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雅各布·伯努利的遗产

雅各布·伯努利只活了五十岁,生前发表的东西不多,几乎都是《学者学报》上的短文。即便如此,很少有数学家像他一样,留下这么多我们至今天天在用的词语、符号和思想:积分、伯努利试验、二项分布、伯努利数、大数定律、随机。 “积分"这个词 莱布尼茨把导数的逆运算称为 calculus summatorius,即求和的演算,并用 $\int$ 来写它,这是 summa(和)的首字母 S 拉长后的样子。1690 年 5 月,雅各布在解决等时曲线问题时写道,两个表达式有"相等的积分”。这是 积分(integral)一词第一次出现在印刷的数学文本里。约翰采用了这个术语;1696 年,莱布尼茨同意把他的"求和演算"改称伯努利兄弟的 积分学。符号沿用莱布尼茨的,名称则来自雅各布。 年份 作者 记号或名称 出处 1659 彼得罗·门戈利 omnia $x$ Geometriae speciosae elementa 1675 莱布尼茨 $\int x$ 1675 年 10 月 29 日的手稿 1690 雅各布·伯努利 “integral” 《学者学报》 1696 莱布尼茨与约翰·伯努利 calculus integralis 通信 1822 傅里叶 $\int_a^b f(x)\,dx$ 《热的解析理论》 悬挂的链子 在 1690 年的同一篇文章里,雅各布问:两端悬挂的链子是什么形状?伽利略曾以为是抛物线。1691 年,约翰、莱布尼茨和惠更斯发表了正确答案,即 悬链线,今天用双曲余弦写作 $y=a\cosh\frac xa$。雅各布在这场比赛中输给了弟弟,但问题是他提出的。悬链线 的故事在约翰的学习路线里。 棣莫弗与正态曲线 黄金定理指出频率会接近概率,但雅各布对所需观察次数的估计过于夸大。1733 年,流亡伦敦的法国人亚伯拉罕·棣莫弗为 $n$ 很大时的二项式各项寻找更好的近似,发现了钟形曲线 $$y=\frac1{\sqrt{2\pi}}\,e^{-x^2/2}.$$这是 正态曲线 的首次出现,后来拉普拉斯和高斯把它放到了统计学的中心。有了它,雅各布的罐子只需大约 6 500 次抽取,而不是他算出的 25 550 次。

