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费马与帕斯卡:公平分配中断的赌局

两个玩家各下相同的赌注,玩一场多局的游戏:谁先赢得规定的局数,谁就拿走全部赌注。游戏进行到一半,不得不中断。钱该怎样公平地分配? 这就是点数问题(分赌注问题)。它看起来简单,却难倒了数学家 150 多年。 错误的答案 1494 年,意大利修士卢卡·帕乔利提出按已赢局数的比例分配。如果 A 赢了 2 局、B 赢了 1 局,A 就拿走 $\frac23$。 听起来合理,其实不然。设想一场先赢 100 局者胜的游戏,在 A 以 1 比 0 领先时中断。按帕乔利的规则,A 拿走全部赌注。可游戏才刚开始,B 获胜的机会几乎一样大。重要的不是已经发生了什么,而是还可能发生什么。 1654 年的通信 这个问题经由法国贵族、嗜好赌博的德·梅雷骑士传到了布莱兹·帕斯卡手中。帕斯卡写信给图卢兹的费马,1654 年夏天两人往来了一系列书信。他们各自用不同的方法找到了答案:帕斯卡用逐步倒推的推理,费马则列举所有可能情况。 当帕斯卡看到两种方法给出同样的答案时,他写道: 我清楚地看到,真理在图卢兹和在巴黎是一样的。 — 布莱兹·帕斯卡致费马的信(1654 年 7 月 29 日) 费马的方法:数一数所有的未来 假设每一局就像抛硬币:每个玩家赢这一局的机会都是 $\frac12$。游戏中断时,A 还差 1 局,B 还差 2 局。 费马这样推理:最多再过两局,一定有人获胜。于是我们设想两局都打完,即使第一局已经决出胜负。所有可能的结果(概率都相同)是: 局 胜者 A A A A B A B A A B B B A 在 4 种情况中赢 3 种;B 赢 1 种。概率为

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莱布尼茨的机器:把算术变成运动

1642 年,年轻的布莱兹·帕斯卡为了帮助当税务官的父亲,造了一台机器。这台“帕斯卡计算器”通过转动齿轮做加法和减法。但要做乘法,就得用手反复做很多次加法。 莱布尼茨在巴黎见到了帕斯卡计算器,想更进一步:造一台能自己做乘法和除法的机器。 乘法就是加法加移位 诀窍和学校里的竖式乘法一样。要算 $23\times14$,把 14 拆成 $4+10$: $$23\times14=23\times4+23\times10=92+230=322.$$乘以 4 就是把 23 加四次。乘以 10 只是把数左移一位。所以,一台加法做得好、又能移位的机器,就能做任何乘法。 把 23 × 14 拆成 23 × 4 和 23 × 10。示意图解释的是计算,并非历史上那台机器的复制品。本博客原创插图。 阶梯轮 莱布尼茨的计算机,带有阶梯圆柱,陈列于德累斯顿技术收藏馆。当时只造了两台,唯一留存下来的一台保存在汉诺威的戈特弗里德·威廉·莱布尼茨图书馆。Kolossos · Wikimedia Commons · CC BY-SA 3.0 难点在于:如何让机器把同一个数加好几次,而不需要操作者重新输入。莱布尼茨的解决方案是阶梯轮(德语 Staffelwalze):一个圆柱体上带有九个长短不一的齿,就像一道绕在上面的阶梯。 一个小齿轮在阶梯轮旁边滑动。如果它停在“3”的高度,阶梯轮每转一圈只有三个齿能碰到它,它就转动三格;如果停在“7”,就转七格。所以,调好小齿轮的位置,就等于在机器里存储了一个数字。每摇一次手柄,就再加一次这个数字。 计算 $23\times4$ 时,先设好 2 和 3,摇四次手柄。然后把机器的活动部分移一位,再摇一次,加上 $23\times10$。结果显示在表盘上:322。 进位的难题 在十进制齿轮上给 9 加 1,表盘要回到 0,同时下一个齿轮要前进一格:这就是“进位”。计算 $9999+1$ 时,四个齿轮必须依次、在恰当的时刻把进位传递下去。以 17 世纪零件的精度,这是最难的地方。

