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用尺规等分双纽线

1694 年,雅各布·伯努利研究了一条形如横躺的数字 8 的曲线,称之为 lemniscus,意思是蝴蝶结丝带。以点 $(\pm\frac1{\sqrt2},0)$ 为焦点,它是到两个焦点距离之积等于 $\frac12$ 的点的集合。它的方程是 $$(x^2+y^2)^2=x^2-y^2,$$用极坐标表示则是 $r^2=\cos2\theta$。一个半世纪之后,阿贝尔证明了一个关于它的定理,像是从欧几里得的书里走出来的:对于哪些数 $n$,可以只用尺规把双纽线分成 $n$ 段等长的弧? 伯努利双纽线 r² = cos 2θ,七个点把它分成八段等长的弧。曲线两次经过中心。Euler’s Eyes 绘图 弧长 首先,曲线的一段有多长?在极坐标中,一小段弧满足 $ds^2=dr^2+r^2\,d\theta^2$。对 $r^2=\cos2\theta$ 求导, $$2r\,dr=-2\sin2\theta\,d\theta,\qquad\sin2\theta=\sqrt{1-\cos^22\theta}=\sqrt{1-r^4},$$所以 $d\theta=-\dfrac{r\,dr}{\sqrt{1-r^4}}$,并且 $$ds^2=dr^2+\frac{r^4\,dr^2}{1-r^4}=\frac{dr^2}{1-r^4}.$$于是,从中心到距中心为 $r$ 的点的弧长是 $$\boxed{s=\int_0^r\frac{dt}{\sqrt{1-t^4}}.}$$这就是双纽线积分,也就是定义双纽线正弦的那个积分。换句话说:双纽线上沿弧距中心为 $s$ 的点,到中心的距离是 $\operatorname{sl}(s)$。双纽线正弦之于双纽线,正如正弦之于圆。从中心到顶端的弧长为 $\frac\varpi2\approx1.3110$,整条曲线长 $2\varpi\approx5.2441$。 1751 年的圣诞节 1718 年,意大利伯爵朱利奥·法尼亚诺发现了如何用尺规把双纽线的一段弧加倍:给定一段弧,作出长度为它两倍的另一段弧。没有人太在意。1751 年 12 月 23 日,柏林科学院把法尼亚诺的著作交给欧拉审阅。欧拉立刻看出了其中的价值,把法尼亚诺的公式推广为这些积分的加法公式。将近一个世纪后,雅可比说那一天是椭圆函数的诞生日。 分成八段 我们用双纽线正弦写出法尼亚诺的公式: $$\operatorname{sl}(2u)=\frac{2\operatorname{sl}(u)\sqrt{1-\operatorname{sl}(u)^4}}{1+\operatorname{sl}(u)^4}.$$要把曲线分成八等份,只需找到平分从中心到顶端那段弧的点。顶端在 $r=1$,所以我们寻找满足 $\operatorname{sl}(2u)=1$ 的 $s=\operatorname{sl}(u)$: $$1+s^4=2s\sqrt{1-s^4}.$$两边平方,并令 $w=s^2$: $$(1+w^2)^2=4w(1-w^2)\quad\Longrightarrow\quad w^4+4w^3+2w^2-4w+1=0.$$这个多项式是完全平方:$(w^2+2w-1)^2$。所以 $w^2+2w-1=0$,正根为 $w=\sqrt2-1$。所求的点到中心的距离是 $$\boxed{r=\sqrt{\sqrt2-1}\approx0.6436.}$$这个数只涉及平方根,而平方根可以用尺规作出。以曲线中心为圆心、$\sqrt{\sqrt2-1}$ 为半径画圆,它与双纽线交于上图中间的四个点。 阿贝尔定理 高斯在 1796 年证明了正十七边形可以用尺规作出,更一般地,当 $n$ 是 2 的幂乘以不同的费马素数(如 3、5、17、257、65537)时,圆可以被分成 $n$ 等份。在 1801 年的书中,他留下了一句神秘的话:同样的原理也适用于积分 $\int\frac{dx}{\sqrt{1-x^4}}$。此后他没有再发表任何相关内容。