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帕斯卡原理:用水放大力

一头大象和一位穿高跟鞋的女士:谁会在松软的泥地上陷得更深?可能是那位女士。大象比她重五十倍,但它的重量分散在四只宽大的脚掌上;而她的重量集中在细细的鞋跟尖上。 让地面下陷的不是力,而是压强:力除以它所作用的面积。 $$p=\frac FA.$$压强的单位是帕斯卡:$1\ \text{Pa}=1\ \text{N/m}^2$,即一牛顿的力分布在一平方米上。这是很小的压强;在海平面,大气压强大约是 $100\,000$ Pa。 关于液体的论著 大约在 1653 年,帕斯卡写成了《论液体的平衡》,这本书在他去世后的 1663 年才出版。书中有一条我们今天称为帕斯卡原理的规律: 在密闭容器内静止的液体中,任一点所增加的压强,会等值地传递到液体的各个部分和容器壁上。 在中间捏一管牙膏,牙膏会从管口挤出来:你手指的压强传到了那里。把一个气球灌满水,在几个地方扎上小孔再一挤:水会从每一个孔向各个方向喷出来。 被撑破的木桶 据说帕斯卡做过一个著名的演示。他拿来一个装满水、封得很严的木桶,在桶盖上插了一根又细又高、约 10 米长的管子。他登上阳台,往管子里倒水。只倒了一升多一点,木桶就破裂了。 我们不知道这一幕是否完全如此发生,但计算表明它是可能的。高度为 $h$ 的液柱底部的压强是 $$p=\rho gh,$$其中 $\rho$ 是液体的密度,$g\approx9.8\ \text{m/s}^2$。对于 10 米高的水柱,$\rho=1000\ \text{kg/m}^3$, $$p=1000\cdot9.8\cdot10=98\,000\ \text{Pa}.$$起作用的是水柱的高度,而不是水的多少。如果管子的横截面是 $1\ \text{cm}^2$,10 米高的水只有 $1$ 升。但这 $98\,000$ Pa 会传到整个桶盖上。如果桶盖的面积是 $0.2\ \text{m}^2$,它受到的力就是 $$F=pA=98\,000\cdot0.2=19\,600\ \text{N},$$相当于两吨重的物体。细管里的一升水推着桶盖,就像有一辆汽车压在上面。 水压机 帕斯卡意识到,他可以利用这条原理来放大力。设想两个装满水的圆筒,底部相连,各用一个活塞封住,一个细,一个粗。用力 $F_1$ 推细活塞,压强增加 $F_1/A_1$,同样的增量传到粗活塞上: $$\frac{F_1}{A_1}=\frac{F_2}{A_2}\quad\Longrightarrow\quad F_2=F_1\cdot\frac{A_2}{A_1}.$$ 一个人推动小活塞,就能抵得上一百个人推动大一百倍的活塞的力量。 — 布莱兹·帕斯卡,《论液体的平衡》 如果小活塞的面积是 $2\ \text{cm}^2$,大活塞是 $8\ \text{cm}^2$,比值就是 $4$。在小活塞上施加 $50$ N 的力,大活塞上就得到 $200$ N。抬起汽车的液压千斤顶、用一只脚的力就能让汽车停下的刹车,还有挖掘机,都是这样工作的。 小活塞上的力(N): 面积之比 A₂/A₁: 理想模型:两个活塞高度相同,小活塞面积 2 cm²,流体不可压缩。 改变力的大小和两个面积之比。大活塞上的力变大了,但它移动的距离按同样的比例变小。 请启用 JavaScript 以使用控件。正文中也算出了这些例子。

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Calculemus:用计算来推理

纠正我们推理的唯一方法,是让它们像数学家的推理一样具体可感,使我们一眼就能发现错误;而当人们发生争论时,我们只需说一声:让我们来计算吧!不必多费口舌,就能看出谁是对的。 — 莱布尼茨,《发现的艺术》(1685) 莱布尼茨是律师、外交官和哲学家。他一生目睹了无数永无休止的争论:宗教之间、国家之间、哲学流派之间。而数学家不会争论 $2+2$ 是否等于 4,只会去算。如果推理也能像数字一样被计算呢? 思想的字母表 这个计划分为两部分。 第一部分是一种通用语言,莱布尼茨称之为 characteristica universalis(普遍文字)。在这种语言里,每个简单观念都有一个符号,复杂观念则是这些符号的组合,就像单词由字母组合而成。莱布尼茨 20 岁时在 1666 年的《论组合术》中就开始构思它。 第二部分是一种推理演算,即 calculus ratiocinator:一套操作符号的规则,让人像做加法一样机械地得出正确结论。在那样的世界里,争论可以用纸和笔来解决。 把概念当作质数 莱布尼茨真的尝试过一个用数字的版本。想法是:给每个简单概念分配一个质数,给每个复合概念分配其组成部分的质数之积。 例如,按照经典定义,“人是理性的动物”。如果动物 $=2$,理性 $=3$,那么人 $=2\times3=6$。 于是,“所有人都是动物”这句话就变成一个算术问题:**2 能整除 6 吗?**能,所以这句话为真。那“所有动物都是人”呢?**6 能整除 2 吗?**不能,所以为假。关于概念的推理变成了一道除法题。 这个系统有严重的问题,它处理不好否定和“有些”这类句子。莱布尼茨知道这一点,并不断尝试其他形式。但核心思想——逻辑可以是代数——已经提出来了。 用今天的记号举例 今天我们用逻辑符号书写推理。考虑关于一个图形的三个命题: $P$:这个图形是正方形; $Q$:这个图形是矩形; $R$:这个图形的两条对角线等长。 如果 $P\Rightarrow Q$(所有正方形都是矩形)且 $Q\Rightarrow R$(所有矩形的对角线都相等),那么 $P\Rightarrow R$。结论来自论证的形式,根本不需要去想正方形。这正是莱布尼茨想要的:只看符号就能检验推理。 但符号不会创造奇迹。如果前提是错的,计算再正确,结论也可能是错的。而颠倒蕴含关系是常见的错误:由“所有正方形都是矩形”推不出所有矩形都是正方形。 组合不等于解释 三个命题,每个或真或假,共有 $2^3=8$ 种组合:000、001、010、011、100、101、110、111。注意,这正是 0 到 7 的二进制写法。逻辑与 0、1 构成的数之间的联系,莱布尼茨已有所察觉,两个世纪后它将成为核心。 部分实现的梦想 莱布尼茨关于逻辑的著作几乎全部未发表,直到 19 世纪。尽管如此,这个想法又回来了: 1854 年,乔治·布尔出版《思维规律》,把逻辑变成了一种只有 0 和 1 的代数。 1879 年,戈特洛布·弗雷格创造了一套完整的逻辑符号语言,与莱布尼茨的设想非常接近。 1936 年,艾伦·图灵描述了一种抽象机器,能执行任何用规则描述的计算。 然而在 1931 年,库尔特·哥德尔证明了:没有任何规则系统能判定数学中的所有真理。莱布尼茨完整的梦想是不可能实现的。但其中可能的那一部分就存在于每台电脑里:一个按规则操作符号的机械装置。