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运动定律:力与速度的变化

在亚里士多德看来,物体只有在被推着的时候才会运动。不推车了,车就停下。这似乎显而易见,也被接受了将近两千年。 伽利略对此表示怀疑。他让小球沿斜面滚动,发现表面越光滑,小球滚得越远。如果完全没有摩擦,它将永远不会停下。笛卡儿也得出了类似的想法。牛顿把这些线索汇集起来,在 1687 年的《原理》中写下了三条定律,它们成了整个力学的基础。 1687 年《原理》第一版的扉页。艾萨克·牛顿 · Wikimedia Commons · 公有领域。 这本书用拉丁文写成,证明几乎全部采用欧几里得式的几何。牛顿当时已经掌握了流数法,但他选择了读者不会争议的语言。三条定律一开篇就作为公理出现。 第一定律:惯性 每个物体都保持其静止或匀速直线运动的状态,除非有外力迫使它改变这种状态。 — 《原理》,定律一 车停下来是因为摩擦力使它减速,而不是因为它“累了”。在太空中,远离一切,一个关闭了发动机的探测器会沿直线飞行数百万公里。1977 年发射的旅行者号探测器就是这样,至今仍在远离太阳。 这一课违反直觉:力不是维持运动的原因,而是改变运动的原因。 第二定律:力与加速度 运动的改变与所施加的动力成正比,并沿该力作用的直线方向发生。 — 《原理》,定律二 牛顿所说的“运动”,就是今天所说的动量:质量乘以速度。当质量不变时,这条定律就变成我们熟悉的公式: $$\sum\vec F=m\,\vec a.$$$\sum$ 提醒我们,起作用的是所有力的合力。如果 10 N 的力向右推一个 2 kg 的木块,4 N 的摩擦力向左拉,合力就是向右 6 N,于是 $$a=\frac{6}{2}=3\ \text{m/s}^2.$$用流数的语言,加速度是 $\ddot x$,即位置的流数的流数。第二定律于是说 $m\ddot x=F$:这是一个微分方程。知道了力,就能一瞬接一瞬地算出整个运动。正是这一点使牛顿力学成为一台预测机器。 第三定律:作用与反作用 每一个作用总有一个大小相等、方向相反的反作用。 — 《原理》,定律三 你推墙时,墙以同样大小的力推你。游泳的人向后推水,水向前推人。火箭也是一样:它向下喷出气体,气体向上推动火箭。 一个常见的困惑:既然两个力大小相等、方向相反,为什么不会抵消?因为它们作用在不同的物体上。你施加的力作用在墙上,墙施加的力作用在你身上。要判断你是否加速,只看作用在你身上的力。 以他命名的单位 在国际单位制中,力的单位叫作牛顿(N)。1 牛顿是使 1 千克物体产生 1 m/s² 加速度的力。一个普通的苹果重约 1 N,这个巧合让物理老师们津津乐道。 三定律的影响 凭借这三句话,再加上万有引力定律,《原理》解释了物体的下落、抛射体的运动、潮汐、月亮的轨道以及地球两极的扁平。直到今天,设计桥梁、计算卫星轨道、模拟汽车碰撞,用的仍是这些定律。 练习:一个物体所受合力为零,它的速度一定为零吗?不一定。根据第一定律,它可以静止,也可以做匀速直线运动。合力为零意味着加速度为零,而不是速度为零。 练习:一辆 1000 kg 的汽车在 10 s 内从 0 加速到 20 m/s,平均合力是多少?平均加速度为 $\dfrac{20}{10}=2$ m/s²。由第二定律,$F=1000\cdot2=2000$ N。