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四个平方数就够了

任取一个正整数,试着把它写成完全平方数 $0, 1, 4, 9, 16, 25, \ldots$ 之和,用的项数越少越好: $$\begin{aligned} 5&=4+1,\\ 6&=4+1+1,\\ 7&=4+1+1+1,\\ 30&=25+4+1,\\ 2026&=2025+1=45^2+1^2. \end{aligned}$$有些数本身就是平方数,有些需要两个,有些需要三个。7 需要四个:没有别的办法。会不会有哪个数需要五个?1770 年,拉格朗日证明了:不会。 每个正整数都是四个整数的平方之和。 把 0 也算作平方数,这就是说总存在 $a, b, c, d$,使得 $n=a^2+b^2+c^2+d^2$。 一个延续了十五个世纪的猜想 大约公元 250 年,亚历山大的希腊人丢番图在他的问题中,不加说明地用到了某些数可以写成四个平方数之和这一事实。1621 年,法国人克洛德-加斯帕尔·巴歇出版了丢番图《算术》的拉丁文版本,并明确写出了这个论断。他说自己验证到了 325,但不知道如何证明。 费马正是在巴歇这本书的页边写下了他那些著名的批注。费马宣称自己用无穷递降法证明了它,但和往常一样,从未拿出证明。 欧拉的四十年 欧拉为证明它尝试了大约四十年,始终没有完成。但他在 1748 年找到了关键的一块:一个恒等式,说明两个四平方和的乘积仍然是四平方和。 $$\begin{aligned} &(a^2+b^2+c^2+d^2)(e^2+f^2+g^2+h^2)\\ &\quad=(ae+bf+cg+dh)^2\\ &\qquad+(af-be+ch-dg)^2\\ &\qquad+(ag-bh-ce+df)^2\\ &\qquad+(ah+bg-cf-de)^2. \end{aligned}$$它看起来像魔术,但只要把两边展开就行:所有交叉项都成对抵消。例如,$7=2^2+1^2+1^2+1^2$,$15=3^2+2^2+1^2+1^2$。恒等式给出 $$\begin{aligned}105&=7\cdot15=10^2+1^2+0^2+(-2)^2\\&=100+1+0+4.\end{aligned}$$这个结论威力很大。每个数都是素数的乘积。如果每个素数都是四平方和,恒等式就保证它们的乘积也是。所以只需要对素数证明这个定理。 拉格朗日的证明 就在这里,1770 年已在柏林的拉格朗日登场了。他的证明分两个阶段,两个阶段都属于费马递降法一类。 第一阶段。 对每个奇素数 $p$,存在 $x$ 和 $y$,使 $x^2+y^2+1$ 是 $p$ 的倍数。理由是一个计数:$x$ 从 $0$ 取到 $\frac{p-1}2$ 时,数 $x^2$ 除以 $p$ 留下 $\frac{p+1}2$ 个不同的余数,数 $-1-y^2$ 也是如此。由于 $\frac{p+1}2+\frac{p+1}2=p+1$ 多于 $p$ 个可能的余数,根据抽屉原理,两张表之间必有一个余数重复。所以 $p$ 的某个倍数,比如 $mp$,是四平方和:$x^2+y^2+1^2+0^2$。

