Hero Image
亚历山大的欧几里得:没有面孔的作者

年表 约前 530 年毕达哥拉斯和他的追随者在意大利南部研究数和图形。 约前 387 年柏拉图在雅典创办学园。据传门上写着:“不懂几何者不得入内”。 前 331 年亚历山大大帝在尼罗河三角洲建立亚历山大城。 约前 300 年欧几里得在托勒密一世时代于亚历山大城讲学,写下《几何原本》。 约前 250 年叙拉古的阿基米德引用《几何原本》。 约公元 100 年埃及俄克喜林库斯出土的一张纸草保存了第二卷的一段。 约 370 年亚历山大的赛翁编订的版本,成为此后几个世纪传抄的底本。 约 450 年普罗克洛斯为第一卷写注释,留下了关于欧几里得的少量记载。 约 800 年《几何原本》在巴格达被译成阿拉伯文。 约 1120 年巴斯的阿德拉德把阿拉伯文本译成拉丁文。 1482 年埃哈德·拉特多尔特在威尼斯印出第一个印刷版。 ◀ 上一站 沿路线走一遍 下一站 ▶ c. 387 a.C. 雅典柏拉图创立学园。欧几里得将要整理的几何学在希腊的学校里成长起来。 c. 300 a.C. 亚历山大欧几里得在托勒密一世时代讲学,写成十三卷《几何原本》。 c. 250 a.C. 叙拉古阿基米德已在著作中引用《几何原本》。 c. 100 俄克喜林库斯在城市垃圾堆中发现的一张纸草保存了第二卷的一段文字和一幅图。 c. 370 亚历山大亚历山大的赛翁编订了后来被传抄一千年的版本。 c. 450 雅典普罗克洛斯为第一卷作注,留下了关于欧几里得仅有的一点消息。 c. 800 巴格达在智慧宫,《几何原本》被译成阿拉伯文。 c. 1120 巴斯巴斯的阿德拉德把阿拉伯文本译成拉丁文,此书重返欧洲。 1482 威尼斯埃哈德·拉特多尔特印出第一个版本,图画印在页边。此后又出了一千多个版本。 请启用 JavaScript 以查看地图。各站列在下方。 《几何原本》的旅程:从雅典和亚历山大到威尼斯的第一个印刷本。 地图:© OpenStreetMap 贡献者

Hero Image
约翰·纳什的一生

年表 19286 月 13 日生于美国西弗吉尼亚州布卢菲尔德。 1945进入匹兹堡的卡内基理工学院学习化学工程,后转学数学。 1948来到普林斯顿。发明了被同学们称为"纳什"的棋,今天叫海克斯棋。 1950以博士论文《非合作博弈》答辩,提出纳什均衡。发表《讨价还价问题》。 1951成为麻省理工学院讲师。 1956发表等距嵌入定理。 1957与麻省理工物理系学生艾丽西亚·拉尔德结婚。 1958发表关于抛物型方程正则性的结果。 1959第一次住进精神病院。三十年的疾病开始了。 1994与约翰·海萨尼、莱因哈德·泽尔腾共同获得诺贝尔经济学奖。 2001与艾丽西亚复婚。电影《美丽心灵》上映。 2015与路易斯·尼伦伯格共同获得阿贝尔奖。5 月 23 日与艾丽西亚一同死于车祸。 ◀ 上一站 沿路线走一遍 下一站 ▶ 1928–1945 布卢菲尔德在一个靠铁路和煤矿为生的小城长大。读《数学精英》,自己证明了费马小定理。 1945–1948 匹兹堡在卡内基理工学院,从化学工程转到数学,并想到了议价问题。 1948–1951 普林斯顿发明海克斯棋,以 28 页的博士论文提出纳什均衡。 1951–1959 麻省理工学院在麻省理工学院任教。证明嵌入定理和抛物型方程的结果。1959 年开始发病。 1970–2015 普林斯顿作为“范氏楼的幽灵”在走廊里游荡,1980 年代末康复。 1994 斯德哥尔摩与约翰·海萨尼、莱因哈德·泽尔腾共同获得诺贝尔经济学奖。 2015 奥斯陆与路易斯·尼伦伯格共同获得阿贝尔奖。5 月 23 日回国途中,他和艾丽西亚在新泽西州的出租车车祸中去世。 请启用 JavaScript 以查看地图。各站列在下方。 约翰·纳什的足迹:从布卢菲尔德到普林斯顿,以及领取诺贝尔奖和阿贝尔奖的旅程。 地图:© OpenStreetMap 贡献者 1928–1945 · 布卢菲尔德1945–1948 · 匹兹堡1948–1951 · 普林斯顿1951–1959 · 麻省理工学院1970–2015 · 普林斯顿1994 · 斯德哥尔摩2015 · 奥斯陆 约翰·纳什的足迹:从布卢菲尔德到普林斯顿,以及领取诺贝尔奖和阿贝尔奖的旅程。 布卢菲尔德的少年 小约翰·福布斯·纳什出生在西弗吉尼亚州的布卢菲尔德,一个以铁路和煤矿为生的小城。父亲是电力公司的电气工程师;母亲婚前教过英语和拉丁语。在学校,这个男孩害羞、孤僻,并不出众。在家里,他做化学和电学实验。