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班伯里法:用分班衡量证据

炸弹机很快,但还不够快,无法测试海军恩尼格玛的每一种转子顺序。1940 年,图灵发明了一种纸笔方法,在开动机器之前就排除掉大部分顺序。由于这种方法用的纸张印制于班伯里镇,同事们把它命名为班伯里法(Banburismus)。 这是一种统计方法。为了设计它,图灵重新发明了现代统计学的一个核心思想。 重复出现的字母 把两份德文电报上下对齐,数一数两者在同一位置有相同字母的地方。由于德语大量使用 E、N、R 和 I,重合会比字母随机抽取时频繁得多。在德文文本中,对齐的两个字母相同的概率约为 $\frac1{17}$;如果字母是随机的,这个概率是 $\frac1{26}$。 恩尼格玛以一种奇特的方式保留了这个性质:如果两份电报是用同一串转子位置加密的,原文中的重合在密文中仍然是重合,因为同一位置上的相同字母会变成相同的字母。如果位置不同,比率就降到 $\frac1{26}$。所以,数重合的次数就为“两份电报是否对齐”提供了证据,从而透露出转子位置的信息。 一次重合值多少 图灵问:一次重合应该使我对“电报已对齐”的信心增加多少?答案是似然比,即在一种情况下看到重合的可能性是另一种情况的多少倍: $$\frac{\text{对齐时重合的概率}}{\text{未对齐时的概率}}=\frac{1/17}{1/26}=\frac{26}{17}\approx1.53.$$一个没有重合的位置则是相反方向的证据,弱得多: $$\frac{16/17}{25/26}=\frac{416}{425}\approx0.979.$$按照贝叶斯定理,每条证据都把几率(一个假设的概率与另一个假设的概率之比)乘以它的似然比。位置多了,乘法就多,而手算乘法很慢。 用加法代替乘法 图灵做了纳皮尔三个世纪前做过的事:改用对数,把乘法变成加法。他把似然比的常用对数称为班(ban),把它的十分之一称为分班(deciban): $$\text{以分班计的权重}=10\log_{10}(\text{似然比}).$$现在,每次重合值 $$10\log_{10}\frac{26}{17}\approx+1.8\ \text{分班},$$每个没有重合的位置值 $$10\log_{10}\frac{416}{425}\approx-0.09\ \text{分班}.$$第 8 号营房的操作员只需计数和相加。总计 $+20$ 分班,意味着证据使这个假设的几率变成原来的 $10^2=100$ 倍。 能察觉到的最小证据 在布莱切利园与图灵共事的统计学家 I. J. 古德回忆说,选择分班,是因为它大致是人的直觉能察觉到的证据权重的最小变化,就像分贝是耳朵能察觉到的最小音量变化一样。战后,古德发展了这些思想,帮助奠定了现代贝叶斯统计学。他使用的“证据权重”这套语言,来自图灵。 练习:把证据加起来两份电报对齐了 200 个位置,有 14 处重合。总权重是多少分班?对齐的假设变得更可能了吗? 有 14 处重合和 186 个无重合的位置:$14\cdot1.8+186\cdot(-0.09)\approx25.2-16.7=8.5$ 分班。是正的:支持对齐的几率大约乘以 $10^{0.85}\approx7$。如果字母随机,预期的重合是 $200/26\approx7.7$ 次;如果对齐,是 $200/17\approx11.8$ 次。14 次更符合对齐。 练习:多少次重合打成平手?在 100 个位置中,多少次重合 $k$ 会使总权重为零? $1.8k-0.09(100-k)=0$,即 $1.89k=9$,$k\approx4.8$。在 100 个位置中有 5 次或更多重合,证据就已偏向对齐。这个数介于随机预期 $100/26\approx3.8$ 和对齐预期 $100/17\approx5.9$ 之间。

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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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约翰·纳皮尔的遗产

对数的发明把几个月的工作缩短为几天,可以说使天文学家的寿命延长了一倍。 — 据说出自皮埃尔–西蒙·拉普拉斯 很少有发明传播得这样快。不到十年,对数就在英格兰、荷兰、德意志和意大利得到使用。三个半世纪里,它们是人类最主要的计算工具。 开普勒 第一位重要的使用者是约翰内斯·开普勒,他在 1617 年见到纳皮尔的表,欣喜不已。1619 年,他给这位苏格兰男爵写了一封感谢信,却不知道他已去世两年,并把 1620 年的《星历表》献给了他。开普勒自己编制了对数表,并在 1627 年的《鲁道夫星表》中使用。这部当时最精确的行星位置表证实了椭圆轨道。 自然对数 对数的数学有了自己的生命。1647 年,比利时人格雷瓜尔·德·圣文森特和他的学生阿方斯·德·萨拉萨发现,双曲线 $y=1/x$ 下的面积具有对数的性质。自然对数记作 $\ln$,底为 $e\approx2.71828$,就是欧拉研究并命名的那个数,它早已藏在纳皮尔用两个点给出的定义里。今天,对数出现在地震的里氏震级、声音的分贝、化学的 pH 值、计算机的存储和算法的复杂度之中。 《奇妙的对数表的描述》的扉页,爱丁堡,1614 年。作者署名为“默奇斯顿男爵、苏格兰人约翰·纳皮尔”。John Napier · Wikimedia Commons · 公有领域 其他贡献 小数点。 弗拉芒人西蒙·斯蒂文在 1585 年提倡使用小数,但记法很复杂。纳皮尔在《算筹术》和《构造》中用一个点把整数部分隔开,如 25.803,推动了这一习惯的传播。 球面三角形。 纳皮尔创造了便于记忆的圆部法则,把直角球面三角形的十个公式归结为两句话,用于天文和航海。纳皮尔比拟式至今仍出现在球面三角学的书中。 奈培。 电信中衡量对数比值的单位叫奈培(neper),以纪念他。月球上也有一座以他命名的环形山。 留下了什么 计算。 对数,把乘法变成加法,把乘方变成乘法。 工具。 纳皮尔算筹、速算盒,以及经由冈特和奥特雷德发展出的计算尺。 记号。 小数点和"对数"这个词。 三角学。 圆部法则和纳皮尔比拟式。 科学。 开普勒的星表、航海,以及此后三个世纪的工程。 城堡周围的大学 纳皮尔出生和去世的默奇斯顿塔楼至今仍在。1960 年代,爱丁堡市在它周围建了一所技术学院,以纳皮尔命名。如今它是爱丁堡纳皮尔大学,那座 15 世纪的塔楼就矗立在校园中央,被现代建筑环绕。 要点回顾 约翰·纳皮尔生于 1550 年,卒于 1617 年。经过二十年计算,他在 1614 年发表了对数。 在等比数列中相乘,就是在等差数列中相加:$2^a\times2^b=2^{a+b}$。 纳皮尔用两个运动的点定义对数;用现代语言说,$\operatorname{NapLog}(x)=10^7\ln(10^7/x)$。 他与布里格斯一起采用了以 10 为底:$\log1=0$,$\log10=1$,由 $2^{10}\approx10^3$ 可得 $\log2\approx0.30103$。 纳皮尔算筹读出乘法表的一行,再沿斜线相加,就完成乘法。 计算尺把与对数成正比的长度相加,从而做乘法。 来源: Julian Havil,John Napier: Life, Logarithms, and Legacy(2014)· Eli Maor,e: The Story of a Number(1994)· 纳皮尔传记,MacTutor。

