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用正方形和矩形做代数

如果任意分一条直线,整条线上的正方形等于两段上的正方形加上两段所夹矩形的两倍。 — 欧几里得,《几何原本》命题 II.4 希腊人没有表示未知数的字母,没有加号减号,也没有等号。他们想说 $a\cdot b$ 时,就说边长为 $a$ 和 $b$ 的 矩形;想说 $a^2$ 时,就说边长为 $a$ 的 正方形。我们用来称呼乘方的"平方"和"立方"就是由此而来。《几何原本》第二卷全是这样写的:都是代数恒等式,却以面积的事实来陈述和证明。历史学家称之为 几何代数。 和的平方 引文中的命题 II.4 说:把一条线段分成两段 $a$ 和 $b$。整条线段上的正方形(边长 $a+b$)等于 $a$ 上的正方形,加上 $b$ 上的正方形,再加上两个边长为 $a$ 和 $b$ 的矩形。只要看看被分成四块的大正方形的图就明白了。用今天的记号: $$(a+b)^2=a^2+b^2+2ab.$$学校里要背的公式,欧几里得是 画 出来的。证明就是那张图:四块正好填满大正方形,不多也不少。 平方差 命题 II.5 就是俄克喜林库斯纸草上的那一条,那是已知最古老的《几何原本》残片。用今天的话说,它讲的是:如果把长为 $2m$ 的线段从中点分开,同时又在任意一点分成 $m+d$ 和 $m-d$ 两段,那么 $$(m+d)(m-d)+d^2=m^2.$$这就是恒等式 $m^2-d^2=(m+d)(m-d)$,即 平方差。欧几里得的证明是从一个矩形上切下一块,把它补到一个小正方形旁边,拼成一个正方形。 配方 欧几里得之后一千年,约 820 年,出身于中亚花剌子模地区、在巴格达智慧宫工作的数学家穆罕默德·伊本·穆萨·花拉子米,写了一本关于如何解含有一个未知量的问题的书。书名中有 al-jabr 一词,意为"还原",由此产生了 代数(algebra)一词;作者的名字则产生了 算法(algorithm)一词。本站旧的"巴斯卡拉公式"课程讲过他的一个例子: 一个平方加上它的十个根等于三十九。这个平方是多少? 用今天的语言就是 $x^2+10x=39$。花拉子米的解法和欧几里得会用的完全一样:用面积。 x² + 10x = 39 的几何解法。边长为 x 的黄色正方形和两个边长为 x 与 5 的绿色矩形,合起来面积为 39。边长为 5 的红色小正方形补成一个边长为 x + 5 的正方形。Euler’s Eyes 绘图 画一个边长为 $x$ 的正方形:面积为 $x^2$。 “十个根” $10x$ 被分成两个边长为 $x$ 和 $5$ 的矩形,分别贴在正方形的两条边上。整个 L 形的面积为 $x^2+10x=39$。 角上还缺一个边长为 $5$、面积为 $25$ 的小正方形,才能补成一个大正方形。补上它:大正方形面积为 $39+25=64$。 面积为 $64$ 的正方形边长为 $8$。而大正方形的边长是 $x+5$。所以 $x+5=8$,$x=3$。 用今天的记号,就是:

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索菲·热尔曼恒等式:分解看似是素数的数

有些数看起来像素数,其实不是。比如 629,它不是偶数,个位不是 5,也不是 3 的倍数。但 $629=5^4+4$,这个形式出卖了它:它可以用一个以索菲·热尔曼命名的恒等式来分解。 恒等式 对任意数 $a$ 和 $b$, $$\begin{aligned}a^4+4b^4={}&\left(a^2+2b^2+2ab\right)\\&\times\left(a^2+2b^2-2ab\right).\end{aligned}$$发现它的诀窍是配方,就像推导二次方程求根公式时那样。$a^4+4b^4$ 差不多就是 $a^2+2b^2$ 的平方,只缺中间项 $4a^2b^2$。把这一项加上再减去, $$\begin{aligned}a^4+4b^4&=\left(a^4+4a^2b^2+4b^4\right)-4a^2b^2\\&=\left(a^2+2b^2\right)^2-(2ab)^2.\end{aligned}$$现在它成了两个平方之差,用 $u^2-v^2=(u+v)(u-v)$ 就完成了。 在例子中,取 $a=5$、$b=1$: $$5^4+4=(25+2+10)(25+2-10)=37\cdot17=629.$$看似是素数的数 这个恒等式一下子说明了许多看起来无害的数都是合数。例如,当 $n>1$ 时 $n^4+4$ 总是合数:只要取 $a=n$、$b=1$,两个因数 $n^2+2n+2$ 和 $n^2-2n+2$ 都大于 1。只有 $n=1$ 例外,因为这时第二个因数等于 $1$,而 $1^4+4=5$ 是素数。 一个更令人惊讶的例子来自 2 的幂。数 $2^{10}+1=1025$ 可以写成 $1+4\cdot4^4$,即 $a=1$、$b=4$: $$2^{10}+1=(1+32+8)(1+32-8)=41\cdot25.$$对于形如 $2^{4k+2}+1$ 的数,这种分解在 19 世纪被用来拆开巨大的数。1869 年,法国人福蒂内·朗德里手工分解了 18 位数 $2^{58}+1$;不久之后,莱昂-弗朗索瓦-安托万·奥里弗耶指出,用索菲·热尔曼恒等式,第一步拆分只需一行。 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。 一道奥赛题 索菲·热尔曼恒等式是数学奥林匹克最喜欢的工具之一。一道经典题目问:$4^{545}+545^4$ 是素数吗?看起来不用计算机根本无法回答,但这个恒等式几行就说明了它不是。见第二道练习。 练习:分解 3⁴ + 4 · 2⁴ = 145取 $a=3$、$b=2$:$a^2+2b^2=9+8=17$,$2ab=12$。所以 $145=(17+12)(17-12)=29\cdot5$。

