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微分方程式:アナグラムの法則、∂ と ∇

1676 年、イギリスのロバート・フックは、太陽を観測する器具ヘリオスコープについての本の終わりに、まだ明かしたくない発見のリストを載せました。その一つはこうでした。 $$\textit{ceiiinosssttuv}$$これはアナグラムでした。ラテン語の文の文字をばらばらにして、アルファベット順に並べたものです。ライバルに発見をわたさずに、先取権だけを記録しておく方法でした。二年後の 1678 年、フックはその文を明かします。ut tensio, sic vis、「のびのように、力も」。ばねはのばせばのばすほど、強く引きもどします。今日ではこれを四つの記号で書きます。 $$F=-kx.$$アナグラムは記法のちょうど反対で、隠すための書き方です。式は見せるためにつくられています。同じ法則が、一世紀あまりで一方の極からもう一方の極へ移ったのです。 答えが関数になる問い 質量 $m$ の物体をばねにつけ、引いて手をはなします。各時刻 $t$ に物体はどこにあるでしょうか。フックの法則とニュートンの法則 $F=m\cdot a$ を合わせ、加速度を位置の二階導関数として書くと、 $$m\,\frac{d^2x}{dt^2}=-k\,x$$が得られます。これが微分方程式です。はじめは奇妙に見えます。未知のものが数ではなく、関数、つまり各時刻の位置を教えてくれる規則 $x(t)$ だからです。このサイトの以前の記事は、この種の問いをなぞなぞのように出していました。「二階導関数に自分自身をたすとゼロになる関数 $h$ がある。それは何か。」答えはサインかコサインです。どちらも二回微分すると、符号が変わって自分にもどるからです。 $$\frac{d^2}{dt^2}\cos t=-\cos t.$$ばねの場合、解は $x(t)=A\cos(\omega t)+B\sin(\omega t)$、ただし $\omega=\sqrt{k/m}$ です。レオンハルト・オイラーは 1740 年代に、こうした方程式の家族全体を一度に解く方法を示し、関数についての問いを、ふつうの代数方程式に置きかえました。それができたのは、オイラーの $f(x)$ とライプニッツの $\frac{d}{dx}$ が、すでに関数とその導関数に名前を与えていたからです。関数どうしの方程式には、関数を対象としてあつかえる書き方が必要なのです。 単位も記号である $\omega=\sqrt{m/k}$ ではなく $\omega=\sqrt{k/m}$ が正しいと、どうしてわかるのでしょうか。単位によってです。定数 $k$ は長さあたりの力を測り、$\frac{\mathrm N}{\mathrm m}=\frac{\mathrm{kg}}{\mathrm s^2}$ です。それを質量でわると $\frac1{\mathrm s^2}$、根号をとると $\frac1{\mathrm s}$ になります。コサインの中で時間にかけられるものの単位として、ちょうどぴったりです。コサインの中身は単位のない数でなければならないからです。$\sqrt{m/k}$ なら秒になってしまい、$\cos(\text{秒}\cdot\text{秒})$ は意味をなしません。 この確かめ、次元解析は、1822 年にジョゼフ・フーリエが体系化し、ジェームズ・クラーク・マクスウェルがかぎかっこの書き方を広めました。質量は $[M]$、長さは $[L]$、時間は $[T]$。力は $[F]=[M][L][T]^{-2}$ になります。このサイトの以前の記事は、物理の入試問題の多くがこの方法だけで解けることをよく強調していました。記号論の観点から見ると、単位は数にくっついた二層目の記号であり、計算のためではなく確かめるための層です。単位が合わない式は、計算する前からまちがっているのです。 ∂ と竪琴 ある量が、気体の体積が温度 $T$ と圧力 $P$ に依存するように、同時にいくつもの量に依存するとき、ライプニッツの導関数にはことわり書きが必要になります。「$P$ を固定したまま、$T$ について微分する」。1786 年、フランスのアドリアン=マリ・ルジャンドルは、こうした偏導関数のために丸い $d$、$\partial$ を提案しましたが、すぐにやめてしまいました。1841 年、ドイツのカール・ヤコビがそれを復活させ、今度は定着しました。これを使うと、体積の全変化は

