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円の計測と円周率 π

どの円も円周と直径の比が同じであることは、アルキメデス以前から知られていた。はっきりしなかったのは、今日 $\pi$ と呼ぶその比の値である。バビロニア人はときに $3\frac{1}{8}$ を使い、エジプト人は $3.16$ に近い値を使っていた。短い論考『円の計測』で、アルキメデスは二つのことをした。円の面積を円周と結びつけ、そして $\pi$ を望むだけの精度で計算する方法を示したのである。 円の面積 最初の命題は、円の面積は、半径 $r$ と円周 $C$ を直角をはさむ二辺とする直角三角形の面積に等しいと述べる。 $$A = \frac{1}{2}\,r\,C.$$円をピザのようにごく細い扇形に切ると、どの一切れも高さ $r$ のほぼ三角形になる、というのが考え方である。アルキメデスは取りつくし法によって厳密な証明を与え、面積がその三角形より大きくも小さくもありえないことを示した。$C = 2\pi r$ だから、公式はおなじみの $A = \pi r^2$ になる。 二つの多角形にはさむ $\pi$ を見積もるため、アルキメデスは円に内接する正多角形と外接する正多角形を描いた。内側の多角形の周は円周より短く、外側の多角形の周は円周より長い。直径で割れば、$\pi$ は計算できる二つの数のあいだにはさまれる。 彼は正六角形から始めた。内接正六角形の周は $6r$、つまり直径 $3$ 本分で、外接正六角形の周は $4\sqrt{3}\,r \approx 6.93\,r$ である。それから辺の数を 12、24、48、そして最後に 96 と倍にしていった。各段階で、$n$ 角形と $2n$ 角形のあいだの幾何学的な関係を使った。 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。 最終的な結果は $$3 + \frac{10}{71} < \pi < 3 + \frac{1}{7}, \qquad \text{すなわち} \qquad 3.1408 < \pi < 3.1429$$だった。上の限界 $\frac{22}{7}$ はとても有名になり、いまも学校で $\pi$ の近似値として使われている。

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極大、極小、変曲点

『解析教程』の第二部は微分法にあてられており、その主な応用のひとつは、学生なら誰もが学ぶ極大と極小の求め方である。アニェージは曲線や幾何の問題の例を何十もあげてこの方法を教えるが、手順はいつも同じだ。量を式に書き、微分し、微分をゼロとおき、確かめる。 いちばん高い点 極大や極小の点では、曲線は一瞬だけ水平になる。接線の傾きがゼロになるのである。接線の傾きは導関数だから、極大と極小の候補は $y' = 0$ となる点である。 $a = 1$ のアニェージの曲線では $y = \frac{1}{1 + x^2} = (1 + x^2)^{-1}$ である。合成関数の微分法により $$y' = -(1 + x^2)^{-2} \cdot 2x = -\frac{2x}{(1 + x^2)^2}.$$導関数がゼロになるのは $x = 0$ だけである。$x < 0$ では正(曲線は上がる)、$x > 0$ では負(曲線は下がる)。したがって $x = 0$ が極大で、$y = 1$ である。 曲がり方が変わるところ 頂上の近くでは、ヴェルシエラはふたのように下向きに曲がっている。頂上から離れ、軸に近づくところでは、おわんのように上向きに曲がっている。曲がる向きが変わる点を変曲点という。アニェージは当時の数学者たちと同じく、二階の微分を使って変曲点を見つけた。$y''$ の符号が変わるところで、曲がる向きが変わるのである。 商の微分法で $y'$ を微分すると $$\begin{aligned} y'' &= \frac{-2(1 + x^2)^2 + 2x \cdot 2(1 + x^2) \cdot 2x}{(1 + x^2)^4} \\ &= \frac{-2(1 + x^2) + 8x^2}{(1 + x^2)^3} = \frac{6x^2 - 2}{(1 + x^2)^3}. \end{aligned}$$分母はつねに正だから、符号は $6x^2 - 2$ の符号で決まり、これは次の点でゼロになる。