Hero Image
布莱兹·帕斯卡的一生

年表 16236 月 19 日生于法国奥弗涅地区的克莱蒙。 1626母亲安托瓦妮特·贝贡去世,布莱兹 3 岁。 1631父亲艾蒂安·帕斯卡带着三个孩子迁居巴黎。 163512 岁时,独自重新发现三角形内角和等于两个直角。 164016 岁时,发表《圆锥曲线论》,其中有六边形定理。 1642为帮助在鲁昂任税务官的父亲,开始制造计算机。 1647发表《关于真空的新实验》。笛卡儿前来拜访。 1648姐夫弗洛林·佩里耶登上多姆山,测出了空气的重量。 1654与费马通信讨论赌博问题,写成《算术三角形论》。11 月 23 日经历了“火之夜”。 1656开始以化名发表《致外省人信札》。 1658解决摆线的一系列问题,并就此发起一场竞赛。 1662在巴黎开通一条公共马车线路。8 月 19 日去世,终年 39 岁。 1670朋友们根据他的笔记整理出版《思想录》。 ◀ 上一站 沿路线走一遍 下一站 ▶ 1623–1631 克莱蒙生于奥弗涅的克莱蒙。三岁时母亲去世。 1631–1639 巴黎父亲在家教育他,并带他参加梅森的聚会。16 岁写出《圆锥曲线论》。 1640–1647 鲁昂父亲在诺曼底任税务官。为了帮助父亲,布莱兹制造了帕斯卡计算器,并做了真空实验。 1648 多姆山应帕斯卡之请,他的姐夫弗洛兰·佩里耶带着气压计登上此山,证明山顶的空气更轻。 1647–1662 巴黎与费马讨论赌博的通信、火之夜、《致外省人信札》、摆线和公共马车。1662 年去世,年仅 39 岁。 1655 田野波尔罗亚尔修道院火之夜之后,他多次到妹妹雅克琳所在的修道院小住,并为波尔罗亚尔辩护,反对耶稣会。 请启用 JavaScript 以查看地图。各站列在下方。 帕斯卡在克莱蒙、巴黎和鲁昂之间,以及称出空气重量的那座山。 地图:© OpenStreetMap 贡献者 1623–1631 · 克莱蒙1631–1639 · 巴黎1640–1647 · 鲁昂1648 · 多姆山1647–1662 · 巴黎1655 · 田野波尔罗亚尔修道院 帕斯卡在克莱蒙、巴黎和鲁昂之间,以及称出空气重量的那座山。 布莱兹·帕斯卡的肖像,作者不详,约作于 1690 年,现藏凡尔赛宫。这是他去世后绘制的摹本。作者不详 · Wikimedia Commons · 公有领域 一个把几何书藏起来的父亲 布莱兹·帕斯卡 1623 年生于法国中部的克莱蒙。他 3 岁时母亲去世。父亲艾蒂安是一位喜爱数学的法官,决定亲自教育三个孩子:吉尔贝特、布莱兹和雅克琳。1631 年,全家搬到了巴黎。

