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ベルヌーイ数:千個のべき乗を七分で足す

この表の助けを借りて、最初の千個の数の十乗を足すと 91 409 924 241 424 243 424 241 924 242 500 になることを、私は四半時間の半分もかからずに見つけた。 — ヤコブ・ベルヌーイ『推測術』(1713)第二部 少年 ガウス は、最初の数と最後の数を組にして、1 から 100 までの和を数秒で出したといわれます。$1+2+\cdots+n=\frac{n(n+1)}2$ です。平方や立方の和にも、アルキメデスやアラビアの数学者のころから知られた公式があります。 $$\begin{aligned}1^2+2^2+\cdots+n^2&=\frac{n(n+1)(2n+1)}6,\\ 1^3+2^3+\cdots+n^3&=\left(\frac{n(n+1)}2\right)^2.\end{aligned}$$では四乗、五乗、十乗は?十七世紀には何人もの数学者が、こうした公式をひとつずつ求めてページを埋めていました。フランスのイスマエル・ブイヨーは 1682 年に分厚い本を出しましたが、苦心のすえに六乗までしか届きませんでした。ヤコブ・ベルヌーイは、すべて を与える規則を見つけたのです。 表 『推測術』の第二部で、ヤコブは公式を上から下へ並べ、じっくりながめました。 $$\begin{aligned}\sum_{k=1}^n k&=\tfrac12n^2+\tfrac12n\\ \sum_{k=1}^n k^2&=\tfrac13n^3+\tfrac12n^2+\tfrac16n\\ \sum_{k=1}^n k^3&=\tfrac14n^4+\tfrac12n^3+\tfrac14n^2\\ \sum_{k=1}^n k^4&=\tfrac15n^5+\tfrac12n^4+\tfrac13n^3-\tfrac1{30}n\\ \sum_{k=1}^n k^5&=\tfrac16n^6+\tfrac12n^5+\tfrac5{12}n^4-\tfrac1{12}n^2\end{aligned}$$規則があります。$m$ 乗の和はいつも $m+1$ 次の多項式です。最初の係数は、積分 $\int_0^n x^m\,dx=\frac{n^{m+1}}{m+1}$ と同じく $\frac1{m+1}$。二番目はいつも $\frac12$。そのあとの係数は 二項式 $(n+1)^{m+1}$ の係数に、ある決まった数をかけたもののように見えます。 不思議な数 ヤコブは、今日 $B_0,B_1,B_2,\dots$ と書かれ ベルヌーイ数 と呼ばれる数の列がひとつあれば、すべての公式を一度に書けることに気づきました。 $$\boxed{\sum_{k=1}^n k^m=\frac1{m+1}\sum_{j=0}^{m}\binom{m+1}{j}B_j\,n^{m+1-j}}$$$B_j$ はどう求めるのでしょう。かんたんなこつがあります。公式は $n=1$ でも成り立たなくてはならず、そのとき和はただの $1^m=1$ です。$n=1$ とおくと $n$ のべき乗はすべて 1 になり、 $$\sum_{j=0}^{m}\binom{m+1}{j}B_j=m+1$$が残ります。$B_0=1$ から始めると、$m$ の値ごとに次の数が出てきます。 $m=1$:$1+2B_1=2$、よって $B_1=\frac12$。 $m=2$:$1+3\cdot\frac12+3B_2=3$、よって $B_2=\frac16$。 $m=3$:$1+4\cdot\frac12+6\cdot\frac16+4B_3=4$、よって $B_3=0$。 $m=4$:$1+5\cdot\frac12+10\cdot\frac16+0+5B_4=5$、よって $B_4=-\frac1{30}$。 続けると $B_6=\frac1{42}$、$B_8=-\frac1{30}$、$B_{10}=\frac5{66}$ で、1 より大きい奇数番目はすべて 0 です。これらの数には目に見える規則がありません。$B_{12}=-\frac{691}{2730}$ で、そこから先は急速に大きくなります。

