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方程何时可以用根式求解

有了方程的群这个概念,伽罗瓦回答了阿贝尔之后悬而未决的问题:哪些方程可以用根式求解?答案不依赖任何技巧,只取决于群的形状。 每开一次方就切小群 用根式解方程,就是在已知的数之外,一次添加一个根。一开始我们只知道有理数,方程的群是完整的。每添加一个根,比如 $\sqrt3$ 或 $\sqrt[3]{5}$,就会出现新的成立关系,尊重它们的置换就更少了。群缩小了。当群只剩下恒等置换时,方程的所有根都能用已知的数写出:方程就解出来了。 伽罗瓦证明,每开一次素数 $p$ 次方,无论是平方根、立方根还是五次方根,群都以一种非常特殊的方式缩小:新的群是原来那个群的正规子群,并且在原来的群中恰好容纳 $p$ 次。结论就是伽罗瓦定理: $$\boxed{\text{方程可以用根式求解}\iff\text{群可以经过一系列素数指数的正规步骤切到只剩恒等元。}}$$能这样切开的群,为纪念这段历史,被称为可解群。 三次方程:卡尔达诺公式 一般三次方程的群是三个根的六个置换构成的群,与三角形的六种对称相同。它可以这样切开: $$\underbrace{\{e,r,r^2,s_1,s_2,s_3\}}_{6}\ \supset\ \underbrace{\{e,r,r^2\}}_{3}\ \supset\ \underbrace{\{e\}}_{1}.$$指数是 $6\div3=2$ 和 $3\div1=3$。这意味着:先开一个平方根,再开一个立方根。这正是卡尔达诺公式的形状,平方根出现在立方根的里面: $$x=\sqrt[3]{-\frac q2+\sqrt{\frac{q^2}4+\frac{p^3}{27}}}+\sqrt[3]{-\frac q2-\sqrt{\frac{q^2}4+\frac{p^3}{27}}}.$$群在公式写出来之前就解释了它。 四次方程:费拉里公式 四个根的 24 个置换可以分四步切开: $$24\ \supset\ 12\ \supset\ 4\ \supset\ 2\ \supset\ 1,$$指数为 $2, 3, 2, 2$,全是素数。费拉里公式依次使用一个平方根、一个立方根(用来解拉格朗日的辅助三次方程)以及另外两个平方根。 五次方程:切不开的群 五个根的 $120$ 个置换可以切一次,对半切成一个有 $60$ 个元素的正规子群,即所谓的偶置换。但链条到此为止:这个 60 元群除了 $\{e\}$ 和它自身之外,没有别的正规子群。要到达恒等元,就需要一步指数为 60 的切割,而 60 不是素数。这是不可能的。 这就是一般五次方程没有公式的原因:这是阿贝尔定理,现在通过伽罗瓦的眼睛来看。但伽罗瓦理论走得更远。对每个具体的方程,只要算出它的群就行了。方程 $x^5-2=0$ 的群有 20 个元素,是可解的,它确实可以求解:$x=\sqrt[5]2$。而 $x^5-x-1=0$ 的群是全部 120 个置换,它的实根 $1.1673\ldots$ 不能用根式写出。 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。

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分子的速度:麦克斯韦分布

我最近一直在研究完全弹性球的运动和碰撞的一些问题,作为力学练习。 — 詹姆斯·克拉克·麦克斯韦致乔治·斯托克斯的信(1859 年 5 月 30 日) 一升空气里大约有 $2.5\times10^{22}$ 个分子,它们都在运动,每秒碰撞几十亿次。追踪每一个分子是不可能的。1859 年,麦克斯韦有了一个改变物理学的想法:不去问 每个 分子在做什么,而是问 有多大比例 的分子具有某个速度。这是第一次在物理定律中使用概率。他在 1859 年阿伯丁的一次会议上报告了这一结果,并于 1860 年发表。 对称性论证 麦克斯韦的推理简短而巧妙。把分子速度的 $x$ 分量的概率密度记为 $p(v_x)$,$y$ 和 $z$ 分量也一样。他做了两个假设: 三个分量相互独立。 知道 $v_x$ 对 $v_y$ 毫无影响。所以联合密度是乘积 $p(v_x)\,p(v_y)\,p(v_z)$。 没有哪个方向是特殊的。 联合密度只能取决于速度的大小 $v^2=v_x^2+v_y^2+v_z^2$,而与方向无关。 把两者结合起来,我们需要一个函数满足 $$p(v_x)\,p(v_y)\,p(v_z)=\Phi(v_x^2+v_y^2+v_z^2).$$乘积变成了 和 的函数:这正是指数函数的性质,$e^ae^be^c=e^{a+b+c}$。唯一合理的解是 $$p(v_x)=A\,e^{-\beta v_x^2},$$一条 钟形曲线,即高斯的正态曲线。常数 $\beta$ 取决于温度和分子质量;今天写作 $\beta=\frac{m}{2k_BT}$,其中 $k_B$ 是玻尔兹曼常数,$T$ 是绝对温度。 速率分布 钟形曲线对每个可正可负的分量都成立。那么 速率,即速度的大小 $v$ 呢?大小在 $v$ 与 $v+dv$ 之间的速度构成一个半径为 $v$、厚度为 $dv$ 的球壳,体积为 $4\pi v^2\,dv$。相乘得: $$\boxed{f(v)=4\pi\left(\frac m{2\pi k_BT}\right)^{3/2}v^2\,e^{-mv^2/(2k_BT)}.}$$这就是 麦克斯韦分布。因子 $v^2$ 使曲线从零开始:几乎没有分子是静止的。指数使曲线迅速下降:几乎没有分子非常快。中间有一个峰。