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倍立方与三等分角:不可能的作图

希腊人留下了三个作图问题,没有人能用尺规解决,而尺规正是欧几里得《几何原本》的工具: 倍立方:作出一个立方体的棱,使它的体积是已知立方体的两倍。 三等分角:把任意一个角分成三等份。 化圆为方:作出一个与已知圆面积相等的正方形。 传说在一场瘟疫中,提洛斯的神谕命令雅典人把阿波罗的立方体祭坛加大一倍。他们把棱长加倍,体积变成了八倍,瘟疫依旧。两千年来,数学家们一直在尝试。答案直到 19 世纪才随着高斯和伽罗瓦的思想到来:这是不可能的。 尺规能做什么 从一条长为 1 的线段出发。用尺规可以利用相似三角形对长度做加、减、乘、除。还可以开平方根,方法是在半圆中取几何平均。但仅此而已。 原因在解析几何中。作图中的每个新点,都是两条直线、一条直线与一个圆,或者两个圆的交点。直线的方程是一次的,圆的方程是二次的。求这些交点从来不需要比二次方程更高的方程。所以作图的每一步至多添加一个平方根: 用尺规可作的长度,可以从 1 出发用四则运算和平方根写出。特别地,如果它是一个没有有理因式的方程的根,那么这个方程的次数是 2 的幂。 提洛斯的立方体 把棱长为 1 的立方体加倍,就是作出体积为 2 的立方体的棱 $x$: $$x^3=2,\qquad x=\sqrt[3]2\approx1.2599.$$方程 $x^3-2=0$ 没有有理根,也不能分解为更低次的有理多项式。它的次数是 3,不是 2 的幂。因此 $\sqrt[3]2$ 不可作。提洛斯的祭坛不能用尺规加倍。 60° 的角 有些角很容易三等分:直角可以分成三个 $30°$ 的角,而 $30°$ 可以用正三角形作出。但问题要求的是对任意角都适用的方法,一个反例就够了。取 $60°$。三等分它就是作出 $20°$,即长度 $x=\cos20°$。由三倍角的余弦公式 $$\cos3\theta=4\cos^3\theta-3\cos\theta,$$取 $\theta=20°$,$\cos60°=\frac12$: $$4x^3-3x=\frac12\qquad\Longrightarrow\qquad8x^3-6x-1=0.$$可能的有理根只有 $\pm1,\pm\frac12,\pm\frac14,\pm\frac18$,而它们都不满足方程。所以方程不能分解,次数为 3。$60°$ 角不能用尺规三等分。 旺策尔与伽罗瓦 这两个证明都是在 1837 年由 23 岁的法国人皮埃尔·旺策尔发表在刘维尔的杂志上的,他当时是巴黎综合理工学院的学生。旺策尔用的是高斯和拉格朗日的思想;伽罗瓦的著作要再过九年才出版。今天,这个论证用伽罗瓦理论来解释:方程的次数衡量的是它的根所创造的数的世界的大小,而尺规只能两级两级地往上爬。 第三个问题更难。把半径为 1 的圆化为方,就是作出 $\sqrt\pi$。1882 年,德国人费迪南德·冯·林德曼证明,$\pi$ 不是任何有理系数方程的根:它是一个超越数。于是,圆也不能化为方。 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。 再谈正十七边形 同样的论证也解释了高斯的正十七边形。作正 $n$ 边形就是作出 $\cos\frac{2\pi}n$,当 $n$ 是素数时,这个方程的次数与 $n-1$ 有关。对于 $n=17$,$n-1=16=2^4$ 是 2 的幂,所以可以作出。对于 $n=7$,$n-1=6$ 不是,所以正七边形不能作出。高斯陈述了完整的规则;旺策尔证明了缺失的那一半。