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光与颜色:棱镜并不制造彩虹

在牛顿的时代,人们已经知道阳光穿过玻璃棱镜会形成一条彩色光带。公认的解释来自亚里士多德和笛卡儿:白光是纯净的,玻璃改变了它,使它逐渐变暗。改变少就是红色,改变多就是蓝色和紫色。 牛顿对此表示怀疑。会不会颜色本来就在白光里,棱镜只是把它们分开了? 暗室 1666 年,牛顿把一个房间弄暗,在窗板上开一个小孔,让一束细细的阳光射进来。他在光路上放了一块棱镜。对面墙上出现了一条从红到紫的彩色光带。 第一个意外是它的形状。小孔是圆的,按照“改变”理论,应当出现一个圆形彩斑。但光带的长度是宽度的五倍。在牛顿看来,这说明每种颜色偏折的角度不同:紫色偏折最多,红色最少。 判决性实验 这还不能证明什么。也许棱镜一直在“制造”颜色。于是牛顿做了他所说的 experimentum crucis,即判决性实验。 他在一块挡板上开孔,只让光带中的一种颜色(比如红色)通过,再让这束光穿过第二块棱镜。如果玻璃会制造颜色,第二块棱镜应当把红光变成一道新的彩虹。结果没有。红光出来仍是红光,只是被偏折了,而且偏折角总是相同。蓝光也一样,只是偏折得更多。 结论:每种颜色都是白光的一个成分,有自己特定的折射程度。棱镜不制造颜色,只是把它们分开。为了让论证完整,牛顿又用透镜和第二块棱镜把各种颜色重新汇聚,再次得到了白光。 教学示意图:棱镜把白光中原本就有的颜色分开。线条表示不同颜色的路径,未按比例绘制。本博客原创插图。 危险的实验 牛顿拿自己的身体做视觉实验。他在笔记中描述,曾把一根粗针插进眼球和眼眶骨之间,按压眼底,观察出现的彩色光圈。还有一次,他通过镜子盯着太阳看了太久,不得不在黑暗中关了好几天,视力才恢复。千万不要模仿。 用数字描述折射 今天我们用斯涅尔定律描述折射,它在牛顿之前就已被发现(伊本·萨尔、斯涅尔和笛卡儿各自独立得到): $$n_1\sin\theta_1=n_2\sin\theta_2.$$角度从垂直于表面的法线量起,$n$ 是各介质的折射率。用今天的话说,牛顿的发现是:玻璃的折射率取决于颜色。普通玻璃对红光约为 $1.51$,对紫光约为 $1.53$。差别很小,却足以把颜色展开成扇形。 例如,一束光以 $\theta_1=45°$ 从空气($n_1=1$)射入玻璃:对红光,$\sin\theta_2=\dfrac{0.707}{1.51}\approx0.468$,得 $\theta_2\approx27.9°$;对紫光,$\sin\theta_2=\dfrac{0.707}{1.53}\approx0.462$,即 $\theta_2\approx27.5°$。仅在棱镜的第一个面上就相差半度。 为什么是七种颜色? 光谱是连续的,颜色之间并没有天然的边界。牛顿起初数出五种,后来加上橙色和靛色凑成七种,因为他想和音阶的七个音对应。这就是为什么人们至今仍说彩虹有七种颜色。 反射望远镜 牛顿 1668 年第一架反射望远镜的复制品,1924 年为伦敦科学博物馆制作。Science Museum Group · Wikimedia Commons · CC BY 4.0 这个发现带来了实际后果。当时的望远镜使用透镜,而透镜和棱镜一样,对每种颜色的偏折都不同。星星看起来边缘带色、模糊不清。牛顿断定,用简单透镜无法解决这个问题,于是用一面对所有颜色反射都相同的曲面镜取代了主透镜。 1668 年,他亲手磨制金属镜面,造出了第一架实用的反射望远镜,长约 15 厘米。正是这台仪器在 1671 年展示给皇家学会后,使他声名鹊起。今天的大型望远镜,包括詹姆斯·韦布太空望远镜,都是反射式的。 1672 年,牛顿发表了颜色理论。罗伯特·胡克对此提出批评,争执让人极不愉快,以至于牛顿直到 1704 年,也就是胡克去世一年后,才出版完整的著作《光学》。 练习:如果光在两种介质中的速度相同,光线会改变方向吗?不会。速度相同意味着折射率相同,$n_1=n_2$,斯涅尔定律给出 $\sin\theta_1=\sin\theta_2$。光线沿直线前进。 资料来源: 牛顿的光学工作,牛顿项目 · 1672 年关于光与颜色的信。