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伯努利数:七分钟算出一千个幂的和

借助这张表,我用了不到半刻钟(七分半钟)就求出:前一千个数的十次幂之和等于 91 409 924 241 424 243 424 241 924 242 500。 — 雅各布·伯努利,《猜度术》(1713),第二部分 传说少年 高斯 把第一个数和最后一个数配对,几秒钟就算出了 1 到 100 的和:$1+2+\cdots+n=\frac{n(n+1)}2$。平方和与立方和也有公式,从阿基米德和阿拉伯数学家起就已为人所知: $$\begin{aligned}1^2+2^2+\cdots+n^2&=\frac{n(n+1)(2n+1)}6,\\ 1^3+2^3+\cdots+n^3&=\left(\frac{n(n+1)}2\right)^2.\end{aligned}$$那么四次、五次、十次幂呢?十七世纪,好几位数学家一个一个地推导这些公式,写满了一页又一页。法国人伊斯梅尔·布里奥在 1682 年出版了一部厚书,费尽力气也只推到六次幂。雅各布·伯努利找到了一条能给出 所有 公式的规则。 那张表 在《猜度术》的第二部分,雅各布把这些公式一个接一个地写下来,仔细端详: $$\begin{aligned}\sum_{k=1}^n k&=\tfrac12n^2+\tfrac12n\\ \sum_{k=1}^n k^2&=\tfrac13n^3+\tfrac12n^2+\tfrac16n\\ \sum_{k=1}^n k^3&=\tfrac14n^4+\tfrac12n^3+\tfrac14n^2\\ \sum_{k=1}^n k^4&=\tfrac15n^5+\tfrac12n^4+\tfrac13n^3-\tfrac1{30}n\\ \sum_{k=1}^n k^5&=\tfrac16n^6+\tfrac12n^5+\tfrac5{12}n^4-\tfrac1{12}n^2\end{aligned}$$这里有规律。$m$ 次幂之和总是 $m+1$ 次多项式。第一个系数是 $\frac1{m+1}$,与积分 $\int_0^n x^m\,dx=\frac{n^{m+1}}{m+1}$ 一样。第二个系数总是 $\frac12$。后面的系数看起来像 二项式 $(n+1)^{m+1}$ 的系数,只是分别乘上了某些固定的数。 神秘的数 雅各布意识到,只需要一列数,今天记作 $B_0,B_1,B_2,\dots$,称为 伯努利数,就能一次写出所有公式: $$\boxed{\sum_{k=1}^n k^m=\frac1{m+1}\sum_{j=0}^{m}\binom{m+1}{j}B_j\,n^{m+1-j}}$$怎样求出 $B_j$?有个简单的诀窍:公式必须对 $n=1$ 成立,此时和只是 $1^m=1$。令 $n=1$,$n$ 的所有幂都变成 1,剩下 $$\sum_{j=0}^{m}\binom{m+1}{j}B_j=m+1.$$从 $B_0=1$ 开始,每个 $m$ 值给出下一个数: $m=1$:$1+2B_1=2$,所以 $B_1=\frac12$。 $m=2$:$1+3\cdot\frac12+3B_2=3$,所以 $B_2=\frac16$。 $m=3$:$1+4\cdot\frac12+6\cdot\frac16+4B_3=4$,所以 $B_3=0$。 $m=4$:$1+5\cdot\frac12+10\cdot\frac16+0+5B_4=5$,所以 $B_4=-\frac1{30}$。 继续下去,$B_6=\frac1{42}$,$B_8=-\frac1{30}$,$B_{10}=\frac5{66}$,而下标为大于 1 的奇数的都等于零。这些数没有明显的规律:$B_{12}=-\frac{691}{2730}$,此后增长得非常快。

