く、導線にふれずに板のあいだを通る袋のようなら、それを通る電流は ゼロ です。同じ道、同じ磁場の積分なのに、答えが二つある。この場合、アンペールの法則は正しくありえません。 板のあいだで変わるもの 板のあいだを電荷は通りませんが、変わるものがあります。電場 です。板に電荷 $Q$ がたまるにつれ、面積 $A$ の板のあいだの電場は大きくなります。 $$E=\frac{Q}{\varepsilon_0A}.$$板の面積を通る電場の流束は $\Phi_E=EA=\frac Q{\varepsilon_0}$ で、その変わる速さは $$\varepsilon_0\frac{d\Phi_E}{dt}=\frac{dQ}{dt}=I$$です。導線を流れてくる電流とちょうど同じです!マクスウェルは、変化する電場は電流のようにはたらくと考えました。彼はそれを 変位電流 $I_d=\varepsilon_0\frac{d\Phi_E}{dt}$ と呼び、アンペールの法則に加えました。 $$\boxed{\oint\mathbf B\cdot d\boldsymbol\ell=\mu_0\left(I+\varepsilon_0\frac{d\Phi_E}{dt}\right).}$$これで二つの網の答えが一致します。平らな網を通るのは導線の電流 $I$ だけです。長い網を通る電流はありませんが、板のあいだで変化する電場があって、それが同じ量を寄与するのです。 なぜ「変位」なのか この名前は 1861 年の力学模型から来ています。マクスウェルは、真空にもエーテルという媒質があって、場が変わるとそのなかの電気をおびた粒子が、のばされたばねのように少し 変位 すると考えていました。その小さな変位が、ほんとうの電流だというのです。エーテルは存在しないことを、マイケルソンとモーリー、そして アインシュタイン が示すことになりますが、この項は模型より長く生きのびました。力学的な説明がまちがっていても、自然は方程式にしたがっているのです。 電荷は保存される この項がなければならない理由はほかにもあります。微分形では、修正前のアンペールの法則は $\nabla\times\mathbf B=\mu_0\mathbf J$ です。ところが回転の発散はいつも 0 なので、これは $\nabla\cdot\mathbf J=0$ を強います。電流はどこにもたまることができず、どんなコンデンサーも充電できなくなってしまうのです。マクスウェルの項を入れると、

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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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クラドニ図形と振動板の懸賞

中心で固定した金属板に砂をまき、ふちをバイオリンの弓でこすってみましょう。板は歌いはじめ、砂はまるで自分の意志があるかのように、ある場所からは逃げ、別の場所に集まって、線や十字や星や左右対称の曲線を描きます。音を変えると、模様も変わります。これがクラドニ図形です。 クラドニ板の鳴らし方。板を中心で固定し、ふちをバイオリンの弓でこする。1879 年の本の版画。作者不詳、1879 · Wikimedia Commons · パブリックドメイン 目に見える音 ドイツのエルンスト・クラドニは 1787 年、『音の理論についての発見』という本でこれらの図形を発表しました。定性的な説明はかんたんです。板が振動すると、ほとんどの点が上下に動いて砂をはね飛ばします。けれども、動かない線がいくつかあります。これが節線です。砂はそこにすべりこんでとどまります。模様は、板が動かない場所の地図なのです。 クラドニは板を持ってヨーロッパじゅうを回りました。1808 年にはパリでナポレオンの前で実演し、魅了された皇帝は、図形を説明する弾性曲面の数学的理論を出した人に贈る 1 キログラムの金メダルを、科学アカデミーに用意させました。 なぜそれほどむずかしかったのか 振動する弦については、数学はすでにそろっていました。1747 年にダランベールが弦の方程式を書き、オイラーとダニエル・ベルヌーイが、弦は最低音の振動数の整数倍 $f, 2f, 3f, \ldots$ の音で振動することを説明していました。弦は線で、それを引きもどす力は弦がどれだけ傾いているかで決まります。 板はちがいます。板は金属の定規のように曲げられることに抵抗し、しかも二つの方向に同時に曲がります。オイラーは鐘をあつかおうとし、ダニエルのおいのヤコブ・ベルヌーイは板を交差する梁の格子と考えましたが、うまくいきませんでした。審査員の一人ラグランジュは、当時の方法では足りないと考えていました。応募したのはただ一人でした。 三度の挑戦 ソフィー・ジェルマンは一つの仮説から出発しました。板が抵抗する力はその曲率に比例し、曲面ではそれは二つの主方向の曲率を足すことを意味する、というものです。1811 年、彼女は論文を提出しました。計算にまちがいがあり、賞は与えられませんでした。けれどもラグランジュは、彼女の仮説から計算を正して、板の小さな変位 $z(x,y,t)$ についての正しい方程式にたどりつきました。 $$\begin{aligned}&\frac{\partial^2 z}{\partial t^2}+k^2\Bigg(\frac{\partial^4 z}{\partial x^4}+2\,\frac{\partial^4 z}{\partial x^2\,\partial y^2}\\&\qquad\qquad+\frac{\partial^4 z}{\partial y^4}\Bigg)=0.\end{aligned}$$4 階の導関数に注目してください。弦の方程式には 2 階の導関数しかありません。階数が高いのは、曲げに対する抵抗のしるしです。 懸賞は再募集されました。1813 年、ソフィーはこの方程式がクラドニの図形のいくつかを再現することを示し、佳作になりました。1816 年、三度目で受賞しました。審査員はまだ、物理的な根拠づけと板のふちでの条件に穴があると指摘しており、それが解決されたのは 1850 年、グスタフ・キルヒホッフによってでした。けれどもその方程式は、今日 $\frac{\partial^2 z}{\partial t^2}+k^2\,\Delta^2 z=0$ と書かれ、技術者が床や翼やギターの表板を計算するのに今も使っているのと同じものです。 図形を描く 正方形の板では、節線の古典的な近似が $$\cos(n\pi x)\cos(m\pi y)\pm\cos(m\pi x)\cos(n\pi y)=0$$のような組み合わせで与えられます。$x$ と $y$ は 0 と 1 のあいだです。下の図はこの式で描きました。それぞれの正方形が一枚の板で、明るい線が砂の集まる場所です。 単純化したモデルでの正方形の板の節線。m、n と符号のいくつかの値について。砂は明るい線の上に集まる。Euler’s Eyes 作図 ギターとバイオリン 楽器職人は今でもクラドニ図形を使っています。まだ取りつけていないバイオリンやギターの表板に粉をまき、スピーカーで振動させて模様を見るのです。節線があるべき場所になければ、あちこち少しずつ木を削っては試し、板がちゃんと「歌う」までくり返します。