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正态曲线,高斯钟

如果测量误差是随机的,它们是如何分布的?在Theoria motus中,高斯从这个想法出发 均值是最佳估计,并得出误差曲线的形状: $$f(x) = \frac{1}{\sigma\sqrt{2\pi}}\, e^{-\frac{(x - \mu)^2}{2\sigma^2}},$$ 其中 $\mu$ 是平均值,$\sigma$ 是标准差。这是正态曲线,或高斯钟形:高 中等、对称,并且远离平均值越来越低。它出现在任何地方,从高处 人们对机器的错误。 观看钟声升起的一个美丽方式是高尔顿机,由弗朗西斯·高尔顿在1873发明。 弹珠穿过钉子网格落下,在每个钉子上,它们以相同的方式向左或向右移动 机会。大多数在中间附近结束,少数到达末端: 扔下弹珠,观看高斯钟出现。只有几个球,一切都乱七八糟;有了数百个,形式就单独出现了。 Ative o JavaScript para ver esta figura interativa. 对于正态曲线,规则 68-95-99,7 适用: 大约 68% 的值与平均值的标准差高达 1; 大约 95% 最多相差 2 个标准差; 大约 99,7% 最多相差 3 个标准差。 不久之后,比利时人 Adolphe Quételet 使用正态曲线来研究人:身高、体重、 出生、死亡和收入大致遵循高斯的钟声。 10 德国马克纸币 (1989–2001):高斯、正态曲线和公式,位于哥廷根建筑物旁边。欧拉之眼系列 钞票上的铃铛 从1989到2001,10德国马克纸币上有高斯的脸、公式和曲线的绘制 正常。值得一提的是,法国人Abraham de Moivre在1733中已经发现了这条曲线,但正是利用 高斯的测量误差使她成名。另请参阅帖子 统计概念. 卡尔·弗里德里希·高斯的所有主题 · ← Ceres 和最小二乘法 · Egregium 定理和曲率 →