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サイクロイド:歯痛の曲線

自転車のタイヤに点を一つ描き、まっすぐに押して進んでみましょう。点は上がっていき、アーチを描いて、また下りてきて地面に触れます。車輪が一回転するごとにこれをくり返します。この点が描く曲線をサイクロイドといいます。 17 世紀には、これが流行の曲線でした。フランス人は ルレット と呼びました。あまりに多くの数学者がこの曲線についての発見をめぐって争ったので、あだ名までつきました。トロイア戦争を引き起こしたヘレネーにちなんで、幾何学者たちのヘレネーです。 車輪の方程式 半径 $r$ の車輪が直線の上をすべらずに転がるとします。車輪が角 $t$(ラジアンで測る)だけ回ると、中心は距離 $rt$ だけ進みます。これは地面に触れた縁の長さです。いちばん下から出発した点は、そのとき $$x=r(t-\sin t),\qquad y=r(1-\cos t).$$の位置にあります。$t=0$ から $t=2\pi$ までで、車輪はちょうど一回転します。アーチの幅は車輪の周の長さに等しい $2\pi r$、いちばん高いところは直径の $2r$ です。 半径 1 の車輪が描くサイクロイドの一つのアーチ。アーチの下の面積は 3π で、車輪の面積の三倍です。ブログのオリジナル図版。 ガリレオ、曲線の重さを量る 1599 年ごろ、ガリレオはこの曲線に名前をつけ、一つのアーチの下の面積を知りたいと考えました。計算できなかったので、同じ材料の板からサイクロイドと、それを生み出す円とを切り抜いて、重さを量りました。サイクロイドは円のほぼ三倍の重さでした。ガリレオは、比はちょうど 3 ではないのではないかと疑い、そこでやめてしまいました。 比はちょうど 3 でした。ジル・ド・ロベルヴァルが 1634 年にそれを証明し、今ではその計算は数行で済みます。 微積分で面積を求める 曲線の下の面積は、高さ $y$、幅 $dx$ の細い帯の和です。$dx=r(1-\cos t)\,dt$ なので、 $$A=\int_0^{2\pi}y\,\frac{dx}{dt}\,dt=r^2\int_0^{2\pi}(1-\cos t)^2\,dt.$$二乗を展開すると、三つの部分が残ります。 $$\int_0^{2\pi}1\,dt=2\pi,\qquad \int_0^{2\pi}-2\cos t\,dt=0,\qquad \int_0^{2\pi}\cos^2t\,dt=\pi.$$最後のものは $\cos^2t=\frac{1+\cos2t}{2}$ から出てきます。合計すると $$A=r^2(2\pi+0+\pi)=3\pi r^2.$$サイクロイドの一つのアーチの下の面積は、それを描いた車輪の面積の三倍です。ガリレオの切り抜きは正しかったのです。 1658 年の夜 1658 年には、パスカルが数学から離れて四年がたっていました。姉ジルベルトによると、ある夜、彼はひどい歯痛で眠れませんでした。痛みを忘れようとして、サイクロイドについて考え始めると、痛みが消えました。パスカルはそれを研究を続けてよいという許しと受けとり、八日のうちに、誰も解いたことのない問題を解きました。曲線の各部分の面積、その重心、そして曲線を軸のまわりに回転させてできる立体の体積です。 それから彼は、アモス・デトンヴィルという偽名で、ヨーロッパ中に公開の挑戦状を出しました。一位には金貨 40 ピストル、二位には 20 ピストルを出すとし、締め切りは 1658 年 10 月 1 日でした。