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ユークリッドの互除法:最大公約数

ユークリッドの互除法はあらゆるアルゴリズムのおじいさんである。今日まで生きのびている、自明でないアルゴリズムのなかで最も古いのだから。 — ドナルド・クヌース『The Art of Computer Programming』第 2 巻(1969) 長さ 252 cm と 105 cm の二本の棒があって、どちらもちょうど整数回で測れるいちばん長い物差しを見つけたいとします。今日のことばでは 最大公約数 $\gcd(252,105)$ が知りたいわけです。それぞれの数の約数をすべて書きだして、共通するいちばん大きなものを探してもよいのですが、大きな数ではそうはいきません。『原論』の第七巻で、ユークリッドはずっと速い方法を教えています。 大きいほうから小さいほうを引く 命題 VII.1 と VII.2 でのユークリッドの考えは単純です。二本の棒を測れる物差しは、その 差 も測れる。だから 252 と 105 の共通の尺度を探すかわりに、105 と $252-105=147$ について探してもよい。それから 105 と $147-105=42$ について。いつも大きいほうから小さいほうを引き、二つが等しくなるまで続けます。 $$(252,105)\to(147,105)\to(42,105)\to(42,63)\to(42,21)\to(21,21).$$どちらも 21 になりました。これが最大公約数です。ギリシャ人はこの手続きを アンテュパイレシス、「たがいに引くこと」と呼びました。 割り算による版 同じ数を何回も引くのは、割ることです。くり返しの引き算を余りのある割り算にまとめると、アルゴリズムは短くなります。 $$\begin{aligned}252&=2\cdot105+42\\105&=2\cdot42+21\\42&=2\cdot21+0\end{aligned}$$最後の 0 でない余りが最大公約数です。 $$\boxed{\gcd(252,105)=21.}$$なぜうまくいくのか $a=qb+r$ なら、 $a$ と $b$ をともに割りきる数は、$r=a-qb$ も割りきる。 $b$ と $r$ をともに割りきる数は、$a=qb+r$ も割りきる。 組 $(a,b)$ と $(b,r)$ の公約数はまったく同じなので、$\gcd(a,b)=\gcd(b,r)$ です。では、なぜアルゴリズムは 終わる のでしょう。余りは一歩ごとに小さくなる正の整数で、$42>21>0$、そして正の整数がいつまでも小さくなりつづけることはできないからです。いつかは余りが 0 になり、$\gcd(d,0)=d$ です。