Hero Image
《几何原本》:定义、公设和公理

点是没有部分的东西。线是只有长度而没有宽度的。 — 欧几里得,《几何原本》第一卷,定义 1 和 2 设想你要让一个人毫无疑问地相信,三角形的内角和总是 180°。测量是不够的:量角器有误差,而且你只能量几个三角形。你需要一个 论证。但任何论证都要从某处出发。从哪里出发呢?如果每个论断都要由另一个论断来证明,而那个论断又要由另一个来证明,这条链子就永远没有尽头。 欧几里得的办法是在第一页就明确宣布他从哪里出发。其余的一切都必须证明。 三类基础 《几何原本》第一卷以三份清单开头。 定义(第一卷有 23 条):说明所谈论的是什么。“点是没有部分的东西。““圆是由一条线围成的平面图形,从图形内一点到这条线的所有直线都相等。” 公设(5 条):请读者接受的、关于在几何中能做什么的事情。 公理(又称"公共概念”,5 条):对任何量都成立、不只限于几何的一般真理。 五条 公设,意译如下: 从任一点到任一点可以作一条直线。 一条有限直线可以沿直线连续延长。 以任意中心和任意半径可以作圆。 所有直角彼此相等。 如果一条直线与两条直线相交,在同侧所成的两个内角之和小于两直角,那么这两条直线无限延长后,必在这一侧相交。 前三条描述了用 没有刻度的直尺 和 圆规 能做的事:画直线、延长直线、画圆。《几何原本》中的每一个作图都只用这两件工具。第四条保证直角是一个标准度量。第五条比其他几条长,也不那么显然,这就是著名的 平行公设。 五条 公理 是: 等于同量的量彼此相等。 等量加等量,其和相等。 等量减等量,其差相等。 彼此重合的东西彼此相等。 整体大于部分。 第一条就是我们今天写的:若 $a=c$ 且 $b=c$,则 $a=b$。它在 第一个命题 里就用上了。 十三卷的总图 卷 内容 一 三角形、平行线和 毕达哥拉斯定理 二 几何代数:矩形和正方形的面积 三、四 圆与内接多边形 五 欧多克索斯的比例论 六 相似图形 七至九 数论:最大公约数、素数、完全数 十 不可公度量,例如 $\sqrt2$ 十一至十三 立体几何与五种正多面体 全书最后证明,正多面体恰好有 五种:正四面体、正六面体(立方体)、正八面体、正十二面体和正二十面体。柏拉图把它们与自然界的元素联系起来,有人认为整本书就是为了到达它们而写的。 圆与穷竭法 第十二卷回答了一个非常古老的问题:圆的面积是多少?埃及人有一个配方。在大约公元前 1550 年的莱因德纸草书中,直径为 9 的圆形田地的面积等于边长为 8 的正方形的面积,这相当于取 $\pi\approx\frac{256}{81}\approx3.16$。在《圣经》中,所罗门圣殿的大铜海"从这边到那边十肘"“周围三十肘”(《列王纪上》7:23):在那里,$\pi=3$。