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阿贝尔群:顺序无关紧要的时候

先穿袜子再穿鞋,和先穿鞋再穿袜子,结果不一样。先加 3 再加 5,和先加 5 再加 3,结果一样。当两个操作的先后顺序不改变结果时,我们说它们可交换。数学家用来称呼一切都可交换的结构的那个词,是为了纪念阿贝尔:阿贝尔的(abelian)。 最后的论文 证明了一般五次方程没有公式之后,阿贝尔想知道哪些方程有公式。1829 年,在他发表于《克雷勒杂志》的最后几篇文章之一中,他研究了一类特殊的方程:所有的根都可以由其中一个根 $x$ 通过有理函数 $\theta_1(x), \theta_2(x),\dots$ 得到,而这些函数彼此可交换: $$\theta_1(\theta_2(x))=\theta_2(\theta_1(x)).$$阿贝尔证明这类方程总能用根式求解。它们后来被称为阿贝尔方程,再后来,顺序无关紧要的群被称为阿贝尔群。 单位根 最重要的例子是方程 $x^n=1$。它的一个根是 $$\zeta=\cos\frac{2\pi}n+i\sin\frac{2\pi}n,$$其余的根都是它的幂:$\zeta^2,\zeta^3,\dots,\zeta^n=1$。把一个根变成另一个根的函数是幂函数 $\theta_a(x)=x^a$,它们可交换: $$\theta_a(\theta_b(x))=(x^b)^a=x^{ab}=(x^a)^b=\theta_b(\theta_a(x)).$$由阿贝尔定理,$x^n=1$ 对每个 $n$ 都可以用根式求解。这正是高斯用来作出正十七边形的结构:正多边形的顶点就是 $x^{17}=1$ 的根。 群与交换性 用现代语言说,群是一组可以复合、可以撤销、可以组合的操作,而结果始终留在这组操作之内。如果对任意两个元素都有 $a\circ b=b\circ a$,这个群就是阿贝尔群。 阿贝尔群的例子随处可见: 整数与加法:$3+5=5+3$。 圆的旋转:先转 $30°$ 再转 $50°$,与先转 $50°$ 再转 $30°$ 相同。 时钟算术:在 12 小时制的钟上,9 点再过 5 小时是 2 点。我们写作 $9+5\equiv2\pmod{12}$,加数的顺序同样无关紧要。 也有不是阿贝尔群的群。三角形的对称是最小的例子:先转动三角形再翻转它,与先翻转再转动结果不同。魔方是另一个例子:先转前面再转上面,效果与反过来不同。正是通过研究非阿贝尔群,伽罗瓦解释了五次方程为什么没有公式。 为什么可交换有帮助 阿贝尔证明背后的直觉是:在阿贝尔群中,操作可以一个一个地、以任意顺序进行,而不会互相破坏。每一步对应于开一次方,而这些根可以依次开出。在一个过于复杂的非阿贝尔群里,比如五个根的 120 种置换构成的群,各个步骤互相妨碍,仅靠根式无法走到终点。 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。 阿贝尔葡萄 英语国家的数学家中流传着一个老笑话:“什么东西是紫色的而且可交换?阿贝尔葡萄。“因为英语里 an abelian grape(阿贝尔葡萄)听起来像 an abelian group(阿贝尔群)。“abelian"这个形容词太常用了,许多书都用小写字母书写,这是很少有数学家享有的荣誉。 练习:在 12 小时的时钟算术中,解 7 + x ≡ 3。再解 5 · x ≡ 1。第一个:$x\equiv3-7=-4\equiv8$,从 7 点往后走 8 小时就到了 3 点。第二个,逐个试:$5\cdot5=25=2\cdot12+1$,所以 $x\equiv5$。在时钟上,5 是它自己的逆元。

