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皮埃尔·德·费马的一生

年表 约 1607生于法国南部的博蒙-德洛马涅。确切年份尚有争议。 1626毕业于奥尔良大学法律专业。 1629–1631在波尔多研究韦达的著作,并复原希腊几何的失传著作。 1631成为图卢兹高等法院的推事,获得在姓名中使用“德”(de)的权利。 1636开始与马兰·梅森通信。此时他已掌握解析几何和求极值的方法。 1637约在这一年,在丢番图《算术》的页边写下“大定理”的批注。 1640提出小定理以及关于 $2^{2^n}+1$ 型数的猜想。 1652险些死于瘟疫,甚至被误报死亡。 1654与布莱兹·帕斯卡通信,两人共同创立了概率论。 1662由最短时间原理推导出折射定律。 16651 月 12 日在卡斯特尔去世。 1670儿子萨米埃尔出版附有父亲页边批注的丢番图《算术》。 ◀ 上一站 沿路线走一遍 下一站 ▶ c. 1607 洛马涅地区博蒙生于一个皮革商人家庭。确切的出生年份至今仍有争议。 1626 奥尔良从奥尔良大学获得法学学位。 1629–1631 波尔多研读韦达的著作,复原失传的希腊几何著作。此时已经有了求极大极小的方法。 1631–1665 图卢兹在高等法院任法官。闲暇时给梅森和帕斯卡写信,并在丢番图著作的页边写下“最后定理”。 1665 卡斯特尔1 月 12 日,在卡斯特尔的法庭任职期间去世。 请启用 JavaScript 以查看地图。各站列在下方。 费马在法国西南部的一生:在法律与数学之间。 地图:© OpenStreetMap 贡献者 c. 1607 · 洛马涅地区博蒙1626 · 奥尔良1629–1631 · 波尔多1631–1665 · 图卢兹1665 · 卡斯特尔 费马在法国西南部的一生:在法律与数学之间。 生于 1601 年还是 1607 年? 很长时间里,书上都写 1601 年。但近来的研究表明,1601 年受洗的那个孩子是他同父异母的哥哥,也叫皮埃尔,幼年夭折。我们的费马应当是父亲第二次婚姻所生,约生于 1607 年。所以各种资料的说法至今仍不一致。

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戈特弗里德·威廉·莱布尼茨的一生

年表 16467 月 1 日生于神圣罗马帝国的莱比锡。 166114 岁进入莱比锡大学。 1666出版《论组合术》。莱比锡大学拒绝授予他法学博士学位;次年阿尔特多夫大学授予了他。 1672作为外交使节前往巴黎。开始跟随克里斯蒂安·惠更斯认真学习数学。 1673在伦敦展示他的计算机器,当选皇家学会会员。 1675在 10 月和 11 月的手稿中创造了符号 $\int$ 和 $d$。 1676迁居汉诺威,在那里担任图书馆馆长和顾问长达 40 年。 1684在《学术纪事》上发表第一篇关于微分学的论文。 1700创建柏林科学院并任首任院长。 1703发表关于二进制算术的阐述。 171611 月 14 日在汉诺威去世。 ◀ 上一站 沿路线走一遍 下一站 ▶ 1646–1666 莱比锡在莱比锡出生、求学。大学以他太年轻为由拒绝授予他法学博士学位。 1666–1667 阿尔特多夫在纽伦堡附近几个月就拿到博士学位,并谢绝了提供给他的教授职位。 1668–1672 美因茨进入美因茨选帝侯大主教的宫廷,担任法学家和顾问。 1672–1676 巴黎他带着外交使命来到巴黎,跟惠更斯学习数学。1675 年创造了符号 $\int$ 和 $d$。 1673 伦敦在皇家学会展示他的计算机器,并当选为会员。 1676 海牙在前往汉诺威的途中,拜访哲学家斯宾诺莎。 1676–1716 汉诺威担任公爵的图书馆员和顾问四十年。发表微积分(1684)和二进制算术(1703)。1716 年去世。 1687–1690 罗马为撰写公爵家族史,他花了三年时间走访德意志、奥地利和意大利的档案馆。 1700 柏林创立柏林科学院,并成为首任院长。 请启用 JavaScript 以查看地图。各站列在下方。 外交官、图书馆员和数学家莱布尼茨的旅程。 地图:© OpenStreetMap 贡献者