Hero Image
海克斯棋:为什么先手必胜

1948 年,在普林斯顿数学楼的公共休息室里,教授和学生们下午常在这里下国际象棋和围棋,约翰·纳什拿出了一种新游戏。棋盘是一个菱形,铺满了像蜂巢一样的六边形格子。红、蓝两位棋手轮流在空格上落子,每次一枚。棋子落下后永不移动。红方要用一串红子连接上下两条边;蓝方要用一串蓝子连接左右两条边。 同学们把这种游戏叫做"纳什"。他并不知道,丹麦人皮特·海恩早在 1942 年就发明了它,取名 Polygon。1952 年,帕克兄弟公司以一个流传至今的名字推出了它:海克斯(Hex)。 7×7 的海克斯棋盘。红方获胜:一串用黄色标出的红色格子连接了上下两边。Euler’s Eyes 绘图 永远不会平局 第一个令人惊讶的性质:在海克斯棋中,下满的棋盘总有一位胜者。不可能把所有格子填满而谁都没有连成。 直觉是这样的:要阻止红方从上连到下,蓝方需要一道从一边切到另一边的"屏障"。而一道从一边通到另一边的蓝色屏障,恰恰就是一串获胜的蓝色链条。如果红方没有赢,那是因为蓝方挡住了它,而挡住就是赢。 这依赖于格子是六边形。在国际象棋那样的正方形棋盘上,两个格子可以只在角上相接,两条不同颜色的路径可以沿对角线交叉,谁也连不成。而在六边形中,每个顶点处恰好有三个格子相遇,这样的交叉是不可能的。1979 年,数学家大卫·盖尔证明,海克斯棋没有平局这一事实与布劳威尔不动点定理等价,而纳什在博弈均衡中用到的正是这类结果。 策略窃取 第二个性质更奇怪。纳什证明了先手有必胜策略:只要下得完美,他总能赢。但证明并没有说这个策略是什么。这个论证叫做策略窃取,过程如下: 游戏是有限的,并且没有平局。所以两位棋手中必有一位有必胜策略:一套规则,告诉他在每种局面下怎么走,并保证无论对方怎么防守都能获胜。 用反证法,假设拥有必胜策略的是后手。 那么先手可以把它"偷"过来。他随便走第一步,然后假装自己是后手,无视那枚多出来的棋子,按照后手的必胜策略下棋。 如果某一刻策略要求下在那枚多余棋子所在的格子,他就随便下在别的格子上,这枚新棋子成为新的多余棋子。 在海克斯棋中,盘面上多一枚子永远不会吃亏。所以先手按照偷来的策略下棋,一定获胜。 但这与"后手有必胜策略"的假设矛盾。因此拥有必胜策略的是先手。 $$\boxed{\text{在海克斯棋中,先手总能获胜。}}$$这是一个存在性证明:它保证策略存在,却不把它展示出来。对于不超过 9×9 的棋盘,计算机已经找到了明确的必胜策略。对于标准的 11×11 棋盘,没有人知道它是什么。 馅饼规则 由于先手占优,海克斯棋比赛采用馅饼规则,灵感来自两个孩子公平分馅饼的方法:一个切,一个选。在海克斯棋中,先手走第一步,后手决定是接过这一步、交换颜色,还是保持原样。于是先手会倾向于走一步不太好也不太坏的棋。 练习:在 1×1 和 2×2 的海克斯棋盘上,先手怎样获胜?在 1×1 的棋盘上,唯一的格子同时接触四条边:先手第一步就赢了。在 2×2 的棋盘上,如果红方先走,制胜的一步是菱形两个钝角处的格子之一:每个这样的格子都与另一行的两个格子相邻,而蓝方只能占住其中一个。下一步,红方就连成了链。 练习:策略窃取论证适用于井字棋吗?国际象棋呢?在井字棋中,多一枚子同样不会吃亏,论证表明后手不可能有必胜策略。但井字棋可以平局,而且在完美对弈下确实是平局:论证只保证先手不会输。在国际象棋中,论证一开始就失效了:多一枚子可能吃亏,因为有时候必须走棋反而是劣势,即所谓"楚茨文格"(zugzwang)。 来源: David Gale,“The game of Hex and the Brouwer fixed-point theorem”,The American Mathematical Monthly 86(1979)· Martin Gardner,“The game of Hex”,收于 Hexaflexagons and Other Mathematical Diversions(Chicago,1988)· Sylvia Nasar,A Beautiful Mind(Simon & Schuster,1998),第 11 章。