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フェルマーの原理:光はもっとも速い道を選ぶ

砂浜にいるライフガードが、少し沖の、横にずれたところで誰かがおぼれているのを見つけました。どの道を行くべきでしょうか? 直線はいちばん短い道ですが、いちばん速い道ではありません。砂の上を走るほうが、水の中を泳ぐよりずっと速いからです。少し余分に砂浜を走って、泳ぐ距離を減らすほうが得なのです。 フェルマーは、光がまさにこの選択をしていることに気づきました。 反射:最短の道 いちばん古い考えは鏡についてのものです。1 世紀、アレクサンドリアのヘロンはすでに、光は反射するとき、鏡を経由して二点を結ぶ最短の道を通ることに気づいていました。 導関数で確かめてみましょう。光源 $S$ は鏡から高さ $a$、目 $T$ は高さ $b$ のところにあり、二つの水平距離は $\ell$ です。光は鏡の点 $M$ に当たり、$M$ は $S$ の真下から距離 $x$ のところにあります。 道 $S\to M\to T$ の長さは $$P(x)=\sqrt{x^2+a^2}+\sqrt{(\ell-x)^2+b^2}.$$最小のところでは、導関数がゼロになります。 $$P'(x)=\frac{x}{\sqrt{x^2+a^2}}-\frac{\ell-x}{\sqrt{(\ell-x)^2+b^2}}=0.$$それぞれの分数は角の正弦です。$\dfrac{x}{\sqrt{x^2+a^2}}$ は鏡の法線から測った入射角 $\hat i$ の正弦、$\dfrac{\ell-x}{\sqrt{(\ell-x)^2+b^2}}$ は反射角 $\hat r$ の正弦です。したがって $$\sin\hat i=\sin\hat r\qquad\Longrightarrow\qquad\hat i=\hat r.$$これが反射の法則、入射角は反射角に等しいです。 屈折:最短の時間 反射では光は同じ媒質の中にとどまるので、最短の道がもっとも速い道でもあります。しかし光が空気から水に入ると、向きを変えます。折れ曲がった道は直線より長い。なぜ光はそんなことをするのでしょう? 1662 年、フェルマーは答えを出しました。光が通るのは最短の道ではなく、もっとも速い道だ。水の中では遅くなるなら、空気中で少し余分に進むほうが得になる。砂浜のライフガードと同じです。 二つの媒質:点 P の位置によって、それぞれの媒質を進む距離と全体の時間が決まる。角度は境界面の法線から測る。ブログのオリジナル図版。 一つ目の媒質での光の速さを $v_1$、二つ目での速さを $v_2$ とします。距離は先ほどと同じで、今度は点 $T$ が境界面の下にあるとすると、全体の時間は $$t(x)=\frac{\sqrt{x^2+a^2}}{v_1}+\frac{\sqrt{(\ell-x)^2+b^2}}{v_2}.$$微分してゼロとおくと、 $$\frac{x}{v_1\sqrt{x^2+a^2}}=\frac{\ell-x}{v_2\sqrt{(\ell-x)^2+b^2}}.$$法線との角の正弦だと気づけば、 $$\frac{\sin\theta_1}{v_1}=\frac{\sin\theta_2}{v_2}\qquad\text{つまり}\qquad\frac{\sin\theta_1}{\sin\theta_2}=\frac{v_1}{v_2}.$$これが高校で習う屈折の法則、スネルの法則です。光が二つ目の媒質で遅くなる($v_2