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艾萨克·牛顿的一生

年表 16431 月 4 日生于英格兰伍尔索普。按当时英国的记录,日期是 1642 年 12 月 25 日。 1661以穷学生身份进入剑桥大学三一学院。 1665–1667大学因瘟疫关闭,他回到家乡。期间发展了级数、流数、颜色理论,并产生了关于引力的最初想法。 166926 岁时接替艾萨克·巴罗,成为卢卡斯数学教授。 1672展示他的反射望远镜,并发表光与颜色的理论。 1687出版《原理》,印刷费用由埃德蒙·哈雷自掏腰包。 1696进入伦敦皇家铸币厂,先任督办,1699 年升任厂长。 1703当选皇家学会会长。 1704出版《光学》。 17273 月 31 日在伦敦去世,安葬于威斯敏斯特教堂。 ◀ 上一站 沿路线走一遍 下一站 ▶ 1643–1661 伍尔斯索普生于一座农庄,是农夫的遗腹子。在附近的格兰瑟姆上学。 1661–1665 剑桥作为靠服侍同学来抵学费的穷学生进入三一学院。 1665–1667 伍尔斯索普大学因瘟疫关闭,他回到家乡,发展了级数、流数、颜色理论和最初的引力思想。 1667–1696 剑桥担任卢卡斯教授,制造反射望远镜,写出《自然哲学的数学原理》(1687)。 1696–1727 伦敦在伦敦塔主管皇家造币厂,并担任皇家学会会长。1727 年去世,葬于威斯敏斯特教堂。 请启用 JavaScript 以查看地图。各站列在下方。 牛顿的三个地方:从伍尔斯索普到剑桥和伦敦。 地图:© OpenStreetMap 贡献者 1643–1661 · 伍尔斯索普1661–1665 · 剑桥1665–1667 · 伍尔斯索普1667–1696 · 剑桥1696–1727 · 伦敦 牛顿的三个地方:从伍尔斯索普到剑桥和伦敦。 生于 1642 年还是 1643 年? 两个都对。1642 年的英国还在使用儒略历,比当时欧洲大部分地区已采用的格里高利历晚十天。按英国的历法,牛顿生于 1642 年圣诞节;按我们今天的历法,是 1643 年 1 月 4 日。

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莱布尼茨的遗产

微积分之争 莱布尼茨在 1684 年和 1686 年发表了微积分。牛顿早在 1665–1666 年就得到了同样的思想,却把一切都留在手稿里。十五年间,没有人争什么。 1699 年,牛顿的朋友、瑞士数学家尼古拉·法蒂奥·德迪利耶在一本书中暗示莱布尼茨借鉴了牛顿。1708 年,苏格兰人约翰·基尔更进一步,指控莱布尼茨剽窃。理由是:1676 年莱布尼茨访问伦敦时,见过牛顿《分析》的一份抄本。 身为皇家学会会员的莱布尼茨请求学会进行公正调查。1712 年,一个委员会认定牛顿是第一发明人。莱布尼茨从未被请去陈述自己的理由,而那份报告是由学会会长牛顿本人秘密写成的。 莱布尼茨以一本匿名小册子回应,并试图把争论变成一场数学挑战。他于 1716 年去世,问题悬而未决。据说牛顿听到他的死讯时说,自己“伤透了莱布尼茨的心”。 今天历史学家的结论很清楚:两人是各自独立发明微积分的。莱布尼茨的手稿一步一步地记录了他得出这些思想的过程,那是一条不同于牛顿的道路。牛顿先得到,莱布尼茨先发表,而且记号更好。 在牛顿的遗产一篇中,可以看到从牛顿一方讲述的同一个故事。 胜出的记号 这场争执有一个意外的赢家:记号。欧洲大陆的数学家,如伯努利家族、欧拉和拉格朗日,使用莱布尼茨的 $dx$ 和 $\int$,在 18 世纪把微积分推向了很远。在英国,出于对牛顿的忠诚,人们坚守小点记号,英国数学因此落后。1812 年,剑桥学生创立了分析学会,正是为了采用莱布尼茨的记号,他们戏称这是在推崇“纯粹的 d 主义”,反对大学里的“点时代”。 莱布尼茨留给数学的有: 符号 $dx$、$\dfrac{dy}{dx}$ 和 $\int$; 数学意义上的函数和坐标这两个词; 用点“$\cdot$”表示乘法、用冒号“:”表示除法; 相似符号 $\sim$ 和全等符号 $\cong$(与今天相近的形式)。 数学之外 莱布尼茨也是历史上伟大的哲学家之一,著有《单子论》和《神义论》。在物理学中,他与笛卡儿的追随者争论如何度量运动物体的“力”,他的“活力”($mv^2$)是动能概念的前身。在计算领域,二进制和用计算来推理的梦想预示了直到 20 世纪才实现的思想。 控制论的创始人诺伯特·维纳称莱布尼茨为这一领域的“守护神”。在德国,最重要的科学研究奖项就叫戈特弗里德·威廉·莱布尼茨奖。 要点回顾 莱布尼茨生于 1646 年,卒于 1716 年,除了是数学家,还是法学家、外交官、图书馆馆长和哲学家。 他成年后才在巴黎跟随惠更斯认真学习数学。 他在 1675 年创造了符号 $d$ 和 $\int$,并于 1684 年和 1686 年发表了微积分。 链式法则 $\dfrac{dz}{dx}=\dfrac{dz}{dy}\cdot\dfrac{dy}{dx}$ 借助记号看起来就像约分。 乘积的导数是 $u\,dv+v\,du$,而不是 $du\,dv$。 $\int$ 和 $d$ 是互逆运算:把差加起来就得到总量。 他系统整理了二进制算术,并于 1703 年发表。 他用阶梯轮造出了一台会做乘法的机器。 他发现了 $\dfrac\pi4=1-\dfrac13+\dfrac15-\cdots$,马德哈瓦和格雷戈里此前已知道。 牛顿和莱布尼茨各自独立发明了微积分。 资料来源: 生平与著作,MacTutor · 戈特弗里德·威廉·莱布尼茨图书馆藏莱布尼茨文献。