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置换根:拉格朗日定理

1770 年,代数学有一个停滞了两个多世纪的问题。二次方程有求根公式,卡尔达诺在 1545 年也发表了三次和四次方程的解法。到了五次,谁也找不到任何东西。最优秀的数学家都试过,每一种直到四次都管用的方法,到了五次就卡住了。 拉格朗日没有再去尝试一种新方法。他提出了一个不同的问题:旧方法为什么管用? 我打算在这篇论文中考察迄今为止找到的各种方程代数解法,把它们归结为一般原理,并先验地说明这些方法为什么对三次和四次方程有效,而对更高次的方程失效。 — 约瑟夫-路易·拉格朗日,《关于方程代数解法的思考》(1771) 这篇论文有 200 多页,由柏林科学院在 1770 年和 1771 年发表。 把根打乱 核心想法是考察由方程的根构成的表达式,看看当根互换位置时这些表达式会怎样。 先从二次开始。方程 $x^2+bx+c=0$ 的根是 $x_1$ 和 $x_2$,自韦达以来人们就知道 $$x_1+x_2=-b,\qquad x_1x_2=c.$$交换 $x_1$ 和 $x_2$,这两个表达式不变。正因为如此,它们可以用系数写出来。而差 $x_1-x_2$ 会变:变成 $x_2-x_1$,即它的相反数。它取两个值。但它的平方又只取一个值,于是可以用系数写出来: $$(x_1-x_2)^2=(x_1+x_2)^2-4x_1x_2=b^2-4c.$$现在只需开方:$x_1-x_2=\pm\sqrt{b^2-4c}$。知道了和与差,根立刻就出来了,结果正是二次方程求根公式。公式里的 $\pm$,恰好就是 $x_1-x_2$ 可能取的两个值的符号。 四次的秘密 拉格朗日对三次和四次方程做了同样的分析。在四次方程中,设根为 $x_1, x_2, x_3, x_4$,费拉里的技巧相当于考察表达式 $$t=x_1x_2+x_3x_4.$$打乱四个根共有 $4!=24$ 种方式,但 $t$ 只取三个值: $$\begin{gathered}x_1x_2+x_3x_4,\\ x_1x_3+x_2x_4,\\ x_1x_4+x_2x_3.\end{gathered}$$这三个值是一个三次方程的根,其系数可由原方程的系数算出。既然三次方程已经会解,就能求出 $t$,进而求出根。四次方程之所以可解,是因为存在一个取值少于四个的根的表达式。 对于五次方程,拉格朗日寻找一个取值很少的五个根的表达式,没有找到。他怀疑这个问题无解,但无法证明。意大利人保罗·鲁菲尼在 1799 年给出了几乎完整的证明,说明不存在一般的求根公式;挪威人尼尔斯·阿贝尔在 1824 年彻底解决了这个问题。几年后,埃瓦里斯特·伽罗瓦把拉格朗日的想法发展成一整套理论,即群论。 定理 在这项分析中,拉格朗日证明了一个今天以他命名的结果: 如果把一个含 $n$ 个字母的表达式按所有 $n!$ 种可能的方式打乱,它所取的不同值的个数整除 $n!$。 例如,四个字母的表达式 $t$ 取 3 个值,3 整除 24。两个字母的表达式 $x_1-x_2$ 取 2 个值,2 整除 $2!=2$。