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ライプニッツの π の級数:単純でゆっくりな和

数 $\pi$ は円の幾何学から、奇数は算術から来ています。両者が出会う理由は見当たりません。ところが出会うのです。 $$\frac{\pi}{4}=1-\frac13+\frac15-\frac17+\frac19-\cdots$$奇数の逆数を、符号を交互に変えながら足したり引いたりし、結果に 4 を掛けると $\pi$ になります。 一つの発見、3 回 ライプニッツがこの公式を見つけたのは 1673 年、パリでまだホイヘンスに数学を習っていたころでした。結果を先生に見せると、ホイヘンスは感心して彼をほめました。これはライプニッツの最初の大発見で、自分は数学者になれると確信させたものでした。 彼が最初ではありませんでした。1671 年、スコットランドのジェームズ・グレゴリーはすでに逆正接の級数を見つけていて、この公式はその特別な場合です。さらに約 250 年前、ケーララ学派の創始者であるインドの数学者サンガマグラーマのマーダヴァが同じ級数を発見していました。ヨーロッパの人々はこれらの業績を知りませんでした。そのため今日ではマーダヴァ–ライプニッツ級数、あるいはグレゴリー–ライプニッツ級数と呼ばれています。 「神は奇数を喜ぶ」 この級数についてライプニッツは、ローマの詩人ウェルギリウスの一節を引用しました。Numero Deus impare gaudet、「神は奇数を喜ぶ」。完全な円と深く結びついた数が、ほかならぬ奇数から生まれることを、彼は美しいと感じたのです。 証明 今日の道具を使って、3 つのステップで公式を証明しましょう。 1. 等比数列の和。 公比 $-q$ の等比数列 $1-q+q^2-q^3+\cdots$ の和には、よく知られた公式があります。$q=t^2$ として $N$ 項で打ち切り、余りの項を加えれば等式は正確になります。 $$\frac{1}{1+t^2}=1-t^2+t^4-\cdots+(-1)^{N-1}t^{2N-2}+\frac{(-1)^Nt^{2N}}{1+t^2}.$$2. 両辺を 0 から 1 まで積分する。 左辺では、$\dfrac{1}{1+t^2}$ の 0 から 1 までの面積は $\arctan1=\dfrac\pi4$ です。$45°$ の正接は 1 だからです。右辺では、各べき $t^{2k}$ が $\dfrac{1}{2k+1}$ を与えます。 $$\frac{\pi}{4}=1-\frac13+\frac15-\cdots+\frac{(-1)^{N-1}}{2N-1}+R_N.$$3. 余りはゼロに近づく。 $1+t^2\ge1$ なので、余りには上限があります。 $$|R_N|\le\int_0^1t^{2N}\,dt=\frac{1}{2N+1}.$$$N$ が大きくなると $\dfrac{1}{2N+1}$ はゼロに近づき、和は $\dfrac\pi4$ にいくらでも近づきます。 美しいが、遅い 4 を掛けると、和は誤差 $\dfrac{4}{2N+1}$ 以内で $\pi$ に近づきます。これは遅いのです。

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万有引力:リンゴから月へ

リンゴは落ちるのに、なぜ月は落ちてこないのでしょう? ニュートン以前、答えは簡単に思えました。天と地は別の規則に従っている。地上ではものは落ちる。天上では星々が完全な円を永遠に回り続ける。ニュートンの偉大な発想は、この区別を疑ったことです。もしかすると、月はずっと落ち続けているのではないか。 ニュートンの大砲 ウールズソープ・マナーの果樹園にあるリンゴの木。言い伝えでは、これが「ニュートンの木」とされる。David Smith · Wikimedia Commons · CC BY-SA 2.0 『プリンキピア』のための草稿で、ニュートンは思考実験を提案しました。とても高い山の頂上に大砲を置き、水平に撃ちます。火薬が少なければ、砲弾は近くに落ちます。多ければ、もっと遠くに落ちます。でも地球は丸い。砲弾が十分に速ければ、地面は砲弾が落ちるのとちょうど同じだけ下に曲がっていきます。砲弾は永遠に落ち続け、決して地面に届きません。軌道に乗ったのです。 地表近くでは、その速さは秒速約 7.9 km、時速 2 万 8000 km です。低軌道を回る人工衛星の速さです。一周は約 84 分(空気抵抗を無視した場合。実際には衛星は大気よりずっと高いところを飛ばなければなりません)。 月はこの砲弾なのです。月は一瞬ごとに地球に向かって落ちていますが、横に動く速さが大きすぎて、決して落ちてきません。 逆 2 乗の法則 この考えが成り立つには、重力は距離とともに弱まらなければなりません。ニュートンは、重力は距離の 2 乗に反比例すると仮定しました。今日の記号では $$F=G\,\frac{Mm}{r^2}.$$$M$ と $m$ は二つの質量、$r$ は中心間の距離、$G$ は普遍定数です。距離が 2 倍になれば力は $1/2^2=1/4$ に、3 倍になれば $1/9$ になります。 月の検証 ニュートンは、この仮定を科学に変える計算をしました。月は地球の中心から地球半径の約 60 倍の距離にあります。重力が距離の 2 乗に反比例して弱まるなら、月の加速度は地表のリンゴの $60^2=3600$ 分の 1 のはずです。 $$\frac{9.81}{3600}\approx0.00272\ \text{m/s}^2.$$今度は天文学だけを使って、別の方法で月の加速度を測ってみましょう。月は半径 $r\approx384\,400$ km の円を約 $T\approx27.3$ 日で回ります。円運動する物体の加速度は $$a=\frac{4\pi^2r}{T^2}=\frac{4\pi^2\cdot3.844\times10^8}{(27.32\cdot86\,400)^2}\approx0.00272\ \text{m/s}^2.$$二つの数は一致します。リンゴを落とす力と月をつなぎとめる力は同じものなのです。ニュートンは、結果が「かなりよく一致した」と書いています。ただし 1666 年には地球の半径として不正確な値を使っていたため、一致は完全ではありませんでした。何年も後、よりよい測定値が得られて、計算はようやくぴったり合いました。 4 行で導くケプラー その数十年前、ケプラーは天文データから、惑星の周期の 2 乗が軌道の大きさの 3 乗に比例することを見つけていました。なぜそうなるのかは誰も知りませんでした。万有引力と第二法則を使えば、少なくとも円軌道については、説明は数行で済みます。