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ハミルトンの力学

1788 年、ラグランジュはニュートンの力学を、どんな座標でも成り立つ方程式の体系に変えた。ハミルトンはこの本を賞賛し、「一種の科学的な詩」と呼んだ。1834 年と 1835 年、二つの論文『動力学の一般的方法について』で、彼はこの考えをさらに推し進め、光線から学んだことを力学に持ち込んだ。 位置と運動量 ラグランジュは系を位置 $q$ と速度 $\dot q$ で記述した。ハミルトンは速度を運動量 $p$(単純な粒子なら質量掛ける速度、$p = m\dot q$)に置きかえ、すべての中心にただ一つの関数、ハミルトニアン $H(q, p)$ を置いた。たいていの場合それは全エネルギー、つまり運動エネルギーと位置エネルギーの和である。 $$H = T + V.$$運動全体は、ほぼ完全な対称性をもつ二つの方程式から出てくる。 $$\frac{dq}{dt} = \frac{\partial H}{\partial p}, \qquad \frac{dp}{dt} = -\frac{\partial H}{\partial q}.$$ばね ばね定数 $k$ のばねにつながれた質量 $m$ について、 $$H = \frac{p^2}{2m} + \frac{k q^2}{2}.$$ハミルトンの方程式は次を与える。 $$\frac{dq}{dt} = \frac{p}{m}, \qquad \frac{dp}{dt} = -kq.$$一つ目は、運動量が質量掛ける速度だと言っている。二つ目はフックの法則、ばねの力である。二つを合わせると $m\ddot q = -kq$、おなじみの振動になる。そして $\frac{dH}{dt} = \frac{\partial H}{\partial q}\frac{dq}{dt} + \frac{\partial H}{\partial p}\frac{dp}{dt} = \frac{\partial H}{\partial q}\frac{\partial H}{\partial p} - \frac{\partial H}{\partial p}\frac{\partial H}{\partial q} = 0$ なので、エネルギーは自動的に保存される。

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ヒルベルト空間の中の量子力学

1925 年と 1926 年に、量子力学の二つの版がほぼ同時に生まれた。ハイゼンベルクの版は無限行列を使い、シュレーディンガーの版は波動方程式を使った。どちらも実験では同じ結果を与えたが、別々のことを語っているように見えた。しかも物理学者たちは、ディラックのデルタ「関数」のような、数学者には受け入れがたい技巧を使っていた。 ゲッティンゲンでヒルベルトとともに働いていたフォン・ノイマンは、二つが同じ理論を異なる座標で書いたものであることを示し、すべてを一つの言語で書き直した。1932 年の本『量子力学の数学的基礎』は、この理論を完全に厳密に知りたい者にとって今も参考書である。 状態はベクトルである フォン・ノイマンの言葉では、物理系の状態はヒルベルト空間の中の長さ 1 のベクトルである。ヒルベルト空間とは、平面や三次元空間のように内積をもつ空間だが、無限に多くの次元をもちうる。最も簡単な例として、測定すると「上」か「下」の二つの結果しか出ない系を考えると、その状態は平面上にある。 $$\psi = a\,\mathbf{e}_\uparrow + b\,\mathbf{e}_\downarrow, \qquad a^2 + b^2 = 1.$$ベクトルを実験室と結びつける規則は、マックス・ボルンが提案し、フォン・ノイマンが整えたもので、各結果の確率は対応する成分の二乗である。$a = \frac35$、$b = \frac45$ とすると、 $$P(\uparrow) = \left(\tfrac35\right)^2 = \tfrac{9}{25} = 36\%, \qquad P(\downarrow) = \left(\tfrac45\right)^2 = \tfrac{16}{25} = 64\%.$$ベクトルの長さが 1 だという条件 $a^2 + b^2 = 1$ は、確率の和が 100% になることを述べるピタゴラスの定理である。 測定とは射影である 測定の後、系は $\psi$ にとどまらない。得られた結果に対応する状態、$\mathbf{e}_\uparrow$ か $\mathbf{e}_\downarrow$ に移る。フォン・ノイマンはこれを、ベクトルのある軸への射影として書き、エネルギーや位置のような測定される量を作用素と呼んだ。測定で得られうる値は、これらの作用素の固有値である。実験室の物理が無限次元の線形代数だけで記述されたのはこれが初めてであり、フォン・ノイマンはそのために、今日大学院の数学で教えられる作用素論の多くをつくったのである。 穴のあった証明 1932 年の本の中で、フォン・ノイマンは、量子力学は「隠れた変数」、つまり結果を予測可能にする隠された情報によって補完することはできない、という証明を示した。著者の権威によって、この証明は何十年も受け入れられた。1935 年、ドイツの哲学者で数学者のグレーテ・ヘルマンは、仮定の一つが強すぎることを指摘したが、彼女の論文はほとんど読まれなかった。1966 年になってようやく、物理学者ジョン・ベルが同じ批判を繰り返し、広く知られるようになった。ベルはのちに、ある種の隠れた変数の理論は確かに不可能であることを示したが、それは別の道筋で、別の仮定を用いてのことであり、その後の数十年に実験室で検証された。 練習:状態を規格化するある状態は $\mathbf{e}_\uparrow + \mathbf{e}_\downarrow$ に比例している。長さ 1 のかたちに書き、確率を計算せよ。 $(1, 1)$ の長さは $\sqrt{2}$ なので、状態は $\psi = \frac{1}{\sqrt2}\mathbf{e}_\uparrow + \frac{1}{\sqrt2}\mathbf{e}_\downarrow$ である。各結果の確率は $\left(\frac{1}{\sqrt2}\right)^2 = \frac12$。公平な量子のコインである。