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牛顿的遗产

牛顿是有史以来最伟大的天才,也是最幸运的:宇宙只有一个,而发现它的机会也只有一次。 — 约瑟夫-路易·拉格朗日,据同时代人记述 微积分之争 牛顿在 1665–1666 年创立了流数法,但没有发表。莱布尼茨在 1675 年独立地得到了微积分,并于 1684 年发表。最初几年里,没有人争执。1676 年,两人甚至通过亨利·奥尔登堡友好地通信,牛顿还把自己的想法藏在一个字谜里。 大约 1700 年,气氛开始恶化。牛顿的追随者暗示莱布尼茨抄袭了他在伦敦见过的手稿。莱布尼茨向皇家学会申诉,请求公正调查。皇家学会任命了一个委员会,并于 1712 年发表报告,裁定牛顿胜诉。 当时很少有人知道:皇家学会会长正是牛顿本人,报告也是他亲手写的。之后,他还匿名发表了一篇赞扬这份报告的书评。 今天的历史学家一致认为,两人是各自独立发明微积分的。牛顿先得到,莱布尼茨先发表,并创造了最终胜出的记号。这场争执代价高昂:出于民族自尊,英国数学家一百多年里坚守牛顿的小点记号,而欧洲大陆则借助莱布尼茨的 $dx$,在伯努利家族和欧拉手中突飞猛进。直到 1812 年,一群剑桥学生成立了分析学会,才把莱布尼茨的记号重新带回英国。 在莱布尼茨专题中可以看到这个故事的另一面。 牛顿力学的边界 两百多年里,牛顿定律似乎处处成立。20 世纪初,两大理论揭示了它的界限: 相对论。 在接近光速时,时间和空间不再像牛顿所设想的那样是绝对的。在相对论中,运动时钟测得的时间间隔 $t'$,对于静止的观察者对应更长的时间间隔: $$t=\frac{t'}{\sqrt{1-\dfrac{v^2}{c^2}}}.$$当速度 $v$ 远小于光速 $c$ 时,根号几乎等于 1,我们回到了牛顿的世界:$\displaystyle\lim_{v\to0}t=t'$。而当 $v\to c$ 时,差别无限增大。 量子力学。 对于原子和粒子,明确的运动轨迹不再有意义。 这并不意味着牛顿在日常生活中是错的。对于桥梁、汽车、飞机和火箭,他的力学精确到至今仍是首选工具。相对论没有抹去牛顿,而是指明了他适用的范围。 纪念 “他的才智超越了全人类” 剑桥三一学院的礼拜堂里有一尊牛顿手持棱镜的大理石雕像,由路易-弗朗索瓦·鲁比利亚克于 1755 年创作。底座上刻着罗马诗人卢克莱修的一句话:Qui genus humanum ingenio superavit,“他的才智超越了全人类”。曾在那里求学的诗人华兹华斯形容这尊雕像是“一颗心灵的大理石标志,它永远独自航行在思想的奇异海洋之中”。 牛顿安葬在威斯敏斯特教堂,与历代君王为邻。他的墓碑上刻着手持棱镜、反射望远镜和新铸钱币的小天使,还有一个标出 1680 年彗星轨迹的天球。 要点回顾 按当时英国的历法,牛顿生于 1642 年;按我们的历法,生于 1643 年。 22 岁时,因瘟疫隔离在家,他创立了二项式级数、流数法和颜色理论。 二项式 $(1+x)^\alpha$ 对任意指数成立,只要 $|x|<1$。 流数 $\dot x$ 度量变化率;面积是它的逆运算。 牛顿法沿着切线逼近方程的根:$x_{n+1}=x_n-f(x_n)/f'(x_n)$。 《原理》(1687)包含三大运动定律和万有引力定律。 月球检验表明地球引力随距离的平方减弱。 棱镜分开的是白光中本来就有的颜色,而不是制造颜色。 牛顿和莱布尼茨各自独立发明了微积分。 资料来源: 手稿导读,牛顿项目 · MacTutor 传记。