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複素平面上の積分

十八世紀の終わり、オイラーとラプラスは、むずかしい実積分を大胆な技で計算していた。実変数を複素変数に置きかえ、計算をしてから実数に戻るのである。ラプラスはこれを「実から虚への移行」とよんだ。結果は合っていたが、この技がいつ正当なのかは誰にも言えなかった。この問いに答えるために、25 歳のコーシーは 1814 年、定積分についての論文をアカデミーに提出した。それが出版されたのは 1827 年で、しかもそれはほんの始まりにすぎなかった。 平面で微分できる関数 複素関数 $f(z)$($z = x + iy$)は、$f = u + iv$ と書ける。ここで $u$ と $v$ は $x$ と $y$ の実関数である。$f$ が複素の意味で導関数をもつには、$u$ と $v$ がコーシー=リーマンの方程式をみたさなければならない。 $$\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{\partial v}{\partial y}, \qquad \frac{\partial u}{\partial y} = -\frac{\partial v}{\partial x}.$$この方程式はダランベールとオイラーにすでに現れていた。コーシーはそれを理論の中心にすえ、三十年後にリーマンはそれを出発点にした。$f(z) = z^2 = (x^2 - y^2) + i\,(2xy)$ では、$u_x = 2x = v_y$、$u_y = -2y = -v_x$ である。 積分定理 1825 年、コーシーは『虚数の限界のあいだでとった定積分についての論文』を出版した。平面上の点 $z_0$ から点 $z_1$ まで積分するには、二点を結ぶ道を選ばなければならない。中心となる定理は、道は関係ないというものである。ただし、一方の道を他方に変形するときに掃く領域で、関数が有限かつ連続でありつづけるかぎりにおいてである。別のいい方をすれば、やっかいな点のまわりをまわらない閉じた曲線にそった積分はゼロになる。