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ハミルトン、ギブズ、ヘヴィサイド:矢印の戦争

1843 年 10 月 16 日、アイルランドのウィリアム・ローワン・ハミルトンは、妻とダブリンのロイヤル運河ぞいを散歩しているとき、十五年も彼を苦しめていた問題を突然解きました。彼はポケットからナイフを取り出し、ブルーム橋の石に公式を刻みつけました。 $$i^2=j^2=k^2=ijk=-1.$$刻んだ跡はとうに消えましたが、今ではその場所に記念の銘板があり、毎年 10 月 16 日には数学者たちが橋まで歩きます。誕生がこれほどはっきり記録されている記法はめったにありません。 方向を指す数 ハミルトンの問題は、それ以前のある発見から来ていました。1797 年、ノルウェー・デンマークの測量技師カスパー・ヴェッセルは、複素数を平面上の方向として読めることを示しました。$-1$ をかけるのは回れ右($180^\circ$)、ヴェッセルが $\varepsilon$ と呼び今は $i$ と呼ぶ虚数単位をかけるのは四分の一回転($90^\circ$)です。そして二つの方向の積の角度は、角度の和になります。 $$i\cdot i=-1\quad\text{なぜなら}\quad 90^\circ+90^\circ=180^\circ.$$これは、角度で起きるネイピアの対数と同じ奇跡です。かけ算がたし算になるのです。ハミルトンは同じことを三次元の空間でやりたいと考えました。何年も三つの部分からなる数 $a+bi+cj$ で試みましたが、計算がどうしてもつじつまが合いませんでした。あの日、橋の上で見つけた答えは、四つの部分 $q=a+bi+cj+dk$ を受け入れ、さらに一見ばかげたこと、つまりかけ算の順番が意味をもつことを受け入れることでした。 $$ij=k,\qquad ji=-k.$$ガロアの表と同じ驚きが、今度は数で起きたのです。ハミルトンは自分の生みだしたものを四元数(quaternion)と呼びました。ラテン語の quaternio、「四つ組」から来ています。 スカラー、ベクトル、ヴァーサー ハミルトンは名前をつけるのがうまい人でした。1846 年の論文で、彼は四元数を二つの部分に分け、それぞれに名前をつけました。 代数的に実である部分は、スカラー部分、あるいは単に四元数のスカラーと呼ぶことができる。[……]代数的に虚である部分は、幾何学的には一本の直線で作られ、一般に空間の中で決まった長さと決まった方向をもつので、ベクトル部分、あるいは単に四元数のベクトルと呼ぶことができる。 — ウィリアム・ローワン・ハミルトン『フィロソフィカル・マガジン』(1846) スカラー(scalar)は scala(はしご、目盛りのついた定規)から来ていて、目盛りの上に記される数です。ベクトル(vector)は vehere(運ぶ)から来ていて、ある点を別の点へ「運ぶもの」です。のちにハミルトンは、のびちぢみせずに回転だけする四元数をヴァーサー(versor、vertere「回す」から)と呼びました。三つの言葉はどれも、四元数がすたれたあとも生き残りました。 記法の戦争 ハミルトンとスコットランド人の弟子ピーター・ガスリー・テイトは、物理学全体を四元数で書き直そうとしました。1860 年代に電気と磁気を統一しつつあったジェームズ・クラーク・マクスウェルは、興味をもって見ていましたが、疑いもいだいていました。電場を記述するには三つの部分 $bi+cj+dk$ で十分で、スカラー部分はじゃまになるだけだったのです。理論を発表した 1865 年の論文で、マクスウェルは電磁気の方程式を成分ごとに書きました。二十の未知数についての二十の方程式です。1873 年の『電気磁気論』では、四元数の記法を一部使いましたが、全面的には採用しませんでした。 二人の人物が、示し合わせることなく、同時にこの問題を解決しました。アメリカでは、物理学者ジョサイア・ウィラード・ギブズが 1881 年から 1884 年にかけて、学生のために自費で小冊子『ベクトル解析要論』を印刷しました。イギリスでは、すべてを独学で身につけた電信技師オリヴァー・ヘヴィサイドが、雑誌『エレクトリシャン』の誌面で同じことをしました。二人とも四元数のスカラー部分を捨ててベクトルだけを残し、それぞれ独自の記号をもつ二種類の積をつくりました。 $$\begin{aligned}\vec a\cdot\vec b&\quad\text{内積:数になる;}\\ \vec a\times\vec b&\quad\text{外積:ベクトルになる。}\end{aligned}$$この記法で、マクスウェルの二十の方程式は四つに収まりました。 $$\begin{aligned} \nabla\cdot\vec E&=\frac{\rho}{\varepsilon_0}, & \nabla\times\vec E&=-\frac{\partial\vec B}{\partial t},\\ \nabla\cdot\vec B&=0, & \nabla\times\vec B&=\mu_0\vec J+\mu_0\varepsilon_0\frac{\partial\vec E}{\partial t}. \end{aligned}$$おそらく物理学における生きた記法のいちばん劇的な例でしょう。内容はマクスウェルのものと同じですが、今では電場と磁場の対称性が一目でわかります。$\nabla\cdot$ をふくむ二つの式(左)と、$\nabla\times$ をふくむ二つの式(右)です。この対称性を見つめるところから、アインシュタインをふくむ 20 世紀はじめの物理学者たちは、相対性理論へつながる問いを立てはじめたのです。