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形态发生:方程里的豹斑

胚胎起初是一团几乎相同的细胞。然而最后,每只手有五根手指,斑马有条纹,豹子有斑点。如果起初一切都是均匀的,形态从何而来?1952 年,在他发表的最后一篇重要论文《形态发生的化学基础》中,图灵提出了一个数学答案,生物学家花了几十年才证实它。 两种物质,两种速度 设想两种化学物质,图灵称之为形态发生素,在组织中扩散。今天人们通常这样描述它们: 一种激活剂,促进自身的生成,也促进另一种的生成; 一种抑制剂,抑制激活剂。 两者相互反应并且扩散,也就是从浓度高的地方扩散到浓度低的地方,就像一滴墨水在水中散开。关键在于:抑制剂扩散得比激活剂快。 看看如果某一点偶然多出一点激活剂会发生什么。那里会产生更多的激活剂和更多的抑制剂。激活剂慢,留在原地聚集;抑制剂快,跑向两侧,阻止附近再出现激活剂的高峰。结果是一个高峰被一圈没有高峰的地带包围,接着又是一个高峰、一圈地带:间隔规则的斑点或条纹,凭空出现。 计算 图灵写出了方程,并在均匀状态附近将其线性化。在一条直线状的组织中,用 $u$ 和 $v$ 表示激活剂和抑制剂的偏差: $$\begin{aligned} \frac{\partial u}{\partial t}&=a\,u+b\,v+D_u\frac{\partial^2u}{\partial x^2},\\ \frac{\partial v}{\partial t}&=c\,u+d\,v+D_v\frac{\partial^2v}{\partial x^2}. \end{aligned}$$含 $a$、$b$、$c$、$d$ 的项是反应;含 $D_u$ 和 $D_v$ 的项是扩散。为了看一个波长为 $\frac{2\pi}k$ 的小波是增长还是消失,试探形如 $e^{\lambda t}\cos kx$ 的解。令 $q=k^2$,就得到矩阵 $$\begin{pmatrix}a-D_uq&b\\c&d-D_vq\end{pmatrix},$$当这个矩阵的行列式变为负数时,波就会增长。 取具体的数:$a=1$,$b=-1$,$c=2$,$d=-1.5$。没有扩散时($q=0$),行列式是 $1\cdot(-1.5)-(-1)\cdot2=0.5>0$,迹是 $-0.5<0$:均匀状态是稳定的,仅靠化学反应不会产生任何图案。 现在打开扩散,让抑制剂快十倍,$D_u=1$,$D_v=10$: $$\det(q)=(1-q)(-1.5-10q)+2=10q^2-8.5q+0.5.$$它的根是 $q\approx0.064$ 和 $q\approx0.786$。在两根之间,行列式是负的:这些波长的波会增长。增长最快的在中间,$q=0.425$,波长 $\frac{2\pi}{\sqrt{0.425}}\approx9.6$。扩散通常抹平差异,在这里却制造了差异。所以这种现象叫作扩散引起的不稳定性。 一个反应–扩散模型的计算机模拟,用的是格雷–斯科特模型,它是图灵模型的近亲。从随机散布的斑块出发,同样的方程只改动两个反应常数,就能产生规则的圆点(左)或弯曲的条纹(右)。为本站制作的模拟 · Euler’s Eyes 从计算到动物 (a) 图灵 1952 年算出的一圈细胞中的图案;(b) 他在曼彻斯特计算机上计算得到的平面组织上的斑点;(c) 猎豹的皮毛。Philip Ball · Wikimedia Commons · CC BY 4.0 图灵在曼彻斯特的计算机上做了一部分计算,得到的图案之一是一种不规则的斑驳花纹,与某些动物的花纹相似。他并不知道形态发生素会是哪些物质,当时的生物学也无从验证。这个想法在几十年里几乎被遗忘了。