Hero Image
约瑟夫-路易·拉格朗日的一生

年表 17361 月 25 日生于撒丁王国首都都灵,原名朱塞佩·洛多维科·拉格朗吉亚。 175317 岁时读到埃德蒙·哈雷的一篇文章,决定献身数学。 1755写信给欧拉,提出后来发展成变分法的方法。9 月,19 岁的他被任命为都灵炮兵学校教授。 1757参与创立后来成为都灵科学院的科学学会。 1764解释了月球为什么总是以同一面朝向地球,获得巴黎科学院的奖项。 1766迁居柏林,在腓特烈大帝的科学院接替欧拉的位置。 1770证明每个正整数都是四个平方数之和,并开始研究方程根的置换。 1772因三体问题与欧拉分享巴黎科学院奖,拉格朗日点就出现在这项工作中。 1787腓特烈去世后迁居巴黎,住进卢浮宫。 1788出版《分析力学》。 1790加入创立公制的委员会。 1794拉瓦锡被送上断头台。拉格朗日成为新成立的巴黎综合理工学院教授。 1797出版《解析函数论》,书中使用记号 $f'(x)$。 1808拿破仑封他为帝国伯爵。 18134 月 10 日在巴黎去世,安葬于先贤祠。 ◀ 上一站 沿路线走一遍 下一站 ▶ 1736–1766 都灵19 岁时担任炮兵学校教授,写信给欧拉,提出了后来发展为变分法的方法。 1766–1787 柏林接替欧拉在腓特烈大帝科学院的职位。证明四平方和定理,发现拉格朗日点。 1787–1813 巴黎住在卢浮宫,出版《分析力学》,参与创立米制,在巴黎综合理工学院任教。葬于先贤祠。 请启用 JavaScript 以查看地图。各站列在下方。 拉格朗日的三座首都:都灵、柏林和巴黎。 地图:© OpenStreetMap 贡献者 1736–1766 · 都灵1766–1787 · 柏林1787–1813 · 巴黎 拉格朗日的三座首都:都灵、柏林和巴黎。 一位失去一切的父亲 拉格朗日 1736 年生于都灵。他的家族在曾祖父那一支有法国血统,曾祖父曾为萨伏依公爵效力。孩子受洗时取名朱塞佩·洛多维科·拉格朗吉亚,一生中用过许多种署名,最后定为法文形式:约瑟夫-路易·拉格朗日。他是十一个孩子中的老大,只有两个活到成年。 父亲是王国公共工程与要塞事务的司库,这是个体面的职位,家里很富裕。但他在金融投机中几乎赔光了家产。年老时,拉格朗日谈起这件事时很幽默: 如果我当初很富有,大概就不会献身于数学了。 — 约瑟夫-路易·拉格朗日,据其传记作者德朗布尔 哈雷与转向 父亲希望他当律师,年轻的拉格朗日也乐于学习拉丁文和古典文学。希腊几何让他觉得乏味。转变发生在 17 岁左右:他偶然读到英国天文学家埃德蒙·哈雷 1693 年的一篇文章,讲的是代数方法在光学中的好处。拉格朗日被这种用计算、不用图形来解决问题的想法迷住了,决定自学数学。这种偏好一辈子都没有离开他。

Hero Image
约翰·伯努利的一生

年表 16677 月 27 日生于巴塞尔,是尼古劳斯·伯努利的第十个孩子。 1682被送到纳沙泰尔学做生意,却毫无天分。 1683进入巴塞尔大学,学医,同时跟哥哥雅各布学数学。 1691解决悬链线问题。先去日内瓦,后到巴黎。 1692开始给洛必达侯爵讲授微积分。 1694获得医学博士学位。与洛必达签约,并与多罗特娅·法尔克纳结婚。 1695成为荷兰格罗宁根的数学教授。 1696发起最速降线挑战。洛必达用他的课写成的书出版。 1705回到巴塞尔。雅各布去世,约翰继承了他的教席。 1717在给瓦里尼翁的信中提出虚功原理。 1720开始指导年轻的莱昂哈德·欧拉。 1734与儿子丹尼尔分享巴黎科学院奖,随后把他赶出家门。 17481 月 1 日在巴塞尔去世,终年 80 岁。 ◀ 上一站 沿路线走一遍 下一站 ▶ 1667–1682 巴塞尔出生,是尼古劳斯·伯努利的第十个孩子,父亲想让他经商。 1682 纳沙泰尔被送去学做生意,却毫无天分。 1683–1691 巴塞尔学习医学,并和哥哥雅各布一起钻研莱布尼茨的微积分。解决了悬链线问题。 1691 日内瓦前往巴黎途中经过日内瓦。 1691–1692 巴黎结识马勒伯朗士的圈子,开始给洛必达侯爵讲授微积分,也在乌克的城堡里上课。 1695–1705 格罗宁根在荷兰任数学教授。1696 年提出最速降线问题的挑战。 1705–1748 巴塞尔回到家乡,接任雅各布的教席,指导年轻的欧拉,并与儿子丹尼尔反目。1748 年去世,享年 80 岁。 请启用 JavaScript 以查看地图。各站列在下方。 约翰·伯努利往返于巴塞尔、巴黎和格罗宁根之间。 地图:© OpenStreetMap 贡献者 1667–1682 · 巴塞尔1682 · 纳沙泰尔1683–1691 · 巴塞尔1691 · 日内瓦1691–1692 · 巴黎1695–1705 · 格罗宁根1705–1748 · 巴塞尔 约翰·伯努利往返于巴塞尔、巴黎和格罗宁根之间。 不想卖香料的小儿子 约翰是香料商人、巴塞尔市议员尼古劳斯·伯努利的第十个孩子。父亲已经输掉了一场仗:本该当牧师的长子雅各布满脑子都是数学。对小儿子可不能再这样了。15 岁时,约翰被送到纳沙泰尔学法语,学经商。

Hero Image
变分法:一位十九岁青年的信

牛顿和莱布尼茨的微积分会找曲线的最高点:就在导数为零的地方。但还有另一类问题。两点之间最短的路是什么?滑梯做成什么形状,小球滑下来最快?一根挂着的链子是什么曲线?在这些问题里,答案不是一个数,而是一整条曲线,要从无穷多条可能的曲线中挑出来。 最速降线 1696 年,约翰·伯努利向全欧洲的数学家发出挑战。给定两点 $A$ 和 $B$,$B$ 比 $A$ 低,但不在 $A$ 的正下方。一个小球只靠自身重量、无摩擦地滑行,沿哪条曲线从 $A$ 到 $B$ 用时最短?这个问题的名字来自希腊语:brachistos 意为最短,chronos 意为时间。 直线是最短的路,却不是最快的。一开始陡一点往下冲,早点获得速度,即使路程变长也划算。约翰、他的哥哥雅各布、莱布尼茨、洛必达,还有一位大家都认出是牛顿的匿名作者回应了挑战。答案是摆线,即滚动的轮子上一点所画出的曲线。 每个解法都是一个各不相同的巧妙技巧。例如约翰把小球想象成一束光,穿过密度越来越小的一层层玻璃,用的是折射定律。还缺一个一般的方法。 欧拉的方法 欧拉花了多年寻找这种方法,并在 1744 年把它发表在一本名为《寻求具有某种极大或极小性质的曲线的方法》的书中。思路是几何的:用一个边数很多的多边形代替曲线,只移动其中一个顶点,看看要优化的量如何变化。这个方法管用,但计算冗长,而且每个问题都需要单独画一幅图。 1755 年的信 1755 年 8 月 12 日,欧拉收到一封来自都灵、一位 19 岁无名青年的信。拉格朗日提出了另一种做法:不去移动一个顶点,而是一次改变整条曲线。如果 $y(x)$ 是要找的曲线,他考虑一条邻近的曲线 $$y(x)+\delta y(x),$$其中 $\delta y$ 是一个小扰动,在两端为零,因为端点 $A$ 和 $B$ 是固定的。$\delta$ 是希腊字母的 d,这是个新符号:它表示函数的变化,正如莱布尼茨的 $d$ 表示变量的变化。 这类问题中,许多都要求让一个积分取最小或最大值: $$J=\int_a^b F(x,y,y')\,dx,$$其中 $F$ 依赖于点的位置、曲线的高度和它的斜率。例如,曲线的长度是 $$J=\int_a^b\sqrt{1+y'^2}\,dx.$$方程 拉格朗日的计算只需三步。第一步,积分的变化等于 $y$ 和 $y'$ 的变化各自引起的变化之和: $$\delta J=\int_a^b\left(\frac{\partial F}{\partial y}\,\delta y+\frac{\partial F}{\partial y'}\,\delta y'\right)dx.$$第二步,由于 $\delta y'$ 是 $\delta y$ 的导数,分部积分可以把导数转移到另一个因子上。边界项消失了,因为 $\delta y$ 在两端为零:

Hero Image
悬链线:悬挂的链子

Ut pendet continuum flexile, sic stabit contiguum rigidum inversum.(柔软的线怎样悬垂,刚硬的拱倒过来就怎样站立。) — 罗伯特·胡克,1705 年破解的字谜 拿一根细链子的两端,让它自然下垂。它会形成一条漂亮的曲线,看上去像抛物线。1638 年,伽利略认为它确实是抛物线,至少近似如此。荷兰人克里斯蒂安·惠更斯 17 岁时就证明了它不可能是。但它到底是什么曲线,没有人知道。 1690 年 5 月,雅各布·伯努利在《学者学报》上把这个问题作为挑战提给读者。他自己试了一年,没有成功。1691 年 6 月发表了三份正确的解答:莱布尼茨的、时年 62 岁的惠更斯的,以及雅各布最小的弟弟、24 岁的约翰的。约翰从不让人忘记这件事: 我哥哥的努力没有成功。至于我,我更幸运一些,因为我找到了完整解决它的本领——我说这话并非自夸,何必隐瞒真相呢?诚然,这番钻研让我整整一夜不得安歇。 — 约翰·伯努利致皮埃尔·雷蒙·德·蒙莫尔的信(1718) 看链子的一段 诀窍是不看整条链子,而只看其中一段。把原点放在最低点,$y$ 轴朝上,考虑从最低点到右边某点 $P$ 的那一段。 这一段静止不动,所以作用在它上面的力是平衡的。共有三个力: 在最低点,链子以水平力 $H$ 向左拉; 在 $P$ 点,链子沿切线方向以力 $T$ 拉; 这一段的重量 $w\,s$,其中 $w$ 是每米的重量,$s$ 是这一段的长度。 水平方向上,$T$ 的水平分量与 $H$ 平衡;竖直方向上,$T$ 的竖直分量与重量平衡。由于 $T$ 沿切线方向,两个分量之比就是斜率 $y'$: $$y'=\frac{\text{竖直}}{\text{水平}}=\frac{w\,s}{H}=\frac sa,\qquad a=\frac Hw.$$数 $a$ 具有长度的量纲,衡量链子被拉得有多紧。 链子的方程 现在对 $x$ 求导。由毕达哥拉斯定理应用于曲线的一小段,长度的增长率是 $\frac{ds}{dx}=\sqrt{1+y'^2}$。于是 $$y''=\frac1a\sqrt{1+y'^2}.$$令 $u=y'$,分离变量: $$\frac{du}{\sqrt{1+u^2}}=\frac{dx}{a}.$$左边的积分是 $\operatorname{arsinh}u$,即 双曲正弦 $\sinh z=\frac{e^z-e^{-z}}2$ 的反函数。由于最低点的斜率为零,$u(0)=0$,所以

Hero Image
《分析力学》:一本没有图的书

翻开牛顿 1687 年的《原理》,几乎每一页都有图:三角形、椭圆、箭头、切线。翻开一百年后、1788 年出版的拉格朗日《分析力学》,一幅图也看不到。作者本人在序言里自豪地预先说明了这一点,并补充道: 热爱分析的人会高兴地看到力学成为分析的一个新分支,并会感谢我这样扩展了它的领域。 — 约瑟夫-路易·拉格朗日,《分析力学》序言(1788) 《分析力学》(Méchanique analitique)初版扉页,巴黎,1788 年。Joseph-Louis Lagrange · Wikimedia Commons · 公有领域 这本书是在柏林写的,带到巴黎时已经差不多完成了。没有出版商愿意为这样一本艰深的论著冒险,是年轻的阿德里安-马里·勒让德说服了一位书商出版它,并校对了校样。据说印好的书送来后,拉格朗日在一段消沉的日子里两年都没有打开它。 力的麻烦 在牛顿力学里,要知道一个物体怎样运动,必须列出作用在它上面的所有力,再像箭头一样把它们加起来。比如在单摆中,作用的有重力和绳子的张力。重力好办,张力却不然:它每时每刻都在变化,事先谁也不知道。它的作用只是让小球拴在绳上,但即便如此,还是得先把它算出来,才能得到运动。 拉格朗日想要一种方法,让这些约束力根本不出现。 一个函数管全部 拉格朗日的想法是用随意选择的坐标来描述系统,哪种最自然就用哪种。对单摆来说,一个数就够了:绳子与竖直方向的夹角 $\theta$。然后用这些坐标写出两种能量: $T$,运动的能量(今天叫动能); $V$,因位置而储存的能量(今天叫势能)。 再组成一个函数,今天叫作拉格朗日量: $$L=T-V.$$真实的运动就是满足欧拉-拉格朗日方程的那一个,只是现在用时间 $t$ 代替 $x$: $$\frac{d}{dt}\frac{\partial L}{\partial\dot q}-\frac{\partial L}{\partial q}=0,$$其中 $q$ 是坐标,上面带一点的 $\dot q$ 是它的速度,这是牛顿的记号。这是一份配方:写出 $L$,求导,令其为零。没有图,也没有箭头。 第一个检验:自由落体 对于高度为 $h$、质量为 $m$ 的物体,运动的能量是 $T=\frac12m\dot h^2$,储存的能量是 $V=mgh$。于是 $$\begin{aligned}L&=\tfrac12m\dot h^2-mgh,\\ \frac{\partial L}{\partial\dot h}&=m\dot h,\qquad\frac{\partial L}{\partial h}=-mg.\end{aligned}$$方程变成 $m\ddot h+mg=0$,即 $\ddot h=-g$:物体以恒定加速度 $g$ 下落。这是伽利略的定律,一个箭头也没画就重新得到了。 单摆 现在来看让牛顿吃力的例子。质量为 $m$ 的小球挂在长为 $\ell$ 的绳子上。设角度为 $\theta$,小球的速度是 $\ell\dot\theta$,位于悬挂点下方 $-\ell\cos\theta$ 的高度。所以

Hero Image
洛必达法则:卖给侯爵的课

我承认,我从伯努利两位先生的见识中获益良多,尤其是那位年轻的、现任格罗宁根教授的先生。我毫不客气地采用了他们的发现,以及莱布尼茨先生的发现。 — 洛必达侯爵,《无穷小分析》序言(1696) 1691 年,纪尧姆·德·洛必达侯爵 30 岁,有爵位,有城堡,还有一份热情:弄懂莱布尼茨的微积分。这门学问刚刚发表,在法国几乎没有人读得懂。当比几乎所有人都更懂微积分的瑞士青年约翰·伯努利来到巴黎时,侯爵聘他做了私人教师。 约翰回到瑞士后,课程通过书信继续。1694 年 3 月 17 日,洛必达给他写信,提出了一个不寻常的提议:每年 300 里弗尔的年金,条件是约翰回答他的问题,把自己的发现寄给他,并且不告诉任何其他人。约翰新婚不久,又没有职位,就答应了。 《用于理解曲线的无穷小分析》扉页(巴黎,1696),第一本微分学教科书。Wikimedia Commons · 公有领域 两年后,《用于理解曲线的无穷小分析》在巴黎出版,封面上没有作者姓名,但人人都知道是洛必达写的。这是历史上 第一本微分学教科书,条理清晰,在欧洲用作微积分教材将近一个世纪。第 9 章里有一条计算 $\frac00$ 型极限的法则。 问题:零除以零 我们常常想知道,当 $x$ 趋近某点 $a$,而 分子和分母 都趋于零时,分式 $\frac{f(x)}{g(x)}$ 趋于什么。例如 $$\lim_{x\to0}\frac{\sin x}{x}.$$代入 $x=0$ 得到 $\frac00$,这没有意义。分式可能趋于任何值,也可能不趋于任何值。必须比较两个函数趋于零的 快慢。 约翰的想法 在 $a$ 附近,可导函数很像它的切线: $$f(x)\approx f(a)+f'(a)(x-a),\qquad g(x)\approx g(a)+g'(a)(x-a).$$如果 $f(a)=g(a)=0$,剩下的是 $$\frac{f(x)}{g(x)}\approx\frac{f'(a)(x-a)}{g'(a)(x-a)}=\frac{f'(a)}{g'(a)}.$$造成 $\frac00$ 的因子 $(x-a)$ 约掉了。法则说:如果 $f(a)=g(a)=0$,且右边的极限存在,则 $$\boxed{\lim_{x\to a}\frac{f(x)}{g(x)}=\lim_{x\to a}\frac{f'(x)}{g'(x)}.}$$对正弦:$\lim\frac{\sin x}{x}=\lim\frac{\cos x}{1}=1$。如果新的商仍是 $\frac00$,就再用一次法则: $$\lim_{x\to0}\frac{e^x-1-x}{x^2}=\lim_{x\to0}\frac{e^x-1}{2x}=\lim_{x\to0}\frac{e^x}{2}=\frac12.$$严格的证明要用到十九世纪的柯西中值定理。约翰用的是无穷小推理:在 $a$ 附近"几乎为零"的 $f$ 和 $g$ 各是一个无穷小,两个无穷小之比就是它们的微分之比 $\frac{df}{dg}$。

Hero Image
拉格朗日点:引力平衡的地方

2021 年 12 月 25 日,一枚火箭从法属圭亚那起飞,载着詹姆斯·韦伯空间望远镜。它没有像哈勃那样被送入绕地球的轨道,而是飞行了一个月,到达离我们 150 万千米、始终位于背向太阳一侧的一个空无一物的点,然后停在那里。这个点的位置来自拉格朗日 1772 年的一篇获奖论文。它叫作 L2。 三个天体 牛顿完全解决了两个相互吸引的天体的运动,比如太阳和一颗行星:每个都画出一个椭圆。换成三个天体,比如太阳、地球和月球,一切就复杂了。每个天体都在拉另外两个,运动可能变得混乱。18 世纪的数学家知道这不容易,巴黎科学院多次把这个问题定为悬赏题目。 1772 年,这项奖由欧拉和拉格朗日分享。拉格朗日的论文《论三体问题》没有找到一般解。事实上,这样的公式解并不存在,庞加莱在 1890 年证明了这一点。但他找到了令人惊讶的东西:一些特殊解,在这些解中三个天体像一个刚体一样一起转动,它们构成的图形形状始终不变。 有两种方式可以做到这一点。三个天体可以排成一直线,欧拉在 1767 年已经找到了这种解。也可以位于一个等边三角形的三个顶点上,三角形大小不限,绕质心旋转。第二种是拉格朗日的发现。 五个点 当三个天体中有一个非常小时,比如太阳和地球附近的一艘飞船,这些解就变成空间中的五个位置。放在其中任意一处的飞船会和地球一起绕太阳转动,相对于两者的位置始终不变。 日地系统的五个拉格朗日点。L1、L2 和 L3 位于连接两个天体的直线上;L4 和 L5 与它们构成等边三角形,分别在地球前方 60° 和后方 60°。Euler’s Eyes 绘图 L1 在地球和太阳之间,那里地球的引力抵消了太阳引力的一小部分。 L2 在地球的另一侧,那里两者的引力相加。 L3 在太阳的另一侧,比地球稍远一点。 L4 和 L5 是等边三角形的顶点。 L2 的计算 为什么 L2 在 150 万千米之外,而不是别处?一个物体位于地球外侧距离 $r$ 处,它到太阳的距离是 $R+r$,其中 $R$ 是日地距离。要和地球一起转动,它必须用同样的时间,也就是一年,绕太阳一周。离太阳更远时,单靠太阳的引力不足以做到这一点;地球的引力朝同一方向拉,补上了缺少的部分。 写出总引力与沿曲线运动所需的力相等的关系,并利用 $r$ 远小于 $R$,就得到一个简单的公式:

Hero Image
最速降线:1696 年的挑战

给定竖直平面上的两点 A 和 B,求一条曲线 AMB,使运动物体 M 仅凭自身重量下降,沿此曲线从 A 到 B 所用时间最短。 — 约翰·伯努利,《学者学报》(1696 年 6 月) 1696 年 6 月,约翰·伯努利在《学者学报》上向"全世界最敏锐的数学家"发起挑战。这个问题听起来像游乐场里的事:两点之间最快的滑梯是什么形状?问题的名字来自希腊语:brachistos,最短;chronos,时间。最速降线,即用时最短的曲线。 约翰给了六个月的期限,并宣布自己已经有了答案。这是对所有人的挑战,但有两个目标:一个是正与他公开交战的哥哥雅各布,另一个是被莱布尼茨的朋友们指控抄袭微积分的艾萨克·牛顿。 答案不是直线 直线是 最短 的路径,但不是 最快 的。一个无摩擦下滑的小球在下落中不断加速。所以先陡峭地往下冲、尽早获得速度是划算的,即使路程因此变长。另一方面,冲得太猛又会让路程过长。最好的路径是一种折中,而找到它,就是在无穷多条可能的曲线中找出一整条曲线。 让 $x$ 轴水平,$y$ 轴 朝下,起点为 $A=(0,0)$。由能量守恒,下落高度 $y$ 后的速度是 $$\frac12mv^2=mgy\quad\Longrightarrow\quad v=\sqrt{2gy}.$$它只取决于高度,与路径无关。 约翰的想法:小球是一束光 约翰有一个绝妙的主意。费马已经证明,光从一种介质进入另一种介质时,走的是 用时最短的路径,由此得出斯涅尔折射定律: $$\frac{\sin\alpha_1}{v_1}=\frac{\sin\alpha_2}{v_2},$$其中 $\alpha$ 是光线与竖直方向的夹角,$v$ 是光在各介质中的速度。光也想尽快到达! 于是约翰设想把 $A$ 与 $B$ 之间的空间切成极薄的水平层,像一层层玻璃板,每层有一个速度 $v=\sqrt{2gy}$,越往下越大。穿过这些层的光线每经过一层就弯折一次。层无限薄时,光线就成了一条光滑曲线,斯涅尔定律在每一点都成立: $$\frac{\sin\alpha}{v}=\text{常数}.$$这就是曲线的方程。由于 $\alpha$ 是切线与竖直方向的夹角,$\sin\alpha=\dfrac{1}{\sqrt{1+y'^2}}$。代入 $v=\sqrt{2gy}$ 并平方, $$\boxed{\ y\left(1+y'^2\right)=2a\ }$$其中 $a>0$ 为常数。 答案:摆线 约翰认出了这个方程:它是 摆线 的方程。摆线是轮子沿直线滚动时,轮缘上一点画出的曲线,这里是倒过来的。半径为 $a$ 的轮子转过角 $\theta$ 时, $$x=a(\theta-\sin\theta),\qquad y=a(1-\cos\theta).$$我们来验证。两导数相除,$y'=\dfrac{\sin\theta}{1-\cos\theta}=\cot\dfrac\theta2$,又因为 $1-\cos\theta=2\sin^2\dfrac\theta2$,

Hero Image
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:$x^2+y^2+1^2+0^2$。

Hero Image
指数演算:求 x 的 x 次幂的导数

莱布尼茨的微积分会对指数固定的幂求导,比如 $x^3$ 或 $x^{1/2}$:$x^n$ 的导数是 $nx^{n-1}$。但在 1694 年给莱布尼茨的一封信里,约翰·伯努利摆出了一个怪东西:表达式 $$y=x^x,$$其中底数 和 指数同时变化。$x^n$ 的法则用不上,因为指数不固定;$a^x$ 的法则也用不上,因为底数不固定。1697 年,约翰在《学者学报》上发表了"指数演算原理",给出了处理这类幂的方法。他把它们称为 游动的(percurrent),因为指数在各个值之间游动。 对数的诀窍 思路是把幂变成我们会求导的乘积。设 $x>0$,两边取自然对数: $$\ln y=x\ln x.$$现在两边对 $x$ 求导。左边由链式法则得到 $\dfrac{y'}y$。右边由乘积法则得到 $1\cdot\ln x+x\cdot\dfrac1x=\ln x+1$。于是 $\dfrac{y'}{y}=\ln x+1$, $$\boxed{\frac{d}{dx}\,x^x=x^x\,(\ln x+1).}$$这种对函数的对数而不是函数本身求导的技巧,后来被称为 对数求导法。它对任何 $f>0$ 的 $y=f(x)^{g(x)}$ 都适用: $$\ln y=g\ln f\quad\Longrightarrow\quad y'=f^{\,g}\left(g'\ln f+g\,\frac{f'}f\right).$$括号里的两项分别记录了两种变化:指数的变化 $g'\ln f$,和底数的变化 $g\frac{f'}f$。如果底数固定,只剩第一项,回到 $\frac{d}{dx}a^x=a^x\ln a$;如果指数固定,只剩第二项,回到 $nx^{n-1}$。 x 的 x 次幂在哪里最小 由于 $x^x$ 总是正的,导数的符号就是 $\ln x+1$ 的符号。当 $x<\frac1e$ 时为负,当 $x>\frac1e$ 时为正。函数一直下降到 $x=\frac1e\approx0.368$,然后上升。最小值是 $$\left(\frac1e\right)^{1/e}=e^{-1/e}\approx0.692.$$也就是说:在所有正数中,没有哪个数的自身次幂小于 $0.692$。例如 $0.5^{0.5}=\sqrt{0.5}\approx0.707$,$0.3^{0.3}\approx0.697$,都略高一点。 在零附近呢? 当 $x$ 趋近零时,$x^x$ 会怎样?底数趋于零,往下拉;指数趋于零,往 1 拉。谁赢?写成 $x^x=e^{x\ln x}$,用 洛必达法则 计算指数:

Hero Image
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 $2!=2$。

Hero Image
虚功原理

在任意力的任何平衡中,无论这些力以何种方式施加,正能量之和都等于负能量之和。 — 约翰·伯努利致皮埃尔·瓦里尼翁的信(1717 年 1 月 26 日) 从阿基米德起,每一种简单机械都有自己的一套解释。杠杆遵循力臂定律;斜面遵循斯蒂文发明的力的分解;滑轮靠关于绳子的推理;螺旋又是另一回事。1717 年,约翰·伯努利在给法国朋友皮埃尔·瓦里尼翁的信中证明,这些定律全都是 同一个原理 的特例。 想法:只动一点点 设想一台处于平衡的静止机械。现在设想你在思想中让它移动一段极小的距离,同时遵守它的约束:杠杆绕支点转动,绳子不伸长,木块不离开斜面。这种想象中的位移叫作 虚位移,因为它并不真的发生。 在每个受力 $F_i$ 的点上,该点沿力的方向移动了一点点 $\delta s_i$。乘积 $F_i\,\delta s_i$ 就是这个力的 虚功。约翰称之为 能量,这是这个词第一次以接近今天的含义出现。原理说: $$\boxed{\ \text{平衡时,}\quad\sum_i F_i\,\delta s_i=0\ \text{ 对一切虚位移成立。}\ }$$帮助运动的力所做的功,等于阻碍运动的力所做的功。静止的机械不能无中生有地产生功。 阿基米德的杠杆 一根杠杆上,重物 $P_1$ 和 $P_2$ 分别距支点 $a$ 和 $b$。让杠杆转过一个极小的角 $\delta\theta$。$P_1$ 一侧下降 $a\,\delta\theta$,$P_2$ 一侧上升 $b\,\delta\theta$。下降的重物做正功,上升的做负功: $$P_1\,a\,\delta\theta-P_2\,b\,\delta\theta=0\quad\Longrightarrow\quad P_1\,a=P_2\,b.$$这就是阿基米德定律,不需要任何相似三角形的图形:$\delta\theta$ 直接约掉了。 滑轮 在一组滑轮中,重物 $W$ 由 $n$ 段绳子吊着,一个人用力 $F$ 拉绳子的自由端。如果重物上升 $\delta h$,$n$ 段绳子每段都缩短 $\delta h$,这些绳子全都从自由端出来,自由端移动 $n\,\delta h$。所以 $$F\cdot n\,\delta h-W\,\delta h=0\quad\Longrightarrow\quad F=\frac Wn.$$用四段绳子,只需 25 千克的力就能提起 100 千克。但要在距离上付出代价:重物上升 1 米,就得拉动 4 米绳子。