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奇妙的螺线与双纽线

有了莱布尼茨的微积分,伯努利兄弟开始四处"猎取"曲线。对每一条曲线,他们都要问:切线是什么,长度是多少,面积是多少,曲率是多少?其中许多曲线从古希腊起就为人所知,但直到这时,这些问题才能用一条普遍的规则来回答。有两条曲线从此永远带上了雅各布的名字。 形状不变的螺线 笛卡儿和托里拆利已经研究过 对数 螺线。在极坐标中,每个点由它到中心的距离 $r$ 和角度 $\theta$ 确定,这条螺线是 $$r=a\,e^{b\theta}.$$每转一整圈,角度增加 $2\pi$,半径总是乘以同一个因子 $e^{2\pi b}$。所以各圈之间不是等距的:每一圈都按同样的比例比前一圈大。 由此得出让雅各布着迷的性质:把螺线 旋转 一个角度 $\alpha$,效果与把它 放大 $e^{b\alpha}$ 倍相同。如果把这条螺线的照片放大,得到的还是同一条螺线,只是转了一下。它在任何尺度下都与自身相同。 左边是雅各布要求刻在墓碑上的对数螺线:每一圈都比前一圈宽。右边是石匠刻下的阿基米德螺线:各圈间距相等。Euler’s Eyes 绘图 不变的角 在螺线上的一点,从中心出发的半径与曲线的切线成一个角 $\psi$。当角 $\theta$ 增加一点点 $d\theta$ 时,这个点在垂直于半径的方向上移动 $r\,d\theta$,沿半径方向移动 $dr$。所以 $$\tan\psi=\frac{r\,d\theta}{dr}=\frac{r}{dr/d\theta}=\frac{r}{b\,r}=\frac1b.$$$r$ 被约掉了:这个角在 所有 点上都一样。所以这条曲线也叫 等角螺线。一只昆虫如果始终与灯保持固定的角度飞行,就像人们说飞蛾对月亮那样,它就会画出这样一条螺线,最后撞到灯上。 雅各布还发现了更多。由螺线各点曲率中心构成的曲线,是另一条与原来相同的对数螺线。从中心发出、经螺线反射的光线,又形成一条相同的螺线。无论从哪里看,这条曲线都会以同样的样子重生。他称之为 spira mirabilis,奇妙的螺线。 鹦鹉螺壳的剖面。每转一圈,腔室几乎按同样的比例增大,形状接近对数螺线。Florian Elias Rieser · Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0 大自然出于同样的原因偏爱这条曲线。像鹦鹉螺这样一层层生长而形状不变的动物,会长出对数螺线形的壳。许多星系的旋臂和飓风的云带也呈现类似的形状。 Eadem mutata resurgo 雅各布把这条螺线看作复活的象征:身体会变,人却复生如故。所以他要求把它刻在墓碑上,配上座右铭 Eadem mutata resurgo,“虽经变化,我复生如故”。石匠刻成了阿基米德螺线,而它没有这个性质:放大后各圈间距变大,曲线就变了。这块刻错的墓碑至今还在巴塞尔大教堂。 双纽线:横躺的 8 字 1694 年,雅各布在《学者学报》的一篇文章里提出了一条新曲线。取两个定点,即 焦点 $F_1=(-c,0)$ 和 $F_2=(c,0)$。椭圆上的点到两焦点距离之 和 为常数。雅各布把和换成了 积:

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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:

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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 $1-\cos\theta=2\sin^2\dfrac\theta2$,

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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。

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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。