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リーマン予想

1859 年の素数についての論文のなかほどで、リーマンはほとんどついでのように一文を書いている。ゼータに関係するある関数、その実根がゼータの臨界線上の零点に対応する関数について、彼はこう述べる。 すべての根が実数である可能性はきわめて高い。もちろん、その厳密な証明が望まれる。しかし私は、何度か手早く試みてうまくいかなかったので、その探求はひとまずわきに置いた。私の研究の次の目的にとっては、それは必要ないように思われたからである。 — ベルンハルト・リーマン『与えられた数より小さい素数の個数について』(1859) 現代の言葉では、この一文がリーマン予想である。 ゼータ関数の非自明な零点はすべて、実部が $\frac{1}{2}$ に等しい。 臨界線 ゼータの自明な零点は負の偶数にある。それ以外の零点はすべて帯 $0 < \sigma < 1$ のなかにあり、関数等式により、直線 $\sigma = \frac{1}{2}$、すなわち臨界線について対称に現れる。予想は、それらがすべてちょうどこの直線の上にあるというのである。 臨界線の上では、$\zeta\left(\frac{1}{2} + it\right)$ に絶対値 1 の因子を掛けると実数値の関数 $Z(t)$ になり、各零点で符号を変える。グラフは $t = 10$ から $t = 60$ までの $Z(t)$ を示している。 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。 最初の零点は $t \approx 14.135$、$21.022$、$25.011$、$30.425$、$32.935$… にある。簡単な規則には従わないが、しだいに密になる。高さ $T$ までにおよそ $\frac{T}{2\pi}\ln\frac{T}{2\pi e}$ 個の零点がある。 リーマンの秘密の計算 リーマンは零点の計算をまったく発表しなかった。そのため何十年ものあいだ、「可能性がきわめて高い」という言葉は当て推量だと考えられていた。1932 年、カール・ルートヴィヒ・ジーゲルはリーマンがゲッティンゲンに残したメモを調べ、そこに臨界線上の $\zeta$ を計算する精巧な漸近公式を見つけた。リーマンはそれを使って最初の零点を見つけていたのである。いまリーマン=ジーゲルの公式と呼ばれるこの式は、上の図でも使われており、現代の計算の基礎でありつづけている。 わかっていること 1914 年、G. H. ハーディは、臨界線上に無限に多くの零点があることを証明した。 1942 年、アトル・セルバーグは零点のうち正の割合が臨界線上にあることを示し、1989 年、ブライアン・コンリーは 40% 以上がそうであることを示した。 コンピュータはすでに十兆個を超える零点を確かめており、そのすべてが臨界線上にある。 どれも証明ではない。素数の理論に出てくる数はあまりに大きく、反例がどんな計算の届く範囲よりもはるか先にあるかもしれないのである。

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中心極限定理

サイコロを一つ振ると、どの面も同じ確率で、確率のグラフは平らである。二つ振って足すと、和 7 がいちばん起こりやすく、グラフは三角形になる。十個、三十個、百個と振ると、和のグラフはしだいに釣鐘の形になっていく。サイコロのかわりに硬貨やルーレットや測定誤差を足しても同じことが起こる。この驚くべき事実が中心極限定理である。 ド・モアブルとラプラス 1733 年、アブラーム・ド・モアブルは硬貨についてこの現象を示した。何度も投げたときの表の回数は、曲線 $e^{-x^2}$ に近い分布をもつ。ラプラスは 1810 年の論文で、この結果を任意の偶然の和に広げた。偶然どうしが独立で、どれか一つがほかを圧倒しなければよい。 現代の言葉で言えば次のようになる。$X_1, X_2, \ldots, X_n$ をすべて同じ分布に従う独立な偶然とし、平均を $\mu$、分散を $\sigma^2$ とする。和 $S_n = X_1 + \cdots + X_n$ の平均は $n\mu$、標準偏差は $\sigma\sqrt{n}$ で、 $$\frac{S_n - n\mu}{\sigma\sqrt{n}}$$の分布は、$n$ が大きいとき、密度 $\frac{1}{\sqrt{2\pi}}e^{-x^2/2}$ の標準正規分布にどんどん近づく。 サイコロ サイコロ一つでは $\mu = 3.5$ で、 $$\sigma^2 = \frac{1^2 + 2^2 + \cdots + 6^2}{6} - 3.5^2 = \frac{91}{6} - \frac{49}{4} = \frac{35}{12}.$$$n$ 個のサイコロの和の平均は $3.5\,n$、標準偏差は $\sqrt{\frac{35n}{12}}$ である。図は和の正確な分布と、同じ平均と標準偏差をもつ正規曲線を比べている。つまみを動かすと、ほんの数個のサイコロで二つがほとんど重なることがわかる。 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。 サイコロ 100 個では、平均は 350、標準偏差は $\sqrt{\frac{3500}{12}} \approx 17.1$ である。和が 330 から 370 のあいだ、つまり両側にそれぞれ約 1.2 標準偏差の範囲に入る確率はおよそ 76% になる。$6^{100}$ 通りの組み合わせを数える必要はない。