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ガロアとケイリー:数でないものの代数

1832 年 5 月 30 日の未明、パリで、二十歳の青年が夜通し書きものをしていました。エヴァリスト・ガロアは夜明けに決闘の約束があり、おそらく生きのびられないとわかっていました。彼は友人オーギュスト・シュヴァリエに長い手紙を書き、科学アカデミーに退けられたり紛失されたりした自分の考えをまとめ、それをヤコビとガウスに見せてほしいと頼みました。「定理が正しいかどうかではなく、その重要性について」意見を求めてほしい、と。ある手稿の余白には、のちに有名になる一文を残しています。 この証明には補わなければならないところがある。私には時間がない。 — エヴァリスト・ガロア、手稿の余白の書きこみ(1832) ガロアは決闘で傷を負い、翌日亡くなりました。彼の論文は 1846 年になってようやくジョゼフ・リウヴィルによって出版され、理解されるまでにさらに何十年もかかりました。それは何世紀にもわたる問いに答えるものでした。2 次、3 次、4 次の方程式には二次方程式の解の公式のような累乗根を使った公式があるのに、5 次の方程式には一般にそれがないのはなぜか。26 歳で結核のため亡くなったノルウェーのニールス・ヘンリック・アーベルは、1824 年にすでに、5 次には一般的な公式が存在しないことを証明していました。ガロアはなぜなのかを説明し、そのために新しい考えを発明しました。群です。 動きの代数 ガロアの考えは、方程式より図で見るほうがわかりやすいでしょう。紙で正三角形を切りぬき、頂点に $1$、$2$、$3$ と番号をつけ、紙の上にその輪郭をかきます。三角形を持ち上げて、輪郭にぴったり戻す方法は何通りあるでしょうか。六通りです。そのまま置く、三分の一回転させる、三分の二回転させる、あるいは三本の対称軸のどれかを軸にして裏返す。 正三角形を輪郭に戻す六つの方法:そのまま、二つの回転、三つの裏返し。数字は、それぞれの頂点がどこへ行ったかを示す。このサイトの以前の記事をもとに、この本のために作成した説明図。 このサイトの以前の記事は、これらの動きを $M_1,\dots,M_6$ と呼び、「$M_j$ をしてから $M_i$ をする」ことを $M_i\star M_j$ と書いていました。二つの動きを続けて行うと、結果はいつも同じリストの中の三つ目の動きになります。これが、それらが群をなす理由です。組み合わせはすべて一つの表に収まり、サイトではそれを群の九九表と呼んでいました。 $$\begin{array}{c|cccccc} \star & M_1 & M_2 & M_3 & M_4 & M_5 & M_6\\ \hline M_1 & M_1 & M_2 & M_3 & M_4 & M_5 & M_6\\ M_2 & M_2 & M_3 & M_1 & M_5 & M_6 & M_4\\ M_3 & M_3 & M_1 & M_2 & M_6 & M_4 & M_5\\ M_4 & M_4 & M_6 & M_5 & M_1 & M_3 & M_2\\ M_5 & M_5 & M_4 & M_6 & M_2 & M_1 & M_3\\ M_6 & M_6 & M_5 & M_4 & M_3 & M_2 & M_1 \end{array}$$(行があとで行う動き、列が先に行う動きです。)記号論の観点から何が起きたかを見てください。三角形を回したり裏返したりという物理的な動きが記号になり、動きを組み合わせることが表を読むことになったのです。もう三角形を思い浮かべる必要はありません。表が仕事をしてくれます。

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コーシーと極限:無限に小さいものをどう書くか

このサイトの以前の記事は、この話題を一つの冗談から始めていました。二つの等しい数 $a=b$ をとり、害のなさそうな計算をしてみます。 $$\begin{aligned} a&=b\\ a^2&=ab\\ a^2-b^2&=ab-b^2\\ (a+b)(a-b)&=b(a-b)\\ a+b&=b\\ 2b&=b\\ 2&=1. \end{aligned}$$まちがいはどこでしょうか。四行目から五行目に移るとき、両辺を $a-b$ でわりました。でも $a=b$ なので $a-b=0$ で、ゼロでわってしまったのです。書き方が罪を隠しています。$a-b$ はふつうの数のように見え、最初の行を覚えている人だけが、それがゼロだと気づくのです。変装したゼロでのわり算は、数学者が不定形と呼ぶもの、有名な $\frac00$ のいちばん簡単な形です。 微積分が残した問題 ニュートンとライプニッツの微積分は、ゼロであると同時にゼロでない量に支えられていました。$x^2$ を微分するのに、ライプニッツは $\frac{(x+dx)^2-x^2}{dx}=2x+dx$ を計算し、それから $dx$ をゼロであるかのように「無視」しました。けれども $dx$ がゼロなら、二行前でそれでわることはできなかったはずです。うまくいくのに、なぜなのかだれにも説明できませんでした。 1734 年、アイルランドの主教ジョージ・バークリーは『解析家』という激しい攻撃文を出版しました。宗教的な信仰をあざ笑いながら、それよりはるかに奇妙なものを信じている「不信心な数学者たち」に向けたものです。 では、この流率とは何か。消えゆく増分の速さである。では、その消えゆく増分とは何か。それは有限の量でも、無限に小さい量でも、無でもない。それを死んだ量の亡霊と呼んではいけないだろうか。 — ジョージ・バークリー『解析家』(1734) バークリーは論理については正しく、微積分についてはまちがっていました。計算はうまくいっていました。欠けていたのは、それが何をしているのかを言う言語だったのです。 コーシー:到達せずに近づく その言語はフランスからやってきました。1821 年、オーギュスタン=ルイ・コーシーはエコール・ポリテクニークの『解析教程』を出版し、中心となる考えを言葉で定義しました。 同じ変数に次々と与えられる値が、ある固定された値に限りなく近づき、ついにはそれとの差を望むだけ小さくできるとき、その固定された値を、ほかのすべての値の極限と呼ぶ。 — オーギュスタン=ルイ・コーシー『解析教程』(1821) 秘密は「望むだけ小さく」にあります。$dx$ は決してゼロにはならず、いくらでも近くにとどまるのです。数十年後、ドイツのカール・ヴァイエルシュトラスはこの文を文字に置きかえました。どんなに小さくても、あらゆる誤差の幅 $\varepsilon>0$ に対して、近さを保証する距離 $\delta>0$ が存在する。これが有名な「イプシロン・デルタ」の定義で、今でも大学一年生を恐れさせています。 $$\begin{aligned}\lim_{x\to a}f(x)=L\iff{}&\forall\varepsilon>0\ \exists\delta>0:\\ &0<|x-a|<\delta\Rightarrow|f(x)-L|<\varepsilon.\end{aligned}$$記号 $\forall$(すべての)と $\exists$(存在する)に注目してください。論理学の記事でくわしく見ることになりますが、推論の書き方が微積分のために使われているのです。無限に小さいものは、ものであることをやめ、約束になりました。どんな $\varepsilon$ でもいい、言ってくれれば $\delta$ を見つけてみせる、という約束です。 lim、矢印、そしてそれらが隠すもの 記法にも時間がかかりました。1786 年、スイスのシモン・リュイリエが「極限」の略記としてピリオドつきの lim. を書きました。lim の下の小さな矢印 $x\to a$ が広まったのは 20 世紀のはじめで、おもにイギリスの G・H・ハーディの本『純粋数学教程』(1908)のおかげでした。最終的な書き方は、簡潔で生きています。

