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カール・フリードリヒ・ガウスの生涯

タイムライン 177730 4 月、ブラウンシュヴァイクで、庭師とレンガ職人の息子として生まれました。 1786およそ9年、学校での1から100秒の合計。 1791カール・ヴィルヘルム・フェルディナンド公爵が学費を払い始める。 1795ゲッティンゲン大学に入学します。 17963 月 30 では、辺が 17 の正多角形を作成する方法を学びます。数学日記を始めましょう。 1799ヘルムシュテットから代数学の基本定理の証明で博士号を取得。 1801算術計算書を出版し、 準惑星ケレスの軌道を計算します。 1807彼はゲッティンゲン天文台の所長となり、死ぬまでそこに留まりました。 1809最小二乗法と正規曲線を使用したテオリア モートゥスを公開。 1818三角形を使用してハノーバー王国の計測を開始します。 1821 では、彼はヘリオトロープを発明しました。 1827曲面の曲率に関する定理エグレギウムを出版。 1833彼はヴィルヘルム・ウェーバーとともに最初の電気電信機の 1 つを設立しました。 185523 2 月、ゲッティンゲンで死去。 ◀ 前へ 旅をたどる 次へ ▶ 1777–1795 ブラウンシュヴァイク庭師で石工の息子。学校で 1 から 100 までの和を数秒で求める。カール・ヴィルヘルム・フェルディナント公が学費を出すようになる。 1795–1798 ゲッティンゲン大学で学ぶ。1796 年 3 月 30 日、正十七角形の作図法を発見し、日記をつけ始める。 1799 ヘルムシュテット代数学の基本定理の証明で博士号を得る。 1799–1807 ブラウンシュヴァイク『整数論』(1801)を出版し、ケレスの軌道を計算する。ここで「ルブラン氏」からの手紙を受け取る。 1807–1855 ゲッティンゲン天文台五十年近く天文台を率いる。三角測量でハノーファー王国を測り、驚異の定理を発表し、ヴェーバーと電信を作る。1855 年に亡くなる。 地図を見るには JavaScript を有効にしてください。各地点は下の一覧にあります。 ガウスはほとんど旅をしなかった。生涯をブラウンシュヴァイクとゲッティンゲンを中心とする百キロの範囲で過ごした。 地図:© OpenStreetMap 協力者

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17 角形の多角形

ギリシャ人以来、定規とコンパスを使って3、4、5、15の辺を持つ正多角形を作成する方法が知られていました。 そこから出てくるものはすべて辺の数を 2 倍にします (6、8、10、12…)。 2000 年間、誰も次のものを見つけることができませんでした。 ガウスは、$n$ 辺の多角形を構築することは、次を使用して $\cos\frac{2\pi}{n}$ を計算することと同じであることを示しました。 整数と四則演算と平方根のみです。そして定規とコンパスは根を張る方法を知っている 正方形: それはまさに、の章で見た構造です。 [デカルト](/jp/posts/historia/descartes/)。 17 面について、彼は到達しました $$\begin{aligned} \cos\frac{2\pi}{17} = {} & \frac{-1 + \sqrt{17} + \sqrt{34 - 2\sqrt{17}}}{16} \\ & + \frac{1}{8}\sqrt{17 + 3\sqrt{17} - \sqrt{34 - 2\sqrt{17}} - 2\sqrt{34 + 2\sqrt{17}}} \\ \approx {} & 0{,}93247. \end{aligned}$$ 平方根だけがあり、一方がもう一方の中にあります。したがって、辺が17の多角形を構築できます。 法則とは何ですか? ガウスは、$n$ が次のとき、$n$ 辺の多角形が構築できることを発見しました。 2 乗の異なるフェルマー素数: $2^{2^k} + 1$ の形式の素数。 3、5、17、257、65 537。これらは、この章のフェルマー数と同じです。 オイラー、次の $2^{32}+1$ が素数ではないことが示されました。 1837では、 ピエール ヴァンツェルは、これ以外の多角形は構築できないことを証明しました。 辺の数をお選びください。緑: 定規とコンパスを使って構築できます。レッド:そんなわけないよ。 このインタラクティブな図形を表示するには、JavaScriptを有効にしてください。