Hero Image
帕斯卡三角形:用加法搭起来

写一个 $1$。在它下面写两个 $1$。从此以后,每一行都以 $1$ 开头、以 $1$ 结尾,中间的每个数都是它正上方两个数之和: $$\begin{array}{ccccccccccc} &&&&&1&&&&&\\ &&&&1&&1&&&&\\ &&&1&&2&&1&&&\\ &&1&&3&&3&&1&&\\ &1&&4&&6&&4&&1&\\ 1&&5&&10&&10&&5&&1 \end{array}$$就这么简单。一条孩子一分钟就能学会的规则,造出了数学中内容最丰富的数表之一。今天它被称为帕斯卡三角形,在中国叫作杨辉三角。而帕斯卡其实是最后一批发现它的人之一。 一个有许多主人的三角形 在印度,大约公元前 2 世纪,诗人宾伽罗在计算一行诗中长短音节的组合方式时,得到了同样的数。10 世纪,注释家哈拉尤达画出了这张表,称它为 Meru-prastara,意思是“须弥山的阶梯”。 在巴格达,大约公元 1000 年,卡拉吉用这个三角形展开像 $(a+b)^5$ 这样的乘方。他的书失传了,但一个半世纪之后,大约在 1150 年,萨马瓦尔抄录了这张表和推理过程,并注明出自卡拉吉。在波斯,这个三角形也和诗人兼数学家欧玛尔·海亚姆联系在一起。 在中国,贾宪大约在 1050 年用它来开方。杨辉在 1261 年把它收入书中,朱世杰又在 1303 年的《四元玉鉴》中画出了它,数字用算筹写成。 朱世杰 1303 年著作中的三角形。在中国,它被称为杨辉三角或贾宪三角。朱世杰,《四元玉鉴》(1303) · Wikimedia Commons · 公有领域 在欧洲,这个三角形于 1527 年首次印在彼得鲁斯·阿皮亚努斯一本算术书的封面上。之后,米夏埃尔·施蒂费尔在 1544 年、尼科洛·塔尔塔利亚在 1556 年都用过它。直到今天,它在意大利叫塔尔塔利亚三角形,在伊朗叫海亚姆三角形,在中国叫杨辉三角。 帕斯卡的论文 1654 年,帕斯卡在和费马讨论赌注问题的同时,写成了《算术三角形论》,有法文和拉丁文两个版本。论文是这样开头的: 算术三角形这样构造:从任意一点 Z 画两条互相垂直的直线 ZL 和 ZT,在每条直线上标出任意多个相等的部分。 — 布莱兹·帕斯卡,《算术三角形》(1654) 这篇论文拉丁文版的第一页,这是已知的唯一一份,收藏在帕斯卡的故乡克莱蒙费朗。Clermont Auvergne Métropole · Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0 帕斯卡的三角形其实是一张阶梯形的方格表。他把每个小方格叫作单元格,把行叫作平行列,把列叫作垂直列,把对角线叫作底。每个单元格等于它上方的格子加上它左边的格子,这和我们今天用的规则是一样的,只是转了个方向。

Hero Image
纳什均衡:谁也无法单独改善

均衡点是这样一个 n 元组:如果其他人的策略保持不变,每个参与者的混合策略都使他自己的收益最大。 — 约翰·纳什,《美国国家科学院院刊》(1950) 1944 年,约翰·冯·诺伊曼和经济学家奥斯卡·摩根斯特恩出版了《博弈论与经济行为》,这部巨著把战略决策变成了数学:纸牌游戏、战争、市场。冯·诺伊曼的重大成果适用于两人零和博弈,即一方之所得就是另一方之所失,比如国际象棋或扑克。但生活中大多数情形并非如此:在贸易协定、谈判或交通中,双方可以一起赢,也可以一起输。 1949 年,一个 21 岁的学生找到了适用于任何博弈、任意多参与者的思想。 思想 在一场博弈中,每个参与者选择一个策略,每个人的结果取决于所有人的选择。纳什均衡是这样一种策略组合:在其他人保持各自策略不变时,没有任何参与者能通过单独改变策略而获益。 用符号表示:若 $s_i^*$ 是参与者 $i$ 的策略,$s_{-i}^*$ 表示其他人的策略,$u_i$ 是参与者 $i$ 的收益,则 $$\boxed{u_i(s_i^*,s_{-i}^*)\geq u_i(s_i,s_{-i}^*)\quad\text{对每个参与者 }i\text{ 和每个策略 }s_i.}$$在均衡中,每个人都在给定别人所做的事情的条件下尽力而为。谁也不后悔自己的选择。 广场还是咖啡馆? 安娜和布鲁诺约好下午见面,却忘了说在哪里,而且两人都没带手机。每人可以去广场或咖啡馆。两人都更喜欢咖啡馆,但最重要的是碰面。收益(先安娜、后布鲁诺)如下: 安娜 / 布鲁诺 广场 咖啡馆 广场 (2, 2) (0, 0) 咖啡馆 (0, 0) (3, 3) 逐一检验每种组合。在(咖啡馆,咖啡馆),如果安娜单独改去广场,她的收益从 3 变成 0;布鲁诺也一样。谁都不想改变:这是一个均衡。在(广场,广场),单独改变会让各自从 2 变成 0:这也是一个均衡!而在(广场,咖啡馆),安娜改去咖啡馆会获益,所以不是均衡。 这个博弈有两个均衡,其中一个对两人都更好。纳什的概念指出哪些组合是稳定的,却不说哪一个会发生。实际上,起决定作用的是惯例、习惯、两人常去的地方。 囚徒困境 1950 年,也就是纳什论文的同一年,兰德公司的两位研究员梅里尔·弗勒德和梅尔文·德雷希尔设计了一个博弈来检验这个想法,数学家阿尔伯特·塔克把它讲成两个囚犯的故事。警察抓住两名同伙,把他们分开审讯。每人可以沉默,也可以告发对方。刑期(以年计)如下: A / B 沉默 告发 沉默 (1, 1) (10, 0) 告发 (0, 10) (5, 5) 站在囚犯 A 的角度想。如果 B 沉默,A 沉默判 1 年,告发判 0 年:告发更好。如果 B 告发,A 沉默判 10 年,告发判 5 年:告发更好。无论 B 怎么选,告发对 A 都更好。 同样的推理对 B 也成立。唯一的纳什均衡是(告发,告发),各判 5 年。

Hero Image
组合:不用列举也能计数

在巴西的 Mega-Sena 彩票中,你要从 60 个号码里选 6 个。一共有多少种不同的选法?要全部列出来得花上一辈子:超过五千万种。但我们可以不列举也能计数,帕斯卡就展示了怎么做。 不计顺序地选取 先从一个小例子开始:从 5 个人中选 2 个人组成委员会,有多少种选法? 如果顺序有关系,第一个人有 $5$ 种选择,第二个人有 $4$ 种:$5\cdot4=20$。但在委员会里,“安娜和布鲁诺”与“布鲁诺和安娜”是一样的,每一对都被算了两次。所以委员会共有 $20/2=10$ 种。 一般地,从 $n$ 个东西中不计顺序地选出 $k$ 个,方法数是 $$\binom nk=\frac{n!}{k!\,(n-k)!},$$其中 $n!=n\cdot(n-1)\cdots2\cdot1$。读作“从 $n$ 中取 $k$ 的组合数”。对于那个委员会,$\binom52=\frac{120}{2\cdot6}=10$。 为什么它们就是三角形里的数 帕斯卡注意到,$\binom nk$ 恰好就是算术三角形中的数 $C(n,k)$。原因是同一条加法规则。 在这群人中挑出一个人,比如安娜。从 $n$ 个人中选出的每个 $k$ 人委员会,要么包含安娜,要么不包含。如果包含,就还要从其余 $n-1$ 人中选 $k-1$ 个;如果不包含,这 $k$ 个人就全部来自其余的 $n-1$ 人。所以 $$\binom nk=\binom{n-1}{k-1}+\binom{n-1}{k},$$这正是三角形的规则。两者的边上都是同样的 $1$,又遵守同样的规则,所以它们是同一张表。 Mega-Sena 现在大数目的计算就容易了: $$\binom{60}{6}=\frac{60\cdot59\cdot58\cdot57\cdot56\cdot55}{6\cdot5\cdot4\cdot3\cdot2\cdot1}=50\,063\,860.$$买一注的中奖机会是五千多万分之一。如果你每周买一注,平均要等将近一百万年才能中一次。 和的乘方 同样的推理解释了三角形的另一次出场。把 $$(a+b)^3=(a+b)(a+b)(a+b)$$乘开时,结果中的每一项都是从三个括号里各取 $a$ 或 $b$ 得到的。要得到 $a^2b$,必须恰好在三个括号中的一个里取 $b$:有 $\binom31=3$ 种取法。因此 $$(a+b)^3=a^3+3a^2b+3ab^2+b^3,$$一般地, $$(a+b)^n=\sum_{k=0}^n\binom nk a^{n-k}b^k.$$取 $a=b=1$,左边就是 $2^n$:又是第 $n$ 行的和。这个公式适用于整数指数。十年后,牛顿发现了指数为分数时会怎样:见广义二项式。

Hero Image
欧几里得式的毕达哥拉斯定理

在直角三角形中,直角所对的边上的正方形等于夹直角的两边上的正方形之和。 — 欧几里得,《几何原本》命题 I.47 早在希腊人之前,埃及的测量员每次尼罗河泛滥后都要重新划定田界,他们被称为 拉绳人。据说他们用一根打了 12 个等距结的绳子:拉成边长 3、4、5 的三角形,就得到一个直角。巴比伦人知道的要多得多:约公元前 1800 年的一块泥板 普林顿 322,列出了许多边长为整数的直角三角形,有些非常大,比如 3 367、3 456 和 4 825。 本站旧的几何课程从最简单的例子讲起: $$3^2+4^2=9+16=25=5^2,\qquad 6^2+8^2=36+64=100=10^2.$$埃及人和巴比伦人缺少的,是这个关系对 所有 直角三角形都成立的 证明。传统上把它归于公元前六世纪的毕达哥拉斯,但他的证明没有一个流传下来。我们所有的最古老的证明是欧几里得的,即第一卷的倒数第二个命题。(在中国,这一关系称为"勾股定理"。) 风车证明 设三角形 $ABC$ 在 $A$ 处为直角,直角边 $AB=c$,$AC=b$,斜边 $BC=a$。在每条边上各作一个正方形。得到的图形像一架风车,这个证明因此得名;阿拉伯数学家称之为"新娘的椅子"。 命题 I.47 的图。从 A 引出的高(虚线)把斜边上的正方形分成两个矩形:左边的与 AB 上的正方形面积相等,右边的与 AC 上的正方形面积相等。Euler’s Eyes 绘图 欧几里得的思路是,过 $A$ 作 $BC$ 的垂线,把 $BC$ 上的大正方形分成两个矩形,然后证明每个矩形都与一个小正方形面积相等。证明只用到两个已证明的事实: I.4:两边及其夹角对应相等的两个三角形全等,面积相等。 I.41:与平行四边形同底同高的三角形,面积是平行四边形的一半。 对左边的矩形,欧几里得考察两个以 $B$ 为顶点的三角形。第一个由 $B$、$A$ 以及下方正方形中位于 $B$ 正下方的顶点构成;第二个由 $B$、$C$ 以及 $AB$ 上的正方形中与 $B$ 相邻且不是 $A$ 的那个顶点构成。这两个三角形有两边对应相等,一边是 $AB$ 上正方形的边,一边是 $BC$ 上正方形的边,而且夹角相等:都是三角形的一个角加上一个直角。由 I.4,它们面积相等。

Hero Image
混合策略:点球与猜单双

每个有限博弈都有一个均衡点。 — 约翰·纳什,博士论文《非合作博弈》(1950) 有些博弈,如果每个参与者都选定一种固定的出法,就根本没有均衡。最简单的例子是猜单双。安娜押"双",布鲁诺押"单",两人各伸出一根或两根手指。和是双数,安娜得一分;是单数,布鲁诺得一分。把每人的选择简化为"一根"或"两根"手指,收益如下: 安娜 / 布鲁诺 1 根 2 根 1 根 (1, −1) (−1, 1) 2 根 (−1, 1) (1, −1) 检验这四种组合:在每一种中,输的一方换一种出法都会获益。固定出法下没有均衡。这很合理:总是出同一种的人,一旦被对方察觉就会输。 抽签是最好的策略 出路是混合:以一定的概率随机选择。混合策略就是各种出法上的一个概率分布。设安娜以概率 $p$ 伸 1 根手指,布鲁诺以概率 $q$ 伸 1 根手指,两人独立抽取。 如果安娜伸 1 根,她的期望收益是 $q\cdot1+(1-q)\cdot(-1)=2q-1$。如果伸 2 根,则是 $q\cdot(-1)+(1-q)\cdot1=1-2q$。只有当两种出法给她相同的收益时,也就是布鲁诺让她无差异时,安娜才愿意混合: $$2q-1=1-2q\quad\Longrightarrow\quad q=\frac12.$$同理,只有当 $p=\frac12$ 时布鲁诺才会混合。唯一的均衡是每人各以 50% 的概率伸 1 根或 2 根手指。面对这种混合,任何策略,无论纯的还是混合的,都无法让对方的期望收益大于零。 纳什定理 这正是 1950 年论文的重大成果:每个参与者和出法数目都有限的博弈,只要允许混合策略,就至少有一个纳什均衡。 证明用到一个不动点定理。对每一个混合策略组合,构造另一个组合:每个参与者都把自己的混合稍稍朝收益更高的出法移动一点。这就定义了策略组合集合到其自身的一个连续函数。这个集合就像一个没有洞的球,而布劳威尔定理保证:球到自身的每个连续函数都有一个不动点,即函数不移动的组合。一个不动的点,恰恰就是谁都不想改变的组合:一个均衡。 定理保证均衡存在,但不说它唯一,也不说它容易计算。今天我们知道,在大型博弈中,找到纳什均衡可能是一个极其困难的计算问题。 点球 混合策略最著名的例子发生在球场上。罚点球时,罚球者选择方向,而守门员必须在看到球之前扑出。对于右脚罚球者,自然方向是他的左侧,也就是守门员的右侧。设进球概率如下: 罚球者 / 守门员 守门员扑向自然方向 守门员扑向另一侧 射向自然方向 60% 95% 射向另一侧 90% 70% 这些数字经过取整,但接近欧洲足球的真实数据:守门员扑错方向时罚球者几乎不会失手;自然方向射起来最顺脚,但守门员扑对方向时也最容易扑出。

Hero Image
德·梅雷骑士的骰子与公平的分配

安托万·贡博自称德·梅雷骑士,是法国宫廷里的一位作家,也是一个狂热的赌徒。大约在 1654 年,他向帕斯卡提出了两个关于赌注的问题。帕斯卡觉得这两个问题非常好,就写信给皮埃尔·德·费马,概率论就从这些信中诞生了。 谈到这位朋友,帕斯卡对费马说: 他很有头脑,但不是几何学家;而您知道,这是一个很大的缺点。 — 布莱兹·帕斯卡,致费马的信(1654 年 7 月 29 日) 第一个问题:一个六点和两个六点 德·梅雷知道一种有利可图的赌法:把一颗骰子掷 4 次,赌至少出现一次六点。他赢的次数比输的多。 于是他推想:用两颗骰子时,同时出现两个六点比一颗骰子出现六点要少见 6 倍。为了弥补,只要多掷 6 倍就行:$4\cdot6=24$ 次。“两颗骰子掷 24 次,至少出现一次双六”这个赌法,应该和第一个一样好。 结果并非如此。德·梅雷输了钱,却不明白为什么。 正确的算法要从反面入手。一颗骰子不出六点的概率是 $\frac56$。独立地掷 4 次,一次六点都不出现的概率是 $\left(\frac56\right)^4$。所以 $$P(\text{4 次中至少一个六点})=1-\left(\frac56\right)^4=1-\frac{625}{1296}\approx0.518.$$两颗骰子共有 $36$ 种结果,其中只有一种是双六。掷一次不出现双六的概率是 $\frac{35}{36}$: $$P(\text{24 次中至少一个双六})=1-\left(\frac{35}{36}\right)^{24}\approx0.491.$$第一种赌法有 51.8% 的机会赢;第二种只有 49.1%。德·梅雷的比例法则看起来很合理,但概率不是这样相加的。掷 25 次时,机会才超过一半:$1-\left(\frac{35}{36}\right)^{25}\approx0.506$。 光靠赌能看出来吗? 几乎不能。49.1% 和 50% 的差别太小了,要赌上几千次才能可靠地察觉。所以历史学家认为,德·梅雷怀疑的是算法,而不是自己的钱包:他认为都正确的两条规则给出了不同的答案,他想知道哪一条错了。 第二个问题:中断的赌局 两个玩家各押 32 枚皮斯托尔金币,共 64 枚。谁先赢 3 局,谁就拿走全部。比赛在 A 赢了 2 局、B 赢了 1 局时中断了。这 64 枚金币该怎样公平地分? 费马的解法是数出所有可能的序列。帕斯卡的做法不同:他只看下一局。 如果 A 赢了下一局,他就达到 3 局,拿走全部 64 枚。 如果 B 赢了,比分变成 2 比 2,两人打平:每人应得 32 枚。 下一局两人赢的机会相同。所以不管发生什么,A 都稳拿 32 枚,另外 32 枚不确定,两人各有一半机会。帕斯卡的结论是 A 应该得到