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オイラーと関数:規則に名前をつける

「現代の記法の建築家」という称号にふさわしい人がいるとすれば、それはレオンハルト・オイラーです。彼は歴史上のだれよりも多くのページの数学を書き、しかも読まれるために書きました。彼の本は教えるために使われ、彼が採用した約束ごとは本とともに広まりました。ずっと昔からあったように見える記号の多くが、彼の手を通っています。 レオンハルト・オイラー(1707–1783)。ヤーコプ・エマヌエル・ハントマンによる 1753 年の肖像画。ヤーコプ・エマヌエル・ハントマン · パブリックドメイン 1706ウィリアム・ジョーンズが、円周と直径の比に $\pi$ を使う。気づく人はほとんどいない。 1727ある手稿で、オイラーが対数が $1$ になる数を $e$ と呼ぶ。 1734オイラーが $f\!\left(\frac{x}{a}+c\right)$ と書く。関数の記法 $f(x)$ の誕生である。 1736『力学』で、オイラーがジョーンズの $\pi$ を採用する。『無限解析入門』(1748)によって、この記号は標準になる。 1755オイラーが和を表すのに $\Sigma$ を使う。 1777オイラーが $\sqrt{-1}$ に $i$ を使う。この文章が出版されたのは彼の死後だった。 これらの記号に共通しているのは、どれも説明を名前に変えているということです。オイラー以前には、関数について語るには規則を説明しなければなりませんでした(「$x$ を 2 乗して 1 をたしてできる量」)。$f(x)$ のあとでは、規則は短い名前をもち、名前はほかの計算の中に入っていけます。$f(x+h)-f(x)$、$f(g(x))$、$f'(x)$。関数は、かつて数をあつかったのと同じようにあつかえる対象になったのです。それぞれの記号について詳しくは、オイラーが残した言語を見てください。 関数、穴のあいた文 関数(function)という言葉は、ラテン語の functio から来ています。動詞 fungi は、任務を果たす、職務を行うという意味です。関数とは、何かをするものなのです。この記号が $f(x)$ にたどりつくまでには、ほぼ百年かかりました。 年 人物 関数の現れ方 1637 ルネ・デカルト 曲線と結びついた、$x$ と $y$ のあいだの方程式 1667 ジェームズ・グレゴリー quantitas、ほかの量から得られる量 1671 アイザック・ニュートン 流量、流れる量 1673 ライプニッツ functio という言葉 1718 ヨハン・ベルヌーイ かっこなしの $\varphi x$ 1734 レオンハルト・オイラー かっこつきの $f\!\left(\frac{x}{a}+c\right)$ 1837 ペーター・グスタフ・ルジューヌ・ディリクレ 現代の定義:それぞれの $x$ にただ一つの $y$ を対応させる、どんな規則でもよい このサイトの以前の記事は、関数のおもしろい読み方を提案していました。穴のあいた文として読むのです。「二倍する」関数は