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费马的遗产

数论之父 1670 年版丢番图《算术》的扉页,在图卢兹印制,标明“附 P. 德·费马的评注”。费马去世五年后由儿子出版的这本书,把页边注记传到了欧拉手中。贝尔纳·博斯克,图卢兹(1670) · Wikimedia Commons · 公有领域 在费马之前,关于整数的问题被看作谜题,是丢番图式的智力游戏。费马把它们变成了一个数学领域,有深刻的问题和自己的方法。将近一个世纪里,几乎没有人跟上他。直到 1730 年起,欧拉读了费马的批注,证明了其中很多,才使数论成为数学的核心分支。随后又有拉格朗日、勒让德和高斯。 其他发现 完整的清单会很长。几个亮点: 两平方和定理: 一个奇质数能表示为两个平方数之和,当且仅当它除以 4 余 1。例如 $13=4+9$,$29=4+25$,而 $7$ 和 $11$ 不行。费马在 1640 年宣布,欧拉在 1749 年证明。 佩尔方程: 费马用来挑战英国人的方程 $x^2-Ny^2=1$,当 $N$ 不是平方数时总有无穷多个解。 多边形数: 每个正整数都能表示为至多三个三角形数之和、四个平方数之和、五个五边形数之和,依此类推。拉格朗日在 1770 年证明了平方数的情形,高斯在 1796 年证明了三角形数的情形。 曲线求长: 费马计算了一些曲线弧的长度,这是另一个为微积分铺路的问题。 通向微积分之路 费马的解析几何使曲线能写成方程。他的极值方法用一种本质上就是导数的计算来求切线和极值。他还计算了 $y=x^n$ 型曲线下的面积。所缺的只是认识到切线与面积是互逆运算——这一步将由牛顿和莱布尼茨迈出。 在物理学中,最短时间原理解释了学校里学到的反射和折射,并开辟了现代物理中最优化原理的道路。 错误的猜想同样有教益 费马错误地认为所有形如 $2^{2^n}+1$ 的数都是质数。即便如此,这个问题引导欧拉发展出新的技巧,又意外地出现在高斯的正十七边形中。在数学中,一个好问题价值连城,即使答案与直觉相反。 而大定理,无论费马是否真有那个“绝妙”的证明,都迫使数学家创立了整套理论来解决它。怀尔斯的证明把两个看似遥远的领域联系在一起,这些工具如今的用途已远远超出了原来的问题。 要点回顾 费马的出生地博蒙德洛马涅的费马纪念像,雕塑家亚历山大·法尔吉耶尔的作品。Didier Descouens · Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0 费马是图卢兹的法官,研究数学纯属爱好;生前几乎什么也没发表。 他的出生年份有 1601 年和 1607 年两种说法,因为他有一个同名的同父异母哥哥。 他独立于笛卡儿创立了解析几何。 他的“近似相等”法在牛顿和莱布尼茨的微积分之前就能求极大值和极小值。 小定理说:当质数 $p$ 不整除 $a$ 时,$a^{p-1}\equiv1\pmod p$。 他猜想所有 $2^{2^n}+1$ 都是质数;欧拉证明了 $F_5$ 是 641 的倍数。 1654 年,他与帕斯卡通过点数问题创立了概率论。 最短时间原理解释了折射定律。 无穷递降法证明某些方程没有整数解。 大定理等待了 358 年,于 1995 年由安德鲁·怀尔斯证明。 资料来源: 费马的生平与贡献,MacTutor。