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アルキメデスの螺旋

やはりドシテオスにささげられた『螺旋について』で、アルキメデスは運動によって定義される新しい曲線を調べている。 平面上の直線が、固定された一方の端のまわりを一様な速さで回転して出発点の位置にもどり、同時に一点が固定された端から出発して直線にそって一様な速さで動くならば、その点は平面上に螺旋をえがく。 — アルキメデス『螺旋について』、定義 方程式 極座標では、点から中心までの距離 $r$ は、直線が回った角 $\theta$ と同じ割合で増える。 $$r = a\,\theta.$$一回転するごとに半径は同じだけ、$2\pi a$ ずつ増えるので、続く巻きは等しい間隔で並ぶ。レコード盤の溝や、地面に巻いたホースのようにである。 円の三分の一 アルキメデスは、最初の一回転のあいだに半径がはく面積を計算した。手法はここでも取りつくし法で、一回転を多くの細い扇形に分け、曲線の内側のものと外側のものを足しあわせる。現代の記法では、角 $d\theta$、半径 $r$ の扇形の面積は $\frac{1}{2}r^2\,d\theta$ だから $$A = \int_0^{2\pi} \frac{1}{2}(a\theta)^2\,d\theta = \frac{a^2}{2}\cdot\frac{(2\pi)^3}{3} = \frac{4}{3}\pi^3 a^2.$$最初の一回転の終わりの半径 $R = 2\pi a$ を半径とする円の面積は $\pi R^2 = 4\pi^3 a^2$ である。螺旋の面積はそのちょうど三分の一になる。 $$\frac{A}{\pi R^2} = \frac{\frac{4}{3}\pi^3 a^2}{4\pi^3 a^2} = \frac{1}{3}.$$そこにたどり着くために、アルキメデスは平方の和 $1^2 + 2^2 + \cdots + n^2$ についての公式を必要とした。それは、この和が $\frac{n^3}{3}$ と $\frac{(n+1)^3}{3}$ のあいだにあると言うのと同じことである。微積分で $\int x^2\,dx = \frac{x^3}{3}$ を与えるのも、この和である。 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。

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大学のなかの女性:1727 年の演説とボローニャの講座

Oratio qua ostenditur artium liberalium studia a femineo sexu neutiquam abhorrere. — アニェージの演説の題、1727 年 このラテン語の文は「自由学芸の学問が女性にけっしてふさわしくないものではないことを示す演説」という意味である。1727 年、父の客の前でこれを暗唱したとき、アニェージは九歳だった。原稿は教師のひとりがイタリア語で書いたもので、彼女がそれをラテン語に訳して暗記した。 自由学芸 「自由学芸」とは、中世以来、高等教育の土台をなしてきた科目である。一方に文法、修辞学、論理学、他方に算術、幾何学、天文学、音楽があった。それは大学の科目であり、大学は男のためのものだった。1727 年の演説は、女性の本性のなかにそれを学ぶことをさまたげるものは何もないと主張し、古代や近い時代の学識ある女性たちを例にあげた。 わずかな例外 十八世紀のイタリアでは、何人かの女性が壁を破ることに成功していた。1678 年、エレナ・コルナーロ・ピスコピアがパドヴァで哲学の博士号を受けた。女性に与えられた最初の博士号である。1732 年にはボローニャ大学が二十歳のラウラ・バッシに博士号を与え、まもなく自然哲学の講座も与えた。彼女はのちに、イタリアでニュートン物理学を広めた代表的な人物のひとりになる。 イタリアの外では、フランスのエミリー・デュ・シャトレが 1740 年に『物理学教程』(Institutions de physique)を出版した。題がアニェージの Instituzioni と似ているのは偶然ではない。どちらの本も教科書をめざしていたのである。彼女は晩年をニュートンの『プリンキピア』のフランス語訳にささげ、その訳はいまも使われている。 教皇ベネディクトゥス十四世の発意によるマリア・ガエターナ・アニェージの任命を記録した、1750 年のボローニャ大学の文書。ボローニャ大学 · Wikimedia Commons · パブリックドメイン 教皇と講座 ボローニャには強力な味方がいた。この町の大司教プロスペロ・ランベルティーニは 1740 年にベネディクトゥス十四世として教皇に選ばれ、その後も大学とその科学研究所を守りつづけた。ラウラ・バッシを支えたのも彼であり、1750 年に『解析教程』を読んだあと、アニェージを数学の講座に任命したのも彼だった。 アニェージは礼を述べて称号を受けたが、教えるためにミラノを離れることは一度もなかった。任命はひとつの栄誉として、およそ 45 年のあいだ大学の記録に残った。多くの歴史家にとって、このできごとは承認とその限界を同時に示している。女性が講座という栄誉を受けることはできても、若い男たちでいっぱいの教室に彼女が本当に立つとは、誰も思っていなかったのである。 受け入れられなかったアカデミー 同じころ、パリとロンドンの科学アカデミーは女性を会員として認めていなかった。科学研究所と結びついたボローニャ科学アカデミーは、すでにラウラ・バッシを迎えており、アニェージも会員にした。『解析教程』の扉には、彼女がその会員として記されている。パリ科学アカデミーに初めて女性が選ばれたのは 1979 年、イヴォンヌ・ショケ=ブリュアのときで、二百年以上もあとのことだった。 練習:ローマ数字の年『解析教程』の扉には MDCCXLVIII という年が記されている。何年か。また、アニェージが亡くなった 1799 年はどう書くか。 M = 1000、D = 500、CC = 200、XL = 40(50 の前に 10)、VIII = 8。合計は $1000 + 500 + 200 + 40 + 8 = 1748$ である。1799 年は M(1000)+ DCC(700)+ XC(90)+ IX(9)= MDCCXCIX となる。