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取りつくし法から積分へ:Σ、∫、そして π

長方形の面積を求めるのは簡単です。底辺かける高さ。三角形もそうです。その半分です。困るのは、図形が曲がっているときです。円を小さな正方形でしきつめようとしても、どうしてもはみ出すか足りない部分が出ます。二千年にわたって、数学者たちはこの問題に同じ考えで立ち向かいました。曲線を、どんどん小さくなるまっすぐな図形で近似するのです。変わったのは、その考えを書く方法でした。 かこいこまれた円とアルキメデス 紀元前 250 年ごろ、シラクサで、アルキメデスは円の内側に六角形を、外側にもう一つの六角形をかきました。円周の長さは二つの六角形の周の長さのあいだにあります。それから辺の数を倍にしていきました。$12$、$24$、$48$、$96$。96 角形で、彼は次の結果にたどりつきます。 $$3\tfrac{10}{71}<\pi<3\tfrac17,$$つまり $3.1408\ldots<\pi<3.1428\ldots$ です。17 世紀の数学者たちが取りつくし法と呼んだこの方法は、曲がった図形とまっすぐな図形のちがいを「取りつくし」ます。「極限」という言葉より二千年も前の、極限の考えです。けれどもアルキメデスには、それを書く方法がありませんでした。問題ごとに、文と図で書かれた新しい議論が必要で、無限への移行は二重の背理法によって避けられていたのです。 ソロモン王の鋳物の海 聖書は、ソロモンの神殿にあった巨大な青銅の水盤をこう描いています。「彼は鋳物の海を造った。縁から縁まで十キュビト、周囲は丸く……その周りを測るには三十キュビトの縄を要した」(列王記上 7 章 23 節)。直径 $10$、円周 $30$、つまり $\pi$ は $3$ です。このサイトの以前の記事は、この測定がまちがっているのかを論じていました。この数には、もっともな説明があります。縁には厚みがあり、縄は縁の内側を回っていたのかもしれず、寸法は丸められていたのです。青銅を注文する人にとっては、$3$ は十分に役立つ $\pi$でした。 数に名前を 何世紀ものあいだ、円周と直径の比には記号がなく、「直径にかけると円周になる量」と言葉で説明されていました。1706 年、ウェールズの教師ウィリアム・ジョーンズは、ギリシア語 periphéreia(周、まわり)の頭文字 $\pi$ を使いました。オイラーが自分の本でこの文字を採用し、それが標準になりました。名前を得たことで、この数の立場は変わりました。二つの長さの関係ではなくなり、たしたり、2 乗したり、$A=\pi r^2$ のような式の中に入れたりできる対象になったのです。 ケプラーとワイン樽 1613 年、ヨハネス・ケプラーは二度目の結婚をし、祝宴のためにワインを買いました。商人は樽の口から反対側の角まで棒をさしこみ、ぬれた長さを読んで樽の容積を測っていました。すでに惑星の運動の法則を発見していたケプラーは、この方法をあやしいと思いました。形のちがう樽が、同じ対角線で、ちがう容積をもつこともありうるからです。1615 年、彼は『ワイン樽の新しい立体測定』(Nova stereometria doliorum vinariorum)を出版し、樽をごく薄い切り身に切って、その体積をたし合わせました。 二十年後、イタリアのボナヴェントゥーラ・カヴァリエーリは、この考えを不可分者として体系化しました。平面図形は無限に多くの線でできていて、立体は無限に多くの面でできている、というのです。強力で、危険な考えでした。厚さゼロのものを無限にたし合わせると、何になるのでしょうか。 積分になる和 答えはライプニッツとともにやってきました。それは何よりもまず、書き方による答えでした。$a$ と $b$ のあいだで、曲線 $y=f(x)$ の下の領域を、幅 $\Delta x$ の $n$ 個の長方形に切ります。面積はおよそ $$A\approx f(x_1)\,\Delta x+f(x_2)\,\Delta x+\cdots+f(x_n)\,\Delta x=\sum_{k=1}^{n} f(x_k)\,\Delta x.$$長方形が細いほど、近似はよくなります。極限で、幅が $0$ に近づくとき、和は $$A=\int_a^b f(x)\,dx$$になります。二つの式を並べてみてください。構造は同じです。和の記号、高さ $f$、幅。変わるのは文字です。「和」(sum)の S にあたるギリシア文字 $\Sigma$ が、ラテン文字の $\int$、引きのばされたもう一つの S になります。「差」(difference)の D にあたるギリシア文字 $\Delta$ が、ラテン文字の $d$ になります。ギリシア文字は有限を、ラテン文字は無限に小さいものを示し、一方の世界から他方への移行が、アルファベットの交代そのものに描かれているのです。このサイトの以前の記事は、これを mirabilis abbreviatio と呼んでいました。積分の書き方は、自分がどこから来たかを覚えているのです。$\int f(x)\,dx$ を見る人には、高さ $f(x)$、幅 $dx$ の長方形がまだ見えます。

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ライプニッツ対ドット:生きた記法と不毛な記法

1675 年 10 月 29 日、パリで、ライプニッツは曲線の下の無限に多くの細い帯をたし合わせていて、和のたびに omnia(「すべて」)と書くのにうんざりしました。彼はノートにこう書きとめます。 Utile erit scribi ∫ pro omnia.(「すべて」のかわりに ∫ と書くと便利だろう。) — ライプニッツ、1675 年 10 月 29 日の手稿 $\int$ は、summa(和)の S を引きのばしたものです。二週間後、同じノートに、無限に小さな差を表す differentia(差)の $d$ が現れます。この二つの記号で、ライプニッツは微積分全体のための言語を手にしたのです。アイザック・ニュートンはその十年前にケンブリッジで同じ考えに達していましたが、書き方がちがいました。記号の形が、それで何ができるかをどう変えるのかを見るには、歴史上これ以上の例はありません。 アイザック・ニュートン(1643–1727):流率とドット。ゴドフリー・ネラー · Wikimedia Commons · パブリックドメイン ゴットフリート・ヴィルヘルム・ライプニッツ(1646–1716):微分と ∫。クリストフ・ベルンハルト・フランケ · Wikimedia Commons · パブリックドメイン 同じ考えの二つの書き方 ニュートンは、動く物体の位置のように、時間とともに流れる量を考えていました。その量を流量、その変化の速さを流率と呼び、流率を文字の上の点で表すようになりました。流量が $x$ なら流率は $\dot{x}$、流率の流率は $\ddot{x}$ です。 ライプニッツは、となりあう値どうしのごく小さな差を考えていました。$x$ の差は $dx$、$y$ の差は $dy$ で、変化率はその比 $\dfrac{dy}{dx}$ です。並べてみましょう。 言いたいこと ニュートン ライプニッツ $y$ の変化率 $\dot y$ $\dfrac{dy}{dx}$ 何についての? 時間(暗黙) $x$(明記) 二階導関数 $\ddot y$ $\dfrac{d^2y}{dx^2}$ 帯の和 定まった記号なし $\displaystyle\int y\,dx$ 連鎖律 規則を覚える $\dfrac{dz}{dx}=\dfrac{dz}{dy}\cdot\dfrac{dy}{dx}$ ニュートンのドットのほうが短いのはたしかです。けれども、それが何を隠しているかに注意してください。何について微分しているのか、という変数です。ニュートンにとってそれはいつも時間で、彼の物理学ではそれで正しかったのです。ある量が時間以外のものに、あるいは同時にいくつものものに依存するとき、ドットにはそれを言う場所がありません。