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計算可能数:ほとんどの数は計算できない

1936 年の論文の題名が語っているのは機械ではなく、数である。「計算可能数について」。チューリングはこう定義した。ある実数のすべての桁を、一つずつ、けっしてまちがえずに書き出す機械が存在するとき、その実数は計算可能である。 どの数が計算可能か 学校で出てくる数は、ほとんどすべて計算可能である。 分数: $\frac17=0.142857142857\ldots$ 機械は筆算で割り算をし、その循環を永遠にくり返す。 平方根: $\sqrt2=1.41421356\ldots$ 次の桁を求めるために、機械は 0 から 9 までを試し、付け加えても 2 乗が 2 を超えない最大の数字を選ぶ。 $\pi$ と $e$: いくらでも近づける級数がある。たとえば $e=1+\frac1{1!}+\frac1{2!}+\frac1{3!}+\cdots$ であり、それを使えば機械は遅かれ早かれどの桁でも書き出せる。 「ちゃんとした」数はすべて計算可能であるように思える。そしてここで驚きが来る。ほとんどどれも計算可能ではないのである。 機械は数え上げられる どのチューリング機械も、有限の規則の表で記述される。その表は決まった文字を使った文章として書けるので、一つの整数としても書ける。チューリングはそれを記述数と呼んだ。記号を一つずつ数字に置き換えればよい。 だから機械は一覧に並べられる。記述数がいちばん小さい機械、その次、というように。どの機械も記述しない数はたくさんあり、どんな数も書かない機械もたくさんあるが、それはかまわない。大事なのは、計算可能数は一覧 $c_1,c_2,c_3,\ldots$ に収まるということである。専門用語では、それらは可算である。 実数は数え上げられない 1891 年、ゲオルク・カントールは、実数は一覧に収まらないことを示した。証明は対角線である。0 と 1 のあいだのすべての実数の一覧があるとしよう。 $$\begin{aligned} r_1&=0.\underline{5}\,1\,3\,9\ldots\\ r_2&=0.2\,\underline{7}\,0\,4\ldots\\ r_3&=0.8\,8\,\underline{1}\,6\ldots\\ r_4&=0.3\,0\,2\,\underline{2}\ldots \end{aligned}$$対角線上の数字を取り替えて数 $d$ をつくる。5 があれば 6 にし、ほかの数字なら 5 にする。ここでは $d=0.6555\ldots$ である。この $d$ は $r_1$ と 1 桁めで、$r_2$ と 2 桁めで、$r_n$ と $n$ 桁めで異なる。一覧に載っていない。したがって、どんな一覧もすべての実数を含むことはできない。 二つの事実を合わせよう。計算可能数は一覧に収まり、実数は収まらない。どの機械からもはずれる実数が残り、しかもそれが圧倒的多数なのである。実数を無作為に一つ選べば、それが計算可能である確率はゼロである。 定義できるのに計算できない数 計算できない数に名前をつけることはできる。$0.d_1d_2d_3\ldots$ と書き、一覧の $n$ 番めの機械が空白のテープで止まるなら $d_n=1$、止まらないなら $d_n=0$ とする。この数は完全に定義されている。しかし、もしある機械がその桁を書き出せたなら、その機械は停止問題を解いてしまうことになり、それは不可能である。存在しているのに、誰もけっして書き出すことのない数なのである。 練習:対角線を使う一覧は $0.1234\ldots$、$0.5555\ldots$、$0.9090\ldots$、$0.3141\ldots$ で始まる。「5 は 6 に、それ以外は 5 に」という規則を使って、対角線の数の最初の 4 桁を書け。 対角線は $1,5,9,1$。取り替えると $1\to5$、$5\to6$、$9\to5$、$1\to5$。数は $0.5655\ldots$ で、四つの数のどれとも対角線の桁で異なる。