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狭义相对论:用光做的钟

如果我以速度 c(真空中的光速)追赶一束光,我应当看到这束光是一个在空间中振荡着的静止电磁场。可是,似乎并不存在这样的东西。 — 阿尔伯特·爱因斯坦,《自述》(1949) 16 岁时,在阿劳的中学里,爱因斯坦问了自己一个问题:如果我以同样的速度在一束光旁边奔跑,我会看到什么?按照牛顿的物理学,光看起来会是静止的,就像公路上与我们并排行驶的汽车。但 麦克斯韦 的方程不允许静止的光:在这些方程里,光总是以 $c\approx300\,000$ km/s 传播。总有一方错了。爱因斯坦花了十年才弄清是哪一方。 两条公设 1905 年 6 月,爱因斯坦把论文《论动体的电动力学》寄给了《物理学年鉴》。他从两条假设出发: 对所有做匀速运动的观察者,物理定律都相同。 在一列平稳行驶的火车里,在车厢内做的任何实验都无法判断火车是静止还是在运动。 对所有这些观察者,真空中的光速都相同,都是 $c$,不论光源或观察者如何运动。 第二条看似无害,其实令人震惊。如果你以 100 000 km/s 的速度追赶一束光,你测得那束光离你而去的速度仍然是 300 000 km/s。要让这成为可能,必须有什么东西让步。爱因斯坦证明,让步的是 时间。 光钟 设想一座钟,由两面相距 $L$ 的平行镜子构成,一个光脉冲在两镜之间来回反射。每往返一次就是一个"嘀嗒"。对站在钟旁边的人来说,一个嘀嗒持续 $$\Delta\tau=\frac{2L}{c}.$$现在把钟放进一列以速度 $v$ 从你身边驶过的火车。对站在站台上的你来说,光不是竖直地上下走:在光从一面镜子走到另一面镜子的过程中,火车向前开了,光走的是一条斜线,更长。 从站台上看光钟。光从下镜面走到上镜面时,钟前进了 v Δt/2。光走的是斜线 c Δt/2,比 L 长。Euler’s Eyes 绘图 如果你测得一个嘀嗒持续 $\Delta t$,那么在半个嘀嗒里,光走了 $c\frac{\Delta t}2$,火车走了 $v\frac{\Delta t}2$。高度仍是 $L$。由 毕达哥拉斯定理, $$\left(\frac{c\,\Delta t}2\right)^2=L^2+\left(\frac{v\,\Delta t}2\right)^2.$$因为 $L=\frac{c\,\Delta\tau}2$,代入并把各项除以 $\frac{c^2}4$: $$\Delta t^2=\Delta\tau^2+\frac{v^2}{c^2}\Delta t^2\quad\Longrightarrow\quad \Delta t^2\left(1-\frac{v^2}{c^2}\right)=\Delta\tau^2.$$于是得到 时间膨胀 公式:

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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

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积分号 ∫:从求和到累积

1675 年 10 月 29 日,莱布尼茨在巴黎研究一个面积问题。在此之前,他沿用意大利人卡瓦列里的做法,写 omn.(拉丁文 omnia“全部”的缩写)来表示一个图形中所有线段之和。写到页面中间时,他写道: 用 ∫ 代替 omn. 会很有用。 — 莱布尼茨,1675 年 10 月 29 日手稿 符号 $\int$ 是一个拉长的 S,取自 summa,即“和”。在当时的手写中,长 s 是一个普通字母。从那以后,这个符号再也没有被取代。 把薄片加起来 莱布尼茨的想法是把一个区域切成极细的竖直薄片。每片几乎是一个高为 $y$、宽为 $dx$ 的矩形,面积为 $y\,dx$。总面积就是所有薄片之和: $$\int y\,dx.$$这个符号一下子说明了一切:把高($y$)乘以微小的宽($dx$)全部加起来($\int$)。求和的上下限写在上方和下方:$\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx$ 就是从 $x=a$ 到 $x=b$ 所有薄片之和。 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。 谁起了“积分”这个名字? 莱布尼茨把他的发明称为 calculus summatorius,即“求和的计算”。积分(integral)一词出现在雅各布·伯努利 1690 年的一篇论文中。莱布尼茨和约翰·伯努利讨论过该用哪个名字,最后同意用“积分”,但符号仍然是莱布尼茨的 S。 把差加起来,得到总量 还记得传记中惠更斯给莱布尼茨出的那道题吗?在那里,一串差之和几乎全部抵消: $$(F_1-F_0)+(F_2-F_1)+(F_3-F_2)+\cdots+(F_n-F_{n-1})=F_n-F_0.$$把一个量的所有微小变化加起来,剩下的只有总变化:终值减初值。莱布尼茨意识到,对于无穷小的差,情况也一样。如果 $dF=f(x)\,dx$,那么 $$\int_a^b f(x)\,dx=\int_a^b dF=F(b)-F(a).$$换句话说,$\int$ 和 $d$ 互相抵消,就像加法和减法。这就是微积分基本定理,以最简短的方式写了出来。牛顿则沿着流数的道路得到了同样的结论。 例子:抛物线下的面积 求 $y=x^2$ 在 $0$ 与 $3$ 之间的面积,我们要找满足 $dF=x^2\,dx$ 的 $F$。由于 $d\!\left(\frac{x^3}{3}\right)=x^2\,dx$: