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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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莱布尼茨对牛顿的点:能动的记号与贫瘠的记号

1675 年 10 月 29 日,在巴黎,莱布尼茨正在把一条曲线下面无穷多的细条加起来,他厌倦了在每个和式前面写 omnia(“全部”)。他在笔记本上记下: Utile erit scribi ∫ pro omnia.(用 ∫ 代替“全部”来写,将会很有用。) — 莱布尼茨,1675 年 10 月 29 日的手稿 $\int$ 是一个拉长的 S,取自 summa(和)。两周后,在同一本笔记里,出现了 $d$,取自 differentia(差),表示无穷小的差。有了这两个符号,莱布尼茨手里就有了一套表达整个微积分的语言。艾萨克·牛顿早在十年前就在剑桥得到了同样的思想,但写法不同。要看一个符号的形状如何改变人们能用它做的事,这是历史上最好的例子。 艾萨克·牛顿(1643–1727):流数与点。戈弗雷·内勒 · Wikimedia Commons · 公有领域 戈特弗里德·威廉·莱布尼茨(1646–1716):微分与 ∫。克里斯托夫·伯恩哈德·弗兰克 · Wikimedia Commons · 公有领域 同一个想法的两种写法 牛顿想的是随时间流动的量,比如运动物体的位置。他把这个量叫作流量,把它的变化率叫作流数,并开始在字母上方加一个点来标记流数:如果流量是 $x$,流数就是 $\dot{x}$;流数的流数是 $\ddot{x}$。 莱布尼茨想的是相邻两个值之间极小的差。$x$ 的差是 $dx$,$y$ 的差是 $dy$,变化率就是两者之比 $\dfrac{dy}{dx}$。并排来看: 想表达的意思 牛顿 莱布尼茨 $y$ 的变化率 $\dot y$ $\dfrac{dy}{dx}$ 相对于什么? 时间(隐含) $x$(写明) 二阶导数 $\ddot y$ $\dfrac{d^2y}{dx^2}$ 细条之和 没有固定符号 $\displaystyle\int y\,dx$ 链式法则 记住法则 $\dfrac{dz}{dx}=\dfrac{dz}{dy}\cdot\dfrac{dy}{dx}$ 牛顿的点更短。但请注意它隐藏了什么:对哪个变量求导。对牛顿来说,那总是时间,这在他的物理学里是对的。当一个量依赖的不是时间,或者同时依赖好几个量时,点就没有地方说明这一点了。