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時計演算

今が 15 時なら、10 時間後は何時になりますか? 「25 h」ではなく、1 am: 時計通り、 24 の後、カウントが再び開始されます。ガウスは論争の中でこの考えに名前と象徴を与えました。 $$25 \equiv 1 \pmod{24}$$ 「25 は、24 を法として、1 と合同です」と書かれています。24 で割ったとき、どちらも同じ余りが残ります。シンボル $\equiv$ は等号とほぼ同じように機能し、両側で加算と乗算ができます。 アプリケーション: ナインズアウト。 $10 = 9 + 1$ として、$10 \equiv 1 \pmod 9$ があり、次に $100 \equiv 1$、$1000 \equiv 1$など。それが理由です: ナインズアウトが機能する理由 (クリックして次へ) 小数点以下の数値を入力します: $4528 = 4 \cdot 1000 + 5 \cdot 100 + 2 \cdot 10 + 8$。 10 の各べき乗を 1 に置き換えます。これは、9 で割ったときの余りが同じになります: $4528 \equiv 4 + 5 + 2 + 8 = 19 \pmod 9$。 19: $19 \equiv 1 + 9 = 10 \equiv 1 + 0 = 1 \pmod 9$ と繰り返します。 結論:4528は9で割ると余りが1となります。 $4528 = 9 \cdot 503 + 1$にチェックを入れてください。 任意の数値を入力します。数字の合計を 1 つだけ残るまで繰り返し、9 で割った余りが得られます。 このインタラクティブな図形を表示するには、JavaScriptを有効にしてください。

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代数学の基本定理

ガウスは博士論文の1799で、 次の条件を満たす限り、 次数$n$ のすべての多項式には根が$n$ あることを証明しました。 複素数も受け入れられます。たとえば、$x^2 + 1 = 0$ には実際の解決策はありませんが、2 つの複雑な解決策があります。 $$x^2 + 1 = (x - i)(x + i).$$ ガウスはまた、 複素数を平面上の点として描く方法を普及させました。 複合: $a + bi$ は点 $(a, b)$ です。ノルウェー人のカスパー・ヴェッセル (1797) とスイス人のジャン・ロベール・アルガン (1806) も同じ考えを持っていましたが、彼らの作品を読んだ人はほとんどいませんでした。ガウスの名声は、 1831さん、絵を拡散していただきました。そのためアルガンド・ ガウス平面とも呼ばれます。そして、17 の辺を持つ多角形との素晴らしい接続が表示されます。の $x^3 = 1$ の 3 つの根は $$1, \qquad -\frac{1}{2} + \frac{\sqrt{3}}{2}\,i, \qquad -\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{3}}{2}\,i,$$ 平面上では半径1 の円に内接する正三角形 の頂点になります。同じ ちなみに、$x^{17} = 1$ の 17 ルートは、17 辺の多角形の頂点です。この方程式を勉強しました ガウスが建設現場に到着したこと。 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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統計学のなかの魔女:コーシー分布

1799 年に亡くなったアニェージは、自分の曲線が幾何学から遠く離れたところで第二の人生を送るとは思いもしなかっただろう。十九世紀、この曲線は確率論のなかに、統計学でもっとも油断のならない例のひとつとして再び現れた。 確率密度 曲線の下の面積で見たように、$y = \frac{1}{1 + x^2}$ の下の面積全体は $\pi$ である。$\pi$ で割ると面積は 1 になり、曲線は確率密度になる。 $$f(x) = \frac{1}{\pi(1 + x^2)}.$$これがコーシー分布である。一回の抽出が $c$ と $d$ のあいだに入る確率は、その区間での曲線の下の面積 $\frac{1}{\pi}(\arctan d - \arctan c)$ に等しい。描いてみると正規曲線によく似ている。ゼロを中心とする左右対称の釣鐘である。違いはすそにある。正規分布は $e^{-x^2/2}$ のように減り、その速さのせいで巨大な値はほとんど出てこない。アニェージの曲線は $\frac{1}{x^2}$ のようにしか減らない。 存在しない平均 この違いが驚くべき結果を生む。分布の平均は $x\,f(x)$ の積分である。コーシー分布では、正の側の積分は $$\int_0^{X} \frac{x}{\pi(1 + x^2)}\,dx = \frac{1}{2\pi}\ln(1 + X^2)$$で、$X$ が大きくなると限りなく大きくなる。負の側も反対向きに同じことになり、計算は「無限大ひく無限大」になる。この分布には平均がないのである。分散もない。 実際には、何回抽出してもその平均が落ち着かないということだ。平均と分散が有限であることを必要とする大数の法則も中心極限定理も、ここではまったく使えない。さらに悪いことに、$n$ 回のコーシー抽出の平均は、一回の抽出とまったく同じ分布をもつことが証明できる。データを集めても何の助けにもならないのである。 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。 一方、中央値はとてもよく機能する。面積の半分はゼロの左に、半分は右にあり、多くの抽出の中央値はゼロに近づく。だから統計学者はアニェージの曲線を警告として使う。平均を計算する前に、データのすそが軽いか重いかを知っておくべきだ、というわけである。 ポアソン、コーシー、そして物理学 この問題に最初に気づいたのはシメオン=ドニ・ポアソンで、1824 年にこの分布をラプラスの誤差論への反例として使った。名前は、1853 年にイレネ=ジュール・ビエネメと最小二乗法をめぐって論争したときにこれを論じた、オーギュスタン=ルイ・コーシーに由来する。 物理学では、同じ曲線がヘンドリック・ローレンツにちなんだローレンツ型という別の名前で現れる。原子や分子のスペクトル線の形、共鳴の近くでの振動子の応答、そして素粒子物理学では不安定な粒子を示すピークの形(ブライト=ウィグナーの公式)を表す。何かが振動しながら少しずつエネルギーを失うところでは、アニェージの魔女が顔を出しやすいのである。 浜辺の灯台 コーシー分布がどこから現れうるかを示す古典的な例がある。まっすぐな浜辺から 1 km のところに灯台があり、回転しながら、どの角度も同じ確率で、でたらめな方向に光のパルスを出す。浜辺に届いたパルスの着地点は、ちょうどコーシー分布に従う。角度が 90° に近づくと、パルスは浜辺のはるか遠くに届く。平均が存在しないのは、こうしたまれな遠い点のせいである。 練習:四分位点コーシー分布からの一回の抽出が $-1$ と $1$ のあいだに入る確率はいくらか。 $\frac{1}{\pi}(\arctan 1 - \arctan(-1)) = \frac{1}{\pi}\cdot\frac{\pi}{2} = \frac{1}{2}$。抽出の半分が $-1$ と $1$ のあいだに入る。これが分布の四分位点である。標準正規分布では、半分が $-0.674$ と $0.674$ のあいだに入る。コーシー分布は中央でもいくらか「広がって」おり、すそではずっと広がっている。

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セレスと最小二乗法

1801 年 1 月 1 日、天文学者ジュゼッペ ピアッツィはパレルモで、動く小さな点を発見しました。 星々の中では、 それは今日準惑星に分類されているケレスでした。ピアッツィは41日間彼に同行しました。 太陽のまぶしさに消えるまで。観測が非常に少ないため、誰も軌道を計算する方法を知りませんでした。 永遠に失われたようだった。 ガウスは 24 歳で、新しい方法を作成し、数週間で軌道を計算しました。 31の夜に 1801 12 月、天文学者フランツ・フォン・ザッハがガウスが示した場所に望遠鏡を向けると、そこにありました。 セレス。 1801 年をアニメーション化します。ケレスが観察され、太陽の後ろに消え、年の最後の日に再び発見されます。 「ガウス予測」をクリックすると、計算された軌道が表示されます。 このインタラクティブな図形を表示するには、JavaScriptを有効にしてください。 Theoria motus corporum coelestium (1809)。ガウスがその方法を説明しました。パブリックドメイン その秘密の一つは測定誤差への対応にありました。すべての観測には小さな誤差が含まれます。測ったら 同じことを何度か行って異なる値が見つかった場合、どの数値を選択すればよいでしょうか? ガウスの答えは、 誤差の二乗和が最小となる数字$c$です。測定あり $x_1, x_2, \ldots, x_n$、合計は $$S(c) = (x_1 - c)^2 + (x_2 - c)^2 + \cdots + (x_n - c)^2.$$ 四角形を開くと、$c$ に 2 次関数が表示されます。 $$S(c) = n\,c^2 - 2\left(x_1 + x_2 + \cdots + x_n\right) c + \left(x_1^2 + x_2^2 + \cdots + x_n^2\right).$$ グラフは口を上に向けた放物線であり、最も低い点が頂点になります。 $c = -\frac{b}{2a}$:

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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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正規曲線、ガウスの鐘

測定誤差がランダムである場合、誤差はどのように分布するのでしょうか? Theoria motus では、ガウスはアイデアから始めました。 平均が最良の推定値であることがわかり、誤差曲線の形状に到達しました。 $$f(x) = \frac{1}{\sigma\sqrt{2\pi}}\, e^{-\frac{(x - \mu)^2}{2\sigma^2}},$$ ここで、$\mu$ は平均値、$\sigma$ は標準偏差です。それは正規曲線、 またはガウスベルです。 中程度、対称的で、平均から離れるにつれて低くなります。それは高みからどこにでも現れます。 機械のエラーに人を巻き込む。 ベルが上昇する様子を美しく見るのは、1873 でフランシス ゴルトンが発明したゴルトン マシンです。 ビー玉はグリッドのペグを通って落ち、各ペグで同じように左または右に移動します。 チャンス。ほとんどは中央付近で終わりますが、端まで到達するものはほとんどありません。 ビー玉を落として、ガウスベルが現れるのを見てください。ボールが数個あるだけで、すべてが台無しになります。何百もあると、形が単独で現れます。 このインタラクティブな図形を表示するには、JavaScriptを有効にしてください。 正規曲線の場合、68-95-99,7 のルールが適用されます。 値の約 68% は平均値から最大 1 標準偏差です。 約 95% は最大 2 標準偏差離れています。 約 99,7% は最大 3 標準偏差離れています。 その後間もなく、ベルギーのアドルフ・ケトレは正規曲線を使用して人々の身長、体重、 出生数、死亡数、収入はガウスの鐘にほぼ従った。 10 ドイツ マルク紙幣 (1989 ~ 2001): ゲッティンゲンの建物の隣にあるガウス、正規曲線と公式。オイラーの目コレクション 紙幣の鐘 1989から2001まで、10ドイツマルク紙幣にはガウスの顔、公式と曲線の描画が描かれていました 普通の。フランス人のアブラアン・ド・モアブルがすでに 1733 でこの曲線を発見していたことは言及する価値がありますが、それは 彼女を有名にした測定誤差におけるガウスの研究。による投稿も参照してください 統計の概念. すべてのトピックはカール・フリードリッヒ・ガウスによる · ← セレスと最小二乗法 · エグレギウムの定理と曲率→

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エグレギウムの定理と曲率

ハノーバーを測定しながら、ガウスは曲がった地球の地図を作成する方法についてよく考えました。 1827で公開されました 彼はその結果をエグレジウム定理と呼び、「注目すべき定理」と呼びました。 曲面の曲率は次のとおりです。 外から見に行くことなく、その中に住んでいる人によって測定されます。 結果: 平面内では、三角形の角度の合計は 180° になります。球体ではそれらを合計するとさらに多くになります。取ってください 1 つの頂点が北極にあり、他の 2 つの頂点が赤道にある三角形: 赤道の2つの角は直角です。 90° を極として、三角形には 3 つの直角があります: 270°。 このインタラクティブな図形を表示するには、JavaScriptを有効にしてください。 子午線は赤道を直角に切っているため、赤道の 2 つの角度は 90° になります。を追加すると、 極の角度 $\alpha$: $$90° + 90° + \alpha = 180° + \alpha.$$ 180°以上は三角形の面積に比例し、表面が曲面であることを示します。だからこそ 完璧な地球の平面図は存在しません。距離、角度、面積には常に歪みが生じます。 ピザのトリック ピザのスライスを先端が落ちないように食べるために、スライスを半分に折りたたむことに気づいたことがありますか?それは 定理エグレギウムが作動中。スライスは最初は平ら (曲率ゼロ) であり、両方向に湾曲させることはできません。 同時に。片側を曲げると反対側が硬くなり、先端が抜けなくなります。 ガウスはまた、ユークリッドの平行公準が存在しない幾何学が存在する可能性があることにも気づきました。 価値がある。しかし彼は何も公表しなかった。1829からの手紙の中で、彼は「ボイオティア人の叫び声」、つまりそうしなかった人々の叫びを恐れていると述べた。 分かるだろう。非ユークリッド幾何学は、最終的にロバチェフスキーとヤノス・ボリャイによって出版されました。 すべてのトピックはカール・フリードリッヒ・ガウスによる · ← 正規曲線、ガウスベル · 連立方程式: 行列式とガウス消去法 → 画像のクレジットと出典.