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公平になる偏ったコイン

ゆがんだコインがあるとしよう。表が出る確率 $p$ はわからない。$0.7$ かもしれないし、$0.55$ かもしれない。これを使って、完全に公平な、五分五分のくじ引きができるだろうか。 乱数をつくる者の「罪の状態」について語ったのと同じ 1951 年の論文で、フォン・ノイマンは短く意外な答えを与えた。 工夫 コインを二回投げる。 表、裏と出たら「表」とする。 裏、表と出たら「裏」とする。 表、表か裏、裏と出たら、それは忘れて、もう二回投げる。 なぜ公平なのか。二回の投げは独立なので、 $$P(\text{表、裏}) = p\,(1-p), \qquad P(\text{裏、表}) = (1-p)\,p.$$$p$ が何であっても、これらは同じ数である。同じ結果の組は捨てられ、残った結果の中では表と裏がまったく同じ確率をもつ。コインがどれだけ偏っているかを知る必要はない。投げどうしが互いに影響しないことだけが必要なのだ。 代償 代償は組を捨てることだ。一組が使える確率は $2p(1-p)$ である。公平なコイン $p = \frac12$ なら、一組が使える確率は $\frac12$ で、結果一つあたり平均 $2$ 組、つまり $4$ 回の投げが要る。ひどく偏ったコインでは代償が急に大きくなる。$p = 0.9$ なら、一組が使える確率は $2 \times 0.9 \times 0.1 = 0.18$ しかなく、結果一つあたり平均およそ $11$ 回の投げが必要になる。 フォン・ノイマンの方法は、ランダムネス抽出器の祖先である。ランダムネス抽出器は、回路の電気的な雑音やマウスの動きのような不完全な偶然の源を、暗号が要求する一様なビットに変える。 コインは決して完全には公平でない 2007 年、数学者パーシ・ダイアコニス、スーザン・ホームズ、リチャード・モンゴメリーは、親指でふつうにはじいて投げたコインが、投げ始めと同じ面を上にして落ちる確率は半分より少し高く、およそ 51% であることを示した。2023 年には、35 万回を超える投げの実験がこの効果を確かめた。各組の二回の投げが独立であるかぎり、フォン・ノイマンの工夫はこの偏りを取り除く。 練習:70% のコイン$p = 0.7$ として、各種類の組の確率と、結果一つあたりの平均投げ回数を計算せよ。 $P(\text{表、表}) = 0.49$、$P(\text{裏、裏}) = 0.09$、$P(\text{表、裏}) = P(\text{裏、表}) = 0.21$。一組が使える確率は $0.42$ である。最初に使える組までの組数の平均は $\frac{1}{0.42} \approx 2.4$、つまり結果一つあたりおよそ $4.8$ 回の投げになる。