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光是电磁波

我们几乎无法回避这样的结论:光是由同一种介质的横向波动构成的,而这种介质正是电磁现象的起因。 — 詹姆斯·克拉克·麦克斯韦,《论物理力线》(1862),斜体为原文所加 1861 年夏天,在远离书本的格伦莱尔,麦克斯韦用他的涡旋和小轮子模型做了一个计算:如果传递电力和磁力的介质受到扰动,扰动会以波的形式传播。速度是多少?计算给出的数只取决于两个在实验室里用磁铁和电荷测得的常数。他手头没有这些数值。10 月回到伦敦后,他去查了。那个数就是 光速。 波动方程 我们用今天形式的方程重新算一遍。在没有电荷也没有电流的地方,$\rho=0$,$\mathbf J=0$,方程组变成 $$\nabla\cdot\mathbf E=0,\qquad\nabla\cdot\mathbf B=0,\qquad\nabla\times\mathbf E=-\frac{\partial\mathbf B}{\partial t},\qquad\nabla\times\mathbf B=\mu_0\varepsilon_0\frac{\partial\mathbf E}{\partial t}.$$对第三个方程取旋度: $$\nabla\times(\nabla\times\mathbf E)=-\frac{\partial}{\partial t}(\nabla\times\mathbf B)=-\mu_0\varepsilon_0\frac{\partial^2\mathbf E}{\partial t^2},$$这里用到了第四个方程。左边,一个矢量恒等式给出 $\nabla\times(\nabla\times\mathbf E)=\nabla(\nabla\cdot\mathbf E)-\nabla^2\mathbf E$,而由第一个方程,第一项为零。剩下 $$\boxed{\nabla^2\mathbf E=\mu_0\varepsilon_0\,\frac{\partial^2\mathbf E}{\partial t^2}.}$$这就是 波动方程,与达朗贝尔的振动弦和声音的方程相同。在波动方程 $\nabla^2u=\frac1{v^2}\frac{\partial^2u}{\partial t^2}$ 中,波速是 $v$。所以这里 $$v=\frac{1}{\sqrt{\mu_0\varepsilon_0}}.$$那个数 用今天的数值,$\varepsilon_0\approx8.854\times10^{-12}$ F/m,$\mu_0\approx1.257\times10^{-6}$ H/m, $$v=\frac1{\sqrt{8.854\times10^{-12}\cdot1.257\times10^{-6}}}\approx2.998\times10^8\ \text{m/s}=299\,792\ \text{km/s}.$$1862 年,麦克斯韦用了德国人威廉·韦伯和鲁道夫·科尔劳施 1856 年用莱顿瓶放电测得的常数,得到 310 740 km/s。当时最好的光速测量是法国人伊波利特·菲佐 1849 年用齿轮和 8 千米外的一面镜子做的,结果是 314 858 km/s。这两个数是用毫不相干的途径得到的,一个靠磁铁,一个靠镜子,相差只有百分之一多一点。这就是引文那句话的由来,麦克斯韦把它写成了斜体。 波的样子 最简单的解是沿 $x$ 方向传播的平面波: $$\mathbf E=E_0\cos(kx-\omega t)\,\hat{\mathbf y},\qquad\mathbf B=\frac{E_0}{c}\cos(kx-\omega t)\,\hat{\mathbf z},$$其中 $\omega=ck$。电场在 $y$ 方向振荡,磁场在 $z$ 方向振荡,两者都垂直于波的传播方向:这是 横波,正如麦克斯韦所预言的,这也是光可以 偏振 的原因,而这一点早在十八世纪就已为人所知。磁场比电场小 $c$ 倍,两者同步振荡,相位相同。