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ネイピアと対数:すばらしい省略

今では多くの生徒にとって、対数はおばけのようなものです。奇妙な言葉、どこからともなく現れる $\log$、そして覚えなければならない規則。17 世紀にはまったく逆でした。対数はヨーロッパの計算機であり、天文学者や航海者や会計係から何か月分もの仕事を取りのぞいてくれる道具だったのです。このサイトの以前の記事は、対数こそ mirabilis abbreviatio(すばらしい省略)のいちばん純粋な例だと書いていました。発明者自身も同じ意見でした。彼の本の題名は「すばらしい」という言葉で始まっているのです。 二列の数 その発想は、だれにでも書ける二列の数の中に、すでに隠れていました。 $$\begin{array}{c|cccccccccc} 2\text{ の累乗} & 1 & 2 & 4 & 8 & 16 & 32 & 64 & 128 & 256 & 512\\ \hline \text{指数} & 0 & 1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 & 7 & 8 & 9 \end{array}$$上の列から二つの数、たとえば $8$ と $64$ を選びます。その下の数を見ると $3$ と $6$。たすと $3+6=9$。上にもどって $9$ の列を見ると $512$。たしかに $8\times64=512$ です。上のかけ算が、下のたし算になったのです。ドイツのミヒャエル・シュティーフェルは、1544 年の『算術全書』ですでにこのことに気づいていました。わり算はひき算に、平方根は $2$ でわることになります。 問題は、シュティーフェルの表がすきまだらけなことです。$8$ と $16$ のあいだにも、$64$ と $128$ のあいだにも何もありません。$3.1416\times2.7183$ のようなどんな数でもこの技が使えるようにするには、ずっと細かい列で表をうめる必要がありました。

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+、−、×、=:記号の小さな歴史

数学でいちばん単純な記号は、いちばん若い記号でもあります。ユークリッドは $+$ を一度も書きませんでした。アル=フワーリズミーは $=$ を一度も書きませんでした。すでに文字を使っていたヴィエトでさえ、aequatur(等しい)を略さずに書いていました。子どもが小学校一年で習う演算記号のほとんどは、15 世紀末から 17 世紀末までの約二百年のあいだに、ヨーロッパで生まれたのです。 1489ヨハネス・ヴィトマンが、ライプツィヒの商業算術の本で $+$ と $-$ を印刷する。 1525クリストフ・ルドルフが、代数の本『コス』で平方根に $\surd$ を使う。 1557ロバート・レコードが『知恵の砥石』で $=$ を考案する。 1591フランソワ・ヴィエトが、既知の量にも未知の量にも文字を使う。 1631ウィリアム・オートレッドがかけ算に $\times$ を使う。同じ年、トマス・ハリオットの遺作が出版され、$<$ と $>$ が現れる。 1637ルネ・デカルトが累乗を指数で書く:$x^3$、$x^4$。 1659ヨハン・ラーンがわり算に $\div$ を使う。 1698ライプニッツが、$\times$ と文字 $x$ を混同しないよう、かけ算に点 $\cdot$ を提案する。 プラスとマイナス:倉庫の目印 $+$ と $-$ がはじめて印刷物に登場するのは 1489 年、ヨハネス・ヴィトマンが商人のために書いた算術の手引き書です。そこではまだ演算というより、超過と不足の目印でした。商品の箱が決められた重さより重ければ $+$、軽ければ $-$ と書かれたのです。もっとも有力な説は、$+$ がラテン語の et(「と」)の略記で、急いで書くうちに十字になった、というものです。 それ以前のイタリアでは、$\bar{p}$(plus)と $\bar{m}$(minus)と書いていました。上に線を引いたこれらの文字は、ドイツの記号と百年以上も共存しました。 等号:双子の平行線 ロバート・レコードはロンドンの医師で、ほとんどすべてがラテン語で書かれていた時代に、英語で数学の本を書いていました。1557 年、『知恵の砥石』(The Whetstone of Witte)の中で、毎行 is equalle to(は等しい)と書くのにうんざりした彼は、こう説明しています。 『知恵の砥石』(1557)で、レコードが等号を紹介している箇所。平行線の長さに注目。ロバート・レコード · Wikimedia Commons · パブリックドメイン 「は等しい」という言葉を何度も繰り返すわずらわしさを避けるため、私は仕事でよくやるように、一組の平行線、つまり同じ長さの双子の線を、このように置くことにする:═══。二つのものが、これ以上等しくあることはできないのだから。 — ロバート・レコード『知恵の砥石』(1557) レコードの理由は記号論的な理由であり、しかもよい理由です。この記号は、それが表すものに似ているのです。まったく同じ二本の線が、等しさという考えそのものを描いています。彼はすぐあとに、新しい記号を使った最初の方程式を書いています。 等号を使った最初の方程式。今なら 14x + 15 = 71 と書く。14 のすぐあとの記号は、レコードが未知数(「根」)を表すのに使った記号で、ϑ はふつうの数を示す。ロバート・レコード、1557 · Wikimedia Commons · パブリックドメイン レコードの記号が勝つまでには長い時間がかかりました。八十年後のデカルトもまだ別の記号を使っていましたし、大陸では $=$ が差や平行を表すのに使われたこともありました。ライプニッツとその追随者たちが採用した 1700 年ごろになって、ようやく標準になったのです。