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ブリッグスと常用対数

これらの数は、最も高名なマーキストン男爵ジョン・ネイピアによって最初に発明され、のちに彼自身の意見に従ってヘンリー・ブリッグスが改めた。 — ヘンリー・ブリッグス『対数算術』の扉(1624) ヘンリー・ブリッグスはロンドンのグレシャム・カレッジの幾何学教授で、イングランドで指折りの計算家でした。1615 年 3 月、彼は友人への手紙に、ネイピアの新しい対数のおかげで「頭も手も仕事でいっぱい」だと書き、その夏に会いたいと述べています。そのとおりになりました。マーキストンでの話し合いで、二人は表を二点変えればずっと実用的になると合意しました。1 の対数を 0 に、10 の対数を 1 にするのです。 10 を底とする対数 こう決めると、$x$ の対数は、$x$ を得るために 10 を何乗すればよいかを示す指数になります。 $$\log x=y\iff10^y=x.$$そして数列の法則が、じゃまな因数なしに成り立ちます。 $$\log(ab)=\log a+\log b,\qquad\log\frac ab=\log a-\log b,\qquad\log a^n=n\log a.$$log 2 を計算する ブリッグスはどうやってこれらの数を計算したのでしょうか。簡単な工夫が考え方をよく示してくれます。 $$2^{10}=1024\approx1000=10^3$$です。対数をとると $10\log2\approx3$、つまり $\log2\approx0.3$。よりよくするには余った分を使います。$2^{10}=10^3\times1.024$ なので $$\log2=\frac{3+\log1.024}{10}.$$1 にとても近い数では $\log(1+h)\approx0.4343\,h$ です。$h=0.024$ とすると $\log1.024\approx0.0104$ で、$\log2\approx0.30104$。正しい値は $0.30103$ です。ほかの対数もただで手に入ります。$\log4=2\log2\approx0.60206$、$\log8\approx0.90309$、$\log5=\log10-\log2\approx0.69897$。 ブリッグスはずっと先まで進みました。10 の平方根を 54 回続けて、それぞれ 30 桁以上の小数まで計算し、1 にきわめて近い数にたどり着きました。その対数 $1/2^{54}$ を、それが 1 をどれだけ超えるかと直接比べられるほどです。とてつもない仕事でしたが、彼はそれを手で行いました。 指標と仮数 10 を底にする大きな利点は、小数点の位置を動かしても、対数の整数部分しか変わらないことです。 $$\log2=0.30103,\quad\log20=1.30103,\quad\log200=2.30103,\quad\log2000=3.30103.$$整数部分の指標は、数が何桁かを表します。小数部分の仮数は、どれも同じです。だから 1 から 10 までの数の仮数の表が一つあれば、どんな数にも使えるのです。 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。

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方程式が累乗根で解けるとき

方程式の群という考えによって、ガロアはアーベルのあとに残された問いに答えました。どの方程式なら累乗根で解けるのか。答えはどんな技法にもよりません。群の形だけで決まるのです。 根をとるたびに群が切られる 方程式を累乗根で解くとは、すでにわかっている数に、根を一つずつ加えていくことです。最初は有理数しか知らず、方程式の群は丸ごと残っています。$\sqrt3$ や $\sqrt[3]{5}$ のような根を加えるたびに、新しく成り立つ関係が現れ、それを守る置換は減っていきます。群は小さくなるのです。群が恒等置換だけになったとき、方程式の根はすべて既知の数で書けます。方程式が解けたのです。 ガロアは、平方根、立方根、5 乗根のような素数 $p$ 乗根をとるたびに、群がとても特別なしかたで小さくなることを示しました。新しい群はもとの群の正規部分群であり、もとの群にちょうど $p$ 回おさまるのです。結論がガロアの定理です。 $$\boxed{\text{方程式が累乗根で解ける}\iff\text{群を、素数の指数をもつ正規な段階で、恒等元まで切り分けられる。}}$$このように切り分けられる群は、この歴史にちなんで可解群と呼ばれます。 3 次:カルダノの公式 一般の 3 次方程式の群は三つの根の六つの置換の群で、三角形の六つの対称性の群と同じです。それは次のように切り分けられます。 $$\underbrace{\{e,r,r^2,s_1,s_2,s_3\}}_{6}\ \supset\ \underbrace{\{e,r,r^2\}}_{3}\ \supset\ \underbrace{\{e\}}_{1}.$$指数は $6\div3=2$ と $3\div1=3$ です。これは、まず平方根、次に立方根をとるということです。まさにカルダノの公式の形で、立方根の中に平方根が現れます。 $$x=\sqrt[3]{-\frac q2+\sqrt{\frac{q^2}4+\frac{p^3}{27}}}+\sqrt[3]{-\frac q2-\sqrt{\frac{q^2}4+\frac{p^3}{27}}}.$$群は、公式が書かれる前にそれを説明しているのです。 4 次:フェラーリの公式 四つの根の 24 個の置換は、四段階で切り分けられます。 $$24\ \supset\ 12\ \supset\ 4\ \supset\ 2\ \supset\ 1,$$指数は $2, 3, 2, 2$ で、すべて素数です。フェラーリの公式は、この順に、平方根を一つ、立方根を一つ(ラグランジュの補助 3 次方程式を解くため)、さらに平方根を二つ使います。 5 次:切り分けられない群 五つの根の $120$ 個の置換は、一度だけ半分に切って、$60$ 個の元からなる正規部分群、いわゆる偶置換にできます。しかし鎖はそこで止まります。この 60 個の元の群には、$\{e\}$ と自分自身のほかに正規部分群がないのです。恒等元にたどり着くには指数 60 の一歩が必要ですが、60 は素数ではありません。不可能です。 これが、一般の 5 次方程式に公式がない理由です。アーベルの定理を、今度はガロアの目で見たのです。しかしガロアの理論はさらに先へ進みます。個別の方程式については、群を計算すればよいのです。方程式 $x^5-2=0$ の群は 20 個の元をもち、可解で、実際に解けます:$x=\sqrt[5]2$。一方、$x^5-x-1=0$ の群は 120 個の置換すべてで、その実数解 $1.1673\ldots$ は累乗根では書けません。

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積分を逆にする:楕円関数

よく知っている関数を、変わった見方で眺めることから始めましょう。積分 $$\arcsin x=\int_0^x\frac{dt}{\sqrt{1-t^2}}$$は、半径 1 の円の弧の長さを、いちばん下の点から測って、高さ $x$ の関数として与えます。複雑な関数です。ところがその逆関数、つまり高さを弧の長さの関数として表したものは正弦、三角法で最も簡単な関数です。そして正弦には、積分が隠している性質があります。周期的なのです。四分の一回転の長さは $$\int_0^1\frac{dt}{\sqrt{1-t^2}}=\frac\pi2$$なので、正弦は $4\cdot\frac\pi2=2\pi$ ごとにくり返します。 だれにも計算できない積分 18 世紀には、似ているけれども 2 次ではなく 3 次や 4 次の多項式の平方根をふくむ積分が現れました。楕円の弧の長さに現れたので楕円積分と名づけられ、レムニスケートの長さや振り子の運動にも現れました。 長さ $L$ の振り子が小さな振幅で揺れるとき、周期は $T_0=2\pi\sqrt{L/g}$ です。学校で習うとおりです。しかしこの公式は振幅が小さいときにしか成り立ちません。任意の振幅 $\theta_0$ に対して、正確な周期は $$T=4\sqrt{\frac Lg}\,K(k),\qquad K(k)=\int_0^1\frac{dt}{\sqrt{(1-t^2)(1-k^2t^2)}},\qquad k=\sin\frac{\theta_0}2.$$$\theta_0=90°$ では $k=\frac{\sqrt2}2$、$K\approx1.8541$ です。よって $T\approx7.416\sqrt{L/g}$ となり、簡単な公式の $6.283\sqrt{L/g}$ と比べて、振り子は 18% 長くかかります。$k=0$ なら $K=\frac\pi2$ で、学校の公式に戻ります。 積分 $K$ は既知の関数では書けません。フランスのアドリアン=マリ・ルジャンドルはこれらの積分に四十年を捧げ、三つの種類に分類し、膨大な数値表を計算しました。彼の『楕円関数論』は 1825 年から 1828 年にかけて出版されました。 アーベルがこれらの積分に取り組んだのは、フェルディナン・デーゲンの助言によるものでした。1821 年、ノルウェーの若者の 5 次方程式のまちがった解法を読んだこのコペンハーゲンの数学者は、楕円積分を研究するよう勧めたのです。それは発見の大洋へ通じる「マゼラン海峡」になるだろう、と。 アーベルの考え アーベルは、ルジャンドルが思いつかなかったことを思いつきました。逆正弦でするのと同じことを、これらの積分にもする、つまり逆にするのです。弧の長さを高さの関数として調べる代わりに、高さを弧の長さの関数として調べるのです。最も簡単な場合として、 $$s=\int_0^x\frac{dt}{\sqrt{1-t^4}}\qquad\Longrightarrow\qquad x=\operatorname{sl}(s)$$と定めます。これがレムニスケート正弦です。正弦の場合と同じく、逆関数は積分よりずっと素直な関数です。$s$ が 0 から $$\frac\varpi2=\int_0^1\frac{dt}{\sqrt{1-t^4}}\approx1.31103$$まで動くと、それは 0 から 1 まで増え、周期 $2\varpi\approx5.2441$ でくり返します。記号 $\varpi$ は π の別の書き方で、レムニスケート定数と呼ばれます。