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埃瓦里斯特·伽罗瓦的遗产

这封信,如果按照它所包含的思想的新颖和深刻来评判,也许是人类全部文献中分量最重的一篇文字。 — 赫尔曼·外尔,《对称》(1952) 伽罗瓦留下了大约六十页数学,其中很多是匆忙写成的。人们花了半个世纪才读懂它们。读懂之后,它们改变了人们对数学本身的看法:不再研究数和图形,而是研究使它们保持不变的变换。 群论 第一本关于伽罗瓦理论的书,法国人卡米尔·若尔当的《置换论》,出版于 1870 年。两年后,德国人费利克斯·克莱因在他的埃尔朗根纲领中提出,每一种几何都由它的变换群来定义:欧几里得几何研究在旋转和平移下不变的东西;射影几何研究在投影下不变的东西。阿贝尔的同胞、挪威人索菲斯·李创立了以他命名的连续群,用来研究微分方程,就像伽罗瓦研究代数方程那样。 伽罗瓦的工作与阿贝尔的工作非常相似,但有一个区别。阿贝尔证明了公式不存在。伽罗瓦解释了为什么,而且这个解释同时适用于所有方程。这种谈论运算而非数的新语言的故事,也在本站符号学一书的《伽罗瓦与凯莱》一章中讲述。 自然界中的群 物理。 1918 年,德国的埃米·诺特证明,物理定律的每一种对称都对应一个守恒量:时间上的对称给出能量守恒,空间上的对称给出动量守恒。1961 年,默里·盖尔曼用一个叫做 $\mathrm{SU}(3)$ 的群整理了亚原子粒子,并预言了一种当时还没有人见过的粒子,即 1964 年发现的 Ω⁻ 粒子。 化学。 晶体中原子排列的对称群恰好有 230 种,于 1891 年完成分类。每一种矿物、每一种金属、每一种结晶的蛋白质都属于其中之一。 数论。 1995 年,安德鲁·怀尔斯通过研究与椭圆曲线相关的方程的伽罗瓦群,证明了费马大定理。椭圆曲线正是从阿贝尔的椭圆函数中生长出来的。 计算机。 有限域存在于纠错码和密码学之中。 埃瓦里斯特·伽罗瓦,由他的弟弟阿尔弗雷德绘制,1848 年发表,那时他已去世十六年。Alfred Galois · Wikimedia Commons · 公有领域 魔群 挡住五次方程公式的那个 60 元群是单群:它不能被切成更小的块。单群是所有有限群的"原子",找出全部单群是 20 世纪数学最大的工程之一。这项分类于 2004 年完成,由一百多位数学家写成,长达数万页。除了几个无穷族之外,恰好有 26 个零散单群。其中最大的魔群有 $$808\,017\,424\,794\,512\,875\,886\,459\,904\,961\,710\,757\,005\,754\,368\,000\,000\,000$$个元素,约为 $8\times10^{53}$。 留下了什么 方程论。 方程的群,以及判定哪些方程可以用根式求解的准则。 群论。 “群"这个词本身、正规子群的概念,以及把群分解成若干步骤。 有限域。 以他命名的 $p^n$ 元域。 几何。 通过旺策尔、克莱因和李,对不可能作图的解释,以及把几何看作对称性研究的思想。 科学。 粒子物理、晶体学、密码学和编码。 决斗的各种说法 决斗之谜催生了一个多世纪的传说。作家大仲马在回忆录中说,对手是一个名叫佩舍·德尔班维尔的共和派。也有人说是一名警察密探,或者是为了在葬礼上引发起义而安排的决斗。较新的研究认为,对手是一同坐过牢的欧内斯特·迪沙特莱。真相也许永远无法知道。而数学,至少完整地留了下来。

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尼尔斯·亨里克·阿贝尔的遗产

阿贝尔留给数学家们的工作,够他们忙上一百五十年。 — 据说出自夏尔·埃尔米特 阿贝尔作为数学家工作了不到八年。在这段时间里,他了结了代数中最古老的问题,为级数带来了严格性,创立了椭圆函数,还写下了一篇直到他死后几十年才被完全理解的论文。今天,他的名字出现在数学中的地方,几乎比任何人都多:阿贝尔群、阿贝尔积分、阿贝尔函数、阿贝尔簇、阿贝尔定理、阿贝尔求和、阿贝尔判别法。 巴黎论文 阿贝尔 1826 年交给巴黎科学院、后来被柯西弄丢的那篇著作,包含一个巨大的结果。它表明,对于任何代数曲线,沿曲线的某些积分之和可以化为固定数目的积分,这个数目只取决于曲线。三十年后,黎曼把这个数称为曲线的亏格,即相应曲面上"洞"的个数。今天这个结果被称为阿贝尔定理,代数几何和黎曼曲面理论都由它发展而来。据说勒让德得知这个定理后,借用拉丁诗人贺拉斯的诗句,称它为 monumentum aere perennius,“比青铜更持久的纪念碑”。 手稿的故事几乎像一部小说。阿贝尔死后,挪威驻巴黎领事请科学院寻找这份文稿。柯西找到了它,1841 年发表,但有错误。在印刷过程中,原稿再次失踪。直到 1952 年,挪威数学家维戈·布伦才在佛罗伦萨一座图书馆里,在一位意大利收藏家的文件中重新找到它。 纪念碑与奖项 古斯塔夫·维格兰创作的阿贝尔纪念碑,位于奥斯陆王宫公园。它于 1908 年揭幕,表现一位赤裸的青年站在两个怪物般的形象之上,许多人把它们理解为被他征服的五次方程和椭圆函数。Wolfmann · Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0 19 世纪末,挪威人索菲斯·李得知诺贝尔奖不设数学奖后,提议设立一个以阿贝尔命名的奖项。随着李在 1899 年去世,以及挪威与瑞典在 1905 年分离,这个想法渐渐搁浅。2002 年阿贝尔诞辰两百周年时,这个想法被重新提起:挪威政府设立了阿贝尔奖,2003 年首次颁给法国人让–皮埃尔·塞尔。今天它被视为数学界的诺贝尔奖。2015 年,它颁给了约翰·纳什和路易斯·尼伦伯格。 留下了什么 1929 年挪威邮票,为纪念阿贝尔逝世一百周年而发行。挪威邮政 · Wikimedia Commons · 公有领域 代数。 五次方程一般公式的不可能性、阿贝尔方程和交换群。 分析。 级数的严格性、任意指数的二项式级数,以及关于幂级数的阿贝尔定理。 椭圆函数。 积分的反演、双周期性和加法公式,与雅可比共同完成。 代数几何。 关于代数函数积分的阿贝尔定理,黎曼理论的根源。 古典几何。 用尺规等分双纽线,可分的数与圆相同。 迟到的信 阿贝尔的一生充满了阴差阳错的书信:高斯没有打开的小册子、柯西弄丢的论文、在他死后两天才到的柏林来信。1830 年巴黎科学院授予他大奖时,他已去世一年多。在挪威,他的肖像曾出现在邮票和 500 克朗纸币上,月球上还有一座以他命名的环形山。 要点回顾 尼尔斯·亨里克·阿贝尔生于 1802 年,卒于 1829 年。他的全部工作完成于 19 到 26 岁之间。 对于五次或更高次的一般方程,不存在用根式表示的公式:这就是阿贝尔–鲁菲尼定理。 二项式级数 $(1+x)^m=1+mx+\cdots$ 在 $|x|<1$ 时收敛;阿贝尔第一个对任意 $m$ 证明了这一点。 把积分 $\int\frac{dt}{\sqrt{1-t^4}}$ 反过来,得到双纽线正弦,一个有两个周期(一实一虚)的函数。 平分双纽线每个四分之一段的点距中心 $\sqrt{\sqrt2-1}$,这是一个可作图的数。 当操作的顺序无关紧要时,群是阿贝尔群;群为阿贝尔群的方程可以用根式求解。 来源: Arild Stubhaug,Niels Henrik Abel and his Times(Springer,2000)· 阿贝尔奖,挪威科学与文学院 · 阿贝尔传记,MacTutor。

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没有无穷小的导数与中值定理

18 世纪末,微积分用起来很好,却没有人能说清楚它为什么好用。莱布尼茨的 $dx$ 是“无穷小”的量:有时把它们当作不等于零,好拿来做除数;紧接着又把它们当作零,好把它们略去。贝克莱主教在 1734 年嘲笑过这一点,称它们为“消逝的量的幽灵”。 拉格朗日为此感到不安。1797 年,他出版了一本书,书的副标题本身就是一整套纲领: 包含微分学的原理,摆脱了一切关于无穷小、消逝量、极限和流数的考虑,并归结为有限量的代数分析。 — 约瑟夫-路易·拉格朗日,《解析函数论》(1797) 导出的函数 拉格朗日的想法是:每个合理的函数都可以展开成幂级数。给变量 $x$ 一个增量 $i$,那么 $$f(x+i)=f(x)+p\,i+q\,i^2+r\,i^3+\cdots,$$其中 $p, q, r, \ldots$ 是 $x$ 的新函数。拉格朗日把其中第一个,即 $i$ 的系数,定义为 $f$ 的导出函数,并用一撇来写:$f'(x)$。$f'$ 的导数是 $f''$,依此类推。 看看这对 $f(x)=x^3$ 是怎么用的。把立方展开, $$(x+i)^3=x^3+3x^2\,i+3x\,i^2+i^3.$$$i$ 的系数是 $3x^2$,所以 $f'(x)=3x^2$。不需要用一个后来会消失的东西做除数,也不需要略去任何东西:只要读出一个系数就行。这正是拉格朗日想要的。 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。 留下来的一撇 今天学校里导数有两种记号:莱布尼茨的 $\frac{dy}{dx}$,和拉格朗日的 $f'(x)$。“导数”(derivative)这个词也来自这本书:fonction dérivée,即由第一个函数导出的函数。牛顿在字母上面加一点写成 $\dot y$,今天主要在物理里、当变量是时间时才会用到。 计划在哪里失败了 这个计划有一个缺陷,柯西在 1823 年指出了它:并不是每个函数都等于它的幂级数。函数 $$f(x)=e^{-1/x^2}\ \ (x\neq0),\qquad f(0)=0$$在零附近平坦到它所有的导数在那里都等于零。它在零处的幂级数是 $0+0\,i+0\,i^2+\cdots=0$,但函数本身并不是零。像拉格朗日那样从级数出发是不够的。柯西用极限的思想重建了微积分,今天教的就是他的版本。 不过,拉格朗日在途中找到了两件工具,它们在他的计划失败后保留了下来。 中值定理 第一件是中值定理,他需要用它来控制自己的级数。用今天的形式来说:如果 $f$ 在从 $a$ 到 $b$ 的区间上可导,那么两者之间至少有一点 $c$,使得

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拉格朗日乘数:带约束的最优化

几乎每个现实中的决定都是一个带约束的最大或最小值问题。工厂想要最大的利润,但原料有限。一个罐子要装 350 毫升,用的铝要尽量少。单摆想怎么动都行,只要小球一直拴在绳子上。拉格朗日为所有这些问题找到了一个统一的方法。它出现在 1788 年的《分析力学》中,用来处理力学系统的约束;也出现在 1797 年的《解析函数论》中,作为一条一般的计算规则。 围栏 先从一个希腊人就会解的问题开始。用 20 米长的围栏,围成的哪个矩形面积最大?设两边为 $x$ 和 $y$,我们要求 $$f(x,y)=xy\qquad\text{在约束}\qquad g(x,y)=x+y=10$$下的最大值。这里很容易解出 $y=10-x$,再求 $x(10-x)$ 的最大值。但在许多问题中,约束是一个复杂的方程,什么也解不出来。拉格朗日想要一种永远不需要这样做的方法。 一个新字母 拉格朗日的配方是增加一个新的未知数,今天我们叫它 $\lambda$,即乘数,并要求 $f$ 的导数与 $g$ 的导数成比例: $$\begin{aligned}\frac{\partial f}{\partial x}&=\lambda\,\frac{\partial g}{\partial x},\\ \frac{\partial f}{\partial y}&=\lambda\,\frac{\partial g}{\partial y},\\ g(x,y)&=10.\end{aligned}$$在围栏问题中,$\frac{\partial f}{\partial x}=y$,$\frac{\partial f}{\partial y}=x$,$g$ 的导数都等于 $1$。方程变成 $$y=\lambda,\qquad x=\lambda,\qquad x+y=10,$$于是 $x=y=5$。最好的矩形是 5 乘 5 的正方形,面积 25 平方米。不需要解出任何东西:约束作为又一个方程进来,$\lambda$ 作为又一个未知数进来。 为什么管用 下图画出了面积 $xy$ 取固定值 9、16、25 和 36 的曲线,以及约束直线 $x+y=10$。沿着直线走,我们经过面积越来越大的曲线,直到面积为 25 的曲线。之后面积又开始减小。面积为 36 的曲线根本碰不到这条直线。 在最优点,约束直线与面积为 25 的曲线相碰而不相交:它们相切。Euler’s Eyes 绘图 在最优点,直线与面积最大的曲线相切。如果它们相交,就可以沿直线再走一点,进入面积更大的曲线。相切的曲线方向相同,所以在那里 $f$ 和 $g$ 的导数成比例。乘数 $\lambda$ 就是这个比例的因子。