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言葉から文字へ:代数が書き方を覚える

820 年ごろのバグダードで、ムハンマド・イブン・ムーサー・アル=フワーリズミーは、カリフ・マームーンの大図書館「知恵の館」で働いていました。そこで彼は、『復元と対消による計算の簡潔な書』という長い題の本を書きます。「復元」はアラビア語で al-jabr。この言葉から代数(algebra)が生まれました。 al-jabr と al-muqābala についてのアル=フワーリズミーの本の、写本の冒頭ページ。アル=フワーリズミー · Wikimedia Commons · パブリックドメイン この本には、記号が一つもありません。$x$ も $+$ も $=$ もありません。数さえ言葉で書かれています。いちばん有名な問題の一つは次のとおりです。 平方とその根の十倍が、三十九ディルハムに等しい。根の数の半分をとると五。それを自分自身にかけると二十五。それを三十九に加えると六十四。その根をとると八。そこから根の数の半分、つまり五を引く。三が残る。これが求める平方の根である。 — アル=フワーリズミー、820 年ごろ(意訳) 今なら、この問題を $x^2+10x=39$、答えを $x=3$ と書くでしょう。アル=フワーリズミーの手順は、まさに私たちが平方完成と呼ぶもので、彼はそれを図で正当化しました。一辺 $x$ の正方形に $5\times x$ の長方形を二つくっつけ、そこに $5\times5$ の小さな正方形を足すと、一辺 $x+5$、面積 $39+25=64$ の大きな正方形ができる、というものです。 アル=フワーリズミーの図:一辺 $x$ の正方形と $5\times x$ の長方形二つの和が $39$。面積 $25$ の小さな正方形を加えると、面積 $64$、一辺 $8$ の正方形が完成する。このサイトの以前の記事をもとに、この本のために作成した説明図。 このような書き方を修辞的代数と呼びます。すべてを文で書くのです。これでもうまくいきますが、代償があります。どの問題も、特定の数をもつ小さな物語として語られ、同じ手順がほかの数でも使えることに読者が自分で気づかなければなりません。一般的な規則は、例の中に隠れているのです。 略すこと:省略代数 それよりずっと前、3 世紀のアレクサンドリアで、ディオファントスは別の方向に一歩をふみ出していました。彼は『算術』の中で、未知数に $\varsigma$ に似た文字を、その平方に $\Delta^{\Upsilon}$(dýnamis、累乗から)を、立方に $K^{\Upsilon}$(kýbos、立方体から)を使いました。引き算には、さかさまの矢じりのような記号を使いました。$x^3-2x^2+10x-1$ のような式は、おおよそ次のようになります。

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正弦・直角をはさむ辺・斜辺:三角法と失われた名前

ほとんどの生徒は、「サイン」「コサイン」「斜辺」といった言葉の意味を知らないまま使えるようになります。知らない町の通りの名前のように、覚えるためのラベルです。けれども、どの言葉もかつては何かを説明していて、なかには思いがけない物語を隠しているものもあります。たとえばサインは、うまくいかなかった翻訳の産物なのです。 ラテン語のピタゴラス 幾何学でいちばん有名な定理は、長いあいだ、三角形の辺の上にかかれた本物の正方形についての文でした。このサイトの以前の記事は、それを中世風にこう書いていました。 $$\textit{quadratum lateris } a \textit{ et quadratum lateris } b \textit{ aequalis quadratum lateris } c,$$「辺 $a$ の正方形と辺 $b$ の正方形は、辺 $c$ の正方形に等しい」。辺が $3$、$4$、$5$ なら、正方形の面積は $9$、$16$、$25$ で、たしかに $9+16=25$ です。$6$、$8$、$10$ なら $36+64=100$。今日では $$a^2+b^2=c^2$$と書きます。指数 $^2$ は、その呼び名「2 乗」(英語では squared、正方形にする)に、自分が出てきた図をまだ宿しています。この定理はギリシアだけのものではありません。紀元前 1800 年ごろのバビロニアの粘土板「プリンプトン 322」は、この関係をみたす数の組を並べていますし、中国の『周髀算経』は「勾股」と呼ばれる図で $3$、$4$、$5$ の場合を示しています。勾と股は、中国語での短い二辺の名前です。 カテトスとヒュポテヌーサ ヨーロッパの言語では、直角三角形の辺の名前はギリシア語から来ていて、位置を説明するものでした。直角をはさむ辺を表す cathetus は káthetos「垂れ下がるもの」から来ていて、大工のおもりの糸(下げ振り)を指す言葉でもあります。もう一方の辺に対して垂直に落ちる辺なのです。斜辺 hypotenuse は hypoteínousa「下にはりわたされたもの」から来ていて、直角の下を端から端まで、弓の弦のようにのびる辺です。 これらの名前は言葉によるイコンで、それぞれの辺がどこにあるかを言っていました。ラベルになったとき、絵は失われました。ギリシア語がわかる人には「斜辺はいちばん長い辺」はほとんど当たり前ですが、言葉を覚えただけの人には、また一つの規則にすぎません。日本語の「斜辺」も、ななめの辺という絵を残しています。 正三角形と特別な角 学校で覚えさせられるサインやコサインの値、$\frac12$、$\frac{\sqrt3}{2}$、$\frac{\sqrt2}{2}$ などは、二つの図から出てきます。一辺 $a$ の正三角形を高さ $h$ で半分に切ると、角が $30^\circ$、$60^\circ$、$90^\circ$ で、斜辺が $a$、一つの辺が $\frac a2$ の直角三角形が二つできます。ピタゴラスの定理から $$h^2+\left(\frac a2\right)^2=a^2\quad\Longrightarrow\quad h^2=\frac{3a^2}{4}\quad\Longrightarrow\quad h=\frac{a}{2}\sqrt3.$$斜辺を $1$ とすると、$30^\circ$ の向かいの辺は $\frac12$、$60^\circ$ の向かいの辺は $\frac{\sqrt3}2$ です。正方形を対角線で切れば $45^\circ$ が現れ、二辺はどちらも $\frac{\sqrt2}2$ です。覚えさせられる表は、二つの図を読んだものにすぎないのです。