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混合戦略:PK と指の偶奇当て

すべての有限ゲームには均衡点がある。 — ジョン・ナッシュ、博士論文「非協力ゲーム」(1950) ゲームによっては、各プレイヤーが決まった手を選ぶかぎり、均衡がまったくないものがあります。いちばん簡単なのは指の偶奇当てです。アナは「偶数」、ブルーノは「奇数」に賭け、それぞれ指を一本か二本出します。合計が偶数ならアナが 1 点、奇数ならブルーノが 1 点を得ます。各自の選択を指「一本」か「二本」にしぼると、利得は次のとおりです。 アナ / ブルーノ 1 本 2 本 1 本 (1, −1) (−1, 1) 2 本 (−1, 1) (1, −1) 四つの組み合わせを調べてみましょう。どの場合も、負けた側が手を変えれば得をします。決まった手では均衡はありません。もっともな話です。いつも同じ手を出す人は、相手に気づかれたとたんに負けるのです。 くじを引くのが最善の戦略 抜け道は混ぜることです。ある確率で、でたらめに選ぶのです。混合戦略とは、手の上の確率分布のことです。アナは確率 $p$ で指を 1 本、ブルーノは確率 $q$ で 1 本出し、互いに独立にくじを引くとします。 アナが 1 本出すと、期待利得は $q\cdot1+(1-q)\cdot(-1)=2q-1$。2 本出すと $q\cdot(-1)+(1-q)\cdot1=1-2q$ です。アナが二つの手を混ぜてもよいと思うのは、両方が同じ利得をもたらすとき、つまりブルーノがアナを無差別にするときだけです。 $$2q-1=1-2q\quad\Longrightarrow\quad q=\frac12.$$同じ理由で、ブルーノが混ぜるのは $p=\frac12$ のときだけです。ただ一つの均衡は、各自が 50% の確率で指を 1 本か 2 本出すことです。この混合に対しては、純粋でも混合でも、どんな戦略も相手に 0 より大きい期待利得を与えません。 ナッシュの定理 これが 1950 年の博士論文の大きな結果です。プレイヤーの数も手の数も有限なゲームには、混合戦略を許せば、ナッシュ均衡が少なくとも一つある。 証明には不動点定理を使います。混合戦略の各組み合わせに対して、各プレイヤーが自分の混合を利得の高い手のほうへ少しずらした別の組み合わせを作ります。これで、組み合わせの集合からそれ自身への連続関数が決まります。この集合は穴のない球のようなもので、ブラウワーの定理によれば、球からそれ自身へのどんな連続関数にも不動点、つまり関数が動かさない組み合わせがあります。動かない点とは、まさにだれも変えたくない組み合わせ、すなわち均衡です。 定理は均衡が存在することを保証しますが、それがただ一つだとも、計算しやすいとも言っていません。今日では、大きなゲームでナッシュ均衡を見つけることは、計算の上できわめて難しい問題になりうることが知られています。 PK 混合戦略のいちばん有名な例はスタジアムで起こります。PK では、キッカーがコースを選び、ゴールキーパーはボールを見る前に跳ばなければなりません。右利きのキッカーにとって得意なコースは自分の左、つまりキーパーの右です。ゴールの確率が次のとおりだとしましょう。 キッカー / キーパー キーパーが得意コースへ跳ぶ キーパーが反対へ跳ぶ 得意コースへ蹴る 60% 95% 反対へ蹴る 90% 70% 数字は丸めてありますが、ヨーロッパのサッカーの実際のデータに近いものです。キーパーが逆に跳べば、キッカーはまず外しません。得意コースはいちばん蹴りやすいコースですが、キーパーが方向を読んだときにいちばん止められやすいコースでもあります。

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分子の速さ:マクスウェル分布

最近、力学の練習として、完全弾性球の運動と衝突についてのいくつかの問題に取り組んでいます。 — ジェームズ・クラーク・マクスウェル、ジョージ・ストークス宛の手紙(1859 年 5 月 30 日) 1 リットルの空気には約 $2.5\times10^{22}$ 個の分子があり、どれも動きまわり、一秒に何十億回も衝突しています。一つひとつを追いかけるのは不可能です。1859 年、マクスウェルは物理学を変える考えを思いつきました。それぞれの 分子が何をしているかではなく、それぞれの速さをもつ分子が どれだけの割合 いるかを問うのです。物理法則に確率が使われたのは、これが初めてでした。彼は 1859 年にアバディーンでの学会でこの結果を発表し、1860 年に出版しました。 対称性の議論 マクスウェルの推論は短く巧妙です。分子の速度の $x$ 成分の確率密度を $p(v_x)$ とし、$y$ と $z$ についても同じとします。彼は二つのことを仮定しました。 三つの成分は独立である。 $v_x$ がわかっても $v_y$ については何もわからない。したがって同時密度は積 $p(v_x)\,p(v_y)\,p(v_z)$ になる。 特別な方向はない。 同時密度は速度の大きさ $v^2=v_x^2+v_y^2+v_z^2$ だけで決まり、向きにはよらない。 二つをあわせると、次のような関数が必要になります。 $$p(v_x)\,p(v_y)\,p(v_z)=\Phi(v_x^2+v_y^2+v_z^2).$$積が 和 の関数になる。これは指数関数の性質、$e^ae^be^c=e^{a+b+c}$ です。妥当な解はただひとつ、 $$p(v_x)=A\,e^{-\beta v_x^2}$$で、これは 釣鐘形の曲線、ガウスの正規曲線です。定数 $\beta$ は温度と分子の質量で決まり、今日では $\beta=\frac{m}{2k_BT}$ と書きます。$k_B$ はボルツマン定数、$T$ は絶対温度です。 速さの分布 釣鐘形の曲線は、正にも負にもなる各成分について成り立ちます。では 速さ、つまり速度の大きさ $v$ はどうでしょう。大きさが $v$ と $v+dv$ のあいだにある速度は、半径 $v$、厚さ $dv$、体積 $4\pi v^2\,dv$ の球殻をつくります。かけあわせると、 $$\boxed{f(v)=4\pi\left(\frac m{2\pi k_BT}\right)^{3/2}v^2\,e^{-mv^2/(2k_BT)}.}$$これが マクスウェル分布 です。因子 $v^2$ のために曲線は 0 から始まります。止まっている分子はほとんどありません。指数関数のために曲線はすぐに下がります。とても速い分子もほとんどありません。そのあいだに山があります。

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ラグランジュ点:重力がつり合う場所

2021 年 12 月 25 日、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を積んだロケットがフランス領ギアナから打ち上げられました。望遠鏡はハッブルのように地球をまわる軌道には入れられませんでした。一か月かけて、ここから 150 万キロメートル離れた、いつも太陽と反対側にある宇宙の何もない一点まで旅をして、そこにとどまったのです。その点の住所は、ラグランジュが 1772 年に書いた受賞論文から出てきます。それは L2 と呼ばれています。 三つの天体 ニュートンは、引き合う二つの天体、たとえば太陽と一つの惑星の運動を完全に解きました。どちらも楕円を描きます。三つの天体、たとえば太陽、地球、月になると、すべてがややこしくなります。それぞれの天体がほかの二つを引っぱり、運動は混沌としたものになりえます。18 世紀の数学者たちはそれがかんたんではないことを知っており、パリ科学アカデミーは何度もこの問題を懸賞の課題にしました。 1772 年、賞はオイラーとラグランジュに分けて与えられました。ラグランジュの論文『三体問題についての試論』は一般解を見つけませんでした。実際、公式の形の一般解は存在しないことを、のちに 1890 年にポアンカレが示します。けれども、驚くべきものを見つけました。三つの天体が剛体のようにいっしょに回転し、それらがつくる図形の形がまったく変わらない、特殊解です。 そうなる方法は二通りあります。三つの天体が一直線に並ぶ場合で、これはオイラーが 1767 年にすでに見つけていました。もう一つは、大きさは何でもよい正三角形の頂点にあって、重心のまわりを回る場合です。この二つめがラグランジュの発見でした。 五つの点 三つの天体のうち一つがとても小さいとき、たとえば太陽と地球の近くの宇宙船のようなとき、これらの解は宇宙空間の五つの場所になります。そのどれかに置かれた宇宙船は、地球といっしょに太陽のまわりを回り、二つの天体に対していつも同じ位置を保ちます。 太陽–地球系の五つのラグランジュ点。L1、L2、L3 は二つの天体を結ぶ直線上にあり、L4 と L5 はそれらと正三角形をつくって、地球の 60° 前方と 60° 後方にある。Euler’s Eyes 作図 L1 は地球と太陽のあいだにあり、地球の引力が太陽の引力を少し打ち消すところです。 L2 は地球の向こう側にあり、二つの引力が足し合わされるところです。 L3 は太陽の向こう側にあり、地球より少し遠くにあります。 L4 と L5 は正三角形の頂点です。 L2 の計算 なぜ L2 は 150 万キロメートル先にあって、ほかの場所ではないのでしょうか。地球の外側に距離 $r$ だけ離れた物体は、太陽から $R+r$ の距離にあります。$R$ は地球と太陽の距離です。地球といっしょに回るには、地球と同じ時間、つまり一年でひと回りしなければなりません。太陽から遠いところでは、太陽の引力だけではそれに足りません。同じ向きに引っぱる地球の引力が、足りない分をおぎなうのです。 引力の合計と、曲がって進むのに必要な力が等しいという式を書き、$r$ が $R$ よりずっと小さいことを使うと、かんたんな公式にたどりつきます。

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最速降下線:1696 年の挑戦

鉛直な平面上に二点 A と B が与えられたとき、動く物体 M が自分の重さだけで降りて、A から B へ最も短い時間で移る曲線 AMB を求めよ。 — ヨハン・ベルヌーイ『学術紀要』(1696 年 6 月) 1696 年 6 月、ヨハン・ベルヌーイは『学術紀要』で「全世界の最も鋭敏な数学者たち」に挑戦しました。問いは遊園地の話のようです。二点のあいだでいちばん速いすべり台はどんな形か。問題の名はギリシャ語から来ています。brachistos は最も短い、chronos は時間。最速降下線、最短時間の曲線です。 ヨハンは六か月の期限を与え、自分はもう答えをもっていると告げました。だれにでも向けた挑戦でしたが、ねらいは二人でした。公然と戦争中だった兄ヤコブと、ライプニッツの友人たちが微積分を盗んだと非難していたアイザック・ニュートンです。 答えは直線ではない 直線は 最も短い 道ですが、最も速い 道ではありません。摩擦なしにすべる球は、落ちるにつれて速くなります。だから、道が長くなっても、最初に急に降りて早めに速さを得るほうが得なのです。一方で、極端に急降下すると道がのびすぎます。最善の道はその折り合いで、それを見つけることは、無数にありうる曲線のなかから曲線をまるごとひとつ見つけることです。 $x$ を水平、$y$ を 下向き にとり、出発点を $A=(0,0)$ とします。エネルギー保存から、高さ $y$ だけ落ちたあとの速さは $$\frac12mv^2=mgy\quad\Longrightarrow\quad v=\sqrt{2gy}.$$速さは高さだけで決まり、道すじにはよりません。 ヨハンの考え:球は光線だ ヨハンはすばらしいことを思いつきました。フェルマーは、光がある媒質から別の媒質に移るとき 最短時間の道 をとること、そしてそこからスネルの屈折の法則が出てくることを示していました。 $$\frac{\sin\alpha_1}{v_1}=\frac{\sin\alpha_2}{v_2}.$$ここで $\alpha$ は光線が鉛直となす角、$v$ はそれぞれの媒質での光の速さです。光もまた、できるだけ速く着きたいのです! そこでヨハンは、$A$ と $B$ のあいだの空間を、ガラス板のようなごく薄い水平の層に切り分けることを考えました。各層には下に行くほど大きくなる速さ $v=\sqrt{2gy}$ があります。層を通りぬける光線は、層ごとに折れ曲がります。層を無限に薄くすると光線はなめらかな曲線になり、スネルの法則がどの点でも成り立ちます。 $$\frac{\sin\alpha}{v}=\text{一定}.$$これが曲線の方程式です。$\alpha$ は接線が鉛直となす角なので $\sin\alpha=\dfrac{1}{\sqrt{1+y'^2}}$。$v=\sqrt{2gy}$ を代入して二乗すると、 $$\boxed{\ y\left(1+y'^2\right)=2a\ }$$となります。$a>0$ は定数です。 答え:サイクロイド ヨハンはこの方程式に見覚えがありました。サイクロイド、つまり直線の上を転がる車輪のふちの一点が描く曲線を、ここでは上下逆さにしたものです。半径 $a$ の車輪が角 $\theta$ だけ回ったとき、 $$x=a(\theta-\sin\theta),\qquad y=a(1-\cos\theta).$$確かめましょう。導関数を割ると $y'=\dfrac{\sin\theta}{1-\cos\theta}=\cot\dfrac\theta2$ で、$1-\cos\theta=2\sin^2\dfrac\theta2$ なので、