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ユークリッド:図と証明

紀元前 300 年ごろ、アレクサンドリアで、ユークリッドはギリシアの幾何学を十三巻にまとめました。『原論』です。二千年以上にわたって世界でもっとも読まれた数学書であり、その最初の命題が、この本の進め方をよく示しています。 与えられた有限の直線の上に、正三角形を作図すること。 — ユークリッド『原論』第 1 巻命題 1 手順は短いものです。与えられた線分を $AB$ とします。$A$ を中心、$AB$ を半径として円をかき、$B$ を中心、同じ半径でもう一つの円をかきます。二つの円が交わる点の一つを $C$ とします。すると $AC=AB$ です。どちらも最初の円の半径だからです。また $BC=AB$ です。どちらも二つ目の円の半径だからです。同じものに等しいものどうしは互いに等しいので、$AC=BC=AB$ となり、三角形 $ABC$ は正三角形です。 ここでの書き方に注目してください。演算の記号も、方程式も、$x$ もありません。あるのは言葉と図、そしてその二つを結ぶ文字です。文中の $C$ という文字は、図の中の特定の点を指しています。それがなければ「二つの円が交わる点の、上のほう」と言わなければなりません。ユークリッドの文字は、数学における最初のラベルなのです。 図は見せ、文章が証明する ユークリッドの図は、いつも特定の図です。この角度、この大きさ、紙の上でこの傾きをもった三角形です。けれども命題はどんな線分 $AB$ についても成り立ちます。特定の図が、どうして一般的な主張を支えられるのでしょうか。 ギリシア人の答えは、支えられない、というものでした。証明するのは文章であり、定義と公準だけを使って一歩ずつ進みます。図は目を導き、迷わないようにしてくれますが、証明のどの文も「図から明らかなように」とは言いません。図が、文章でまだ正当化されていないことを示しているように見えたら、読者には疑う権利があります。 あとで使う例を見てみましょう。三角形の中線は、頂点と、向かい合う辺の中点を結ぶ線分です。好きな三角形をかいて中線を一本引くと、三角形が面積の等しい二つの部分に分けられているように見えます。 中線は頂点と向かい合う辺の中点を結ぶ。二つの三角形は底辺が等しく、高さも同じである。この本のために作成した説明図。 「見える」だけでは足りません。証明はこうです。できた二つの三角形は底辺が等しく(切られた辺の二つの半分)、高さが同じです(頂点から底辺をふくむ直線までの距離は、どちらにとっても同じ)。三角形の面積は底辺かける高さの半分なので、面積は等しくなります。この証明が図のどんな測定にも頼っていないことに注意してください。背の高い三角形でも、平たい三角形でも、いびつな三角形でも、同じように成り立ちます。 すべての三角形は二等辺三角形? イギリスの数学者 W・W・ラウズ・ボールが 1892 年に広めた、すべての三角形には等しい二辺がある、という有名な「証明」があります。どの段階も正しく見え、添えられた図も説得力があります。誤りは図にあります。ある交点を三角形の内側においているのですが、実際にはその点はいつも外側に落ちるのです。図を信じる人はわなにかかり、すべての位置を文章で正当化するよう求める人はわなを逃れます。ユークリッドの教訓を裏返しにしたような話です。 文字のないユークリッド 1847 年、アイルランドの技師オリヴァー・バーンは、『原論』の最初の六巻を大胆な発想で出版しました。文字を色に置きかえたのです。「角 $ABC$ は角 $DEF$ に等しい」と書くかわりに、バーンは小さな赤い角、等号、そしてもう一つの赤い角をかきました。文章はほとんど消え、証明は色つきの図の連続になります。 この本は美しく、今でも芸術作品として復刻されています。けれども、数学を書く方法としては定着しませんでした。色の印刷は高価で、白黒の複写では消えてしまい、何よりも規模を広げられなかったのです。図に二十の点があったら、二十の色合いを見分けられる人はいません。色の横では貧しく見えたユークリッドの文字のほうが、生きた記法でした。組み合わせることができ($AB$、$ABC$)、ほかの命題でも使い回せ、声に出して読むこともできたからです。 証明には向くが、計算には向かない ギリシアの幾何学は、今なら代数と呼ぶものまで、すべてを言葉と図で行っていました。私たちが $(a+b)^2=a^2+2ab+b^2$ と書く恒等式は、『原論』(第 2 巻命題 4)ではこうなっています。「線分を任意に分けるとき、全体の上の正方形は、各部分の上の正方形と、各部分にはさまれた長方形の二倍との和に等しい。」正しく、証明もされていますが、計算に使うのはとても難しいのです。 これが、この章が次に越える境界です。ギリシアの書き方は、なぜそれが正しいのかを示すには優れていましたが、未知の量をあつかうには重すぎました。問題がそうしたあつかいを求めるようになったとき、数学には別の書き方が必要になったのです。 練習問題:座標で見る中線頂点が $A=(0,0)$、$B=(6,0)$、$C=(1,4)$ の三角形を考えます。$AB$ の中点は $M=(3,0)$ です。三角形 $AMC$ は底辺 $AM=3$、高さ $4$($C$ の $y$ 座標)なので、面積は $\frac{3\cdot4}{2}=6$。三角形 $MBC$ は底辺 $MB=3$、高さは同じく $4$ なので、面積も $6$ です。三角形全体の面積は $\frac{6\cdot 4}{2}=12$。$C$ が大きく左に寄っていても、中線は面積をちょうど半分にしました。