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纳什议价解

本文对一个经典的经济问题给出了新的处理,这个问题以多种形式出现,如讨价还价、双边垄断等。 — 约翰·纳什,《讨价还价问题》(1950) 1948 年,还是卡内基理工学院本科生的纳什上了一门国际经济学课,这是他一生中唯一的经济学课。他从课上带走了一个问题:两个人谈判时,怎样分配协议带来的收益?经济学家们认为,答案取决于双方的心理、技巧和虚张声势,一般而言无话可说。纳什证明:如果协议必须满足几条合理的要求,那么可能的答案只有一个。这篇论文在他到普林斯顿之前就已写成,1950 年发表在《计量经济学》(Econometrica)杂志上。 问题 两个人 1 和 2 可以达成协议。每个可能的协议都给每人带来一份收益,用效用衡量:$u_1$ 和 $u_2$。如果达不成协议,每人保留原有的东西,即谈判破裂点 $(d_1,d_2)$。只有当协议给每人的至少不少于没有协议时的所得,它才有意义。 四个要求 纳什要求解具有四条性质: 有效性。 不应存在另一个对双方同时都更好的协议。 对称性。 如果局面是对称的,双方的可能性和破裂点都相同,那么双方所得相等。 不变性。 如果把某人的效用换一种尺度来衡量,就像把摄氏度换成华氏度,解不变。 无关选项的独立性。 如果一个问题的解在一个更小的问题中仍然可行,它仍然是解。去掉没人会选的选项,不改变协议。 纳什定理说:同时具有这四条性质的规则只有一个:选择使相对于破裂点的收益之积 $$\boxed{(u_1-d_1)\cdot(u_2-d_2)}$$最大的协议。 分 10 元钱 两个人要分 10 元钱。如果谈不拢,谁也拿不到:$d=(0,0)$。为简单起见,设效用就是钱本身。若 1 号拿 $x$,2 号就拿 $10-x$,乘积是 $$P(x)=x(10-x)=25-(x-5)^2.$$最大值在 $x=5$:每人 5 元。在对称情形下,这并不意外。 有好退路的人分得更多 现在设 1 号有一条退路:谈不拢时,她能在别处拿到 4 元,而 2 号仍然一无所有。破裂点是 $(4,0)$。相对于破裂点的收益是 $x-4$ 和 $10-x$,乘积为 $$P(x)=(x-4)(10-x)=9-(x-7)^2,\qquad4\leq x\leq10.$$ 相对于破裂点的收益之积 (x − 4)(10 − x)。x = 4 时它为零,因为 1 号从协议中一无所得;x = 10 时也为零,因为 2 号一无所得。最大值 9 在 x = 7 处。Euler’s Eyes 绘图 最大值在 $x=7$:1 号分 7 元,2 号分 3 元。每人都比没有协议时多得 3 元。纳什解平分剩余,即协议在每人已有保障之外所创造的价值。所以有好退路的人分得更多:退路不是白送的,而是谈判的起点。

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麦克斯韦方程组:从法拉第的力线到矢量

起初,看到这么强大的数学力量被施加在这个问题上,我几乎吓了一跳;后来我又惊讶地发现,这个问题竟然承受得这么好。 — 迈克尔·法拉第致麦克斯韦的信(1857 年 3 月 25 日) 1820 年以前,电和磁是两门不相干的学问。电会产生火花,让人头发竖起;磁让指南针指向北方。那一年,丹麦人汉斯·克里斯蒂安·奥斯特在哥本哈根大学的一堂课上把电池接到一根导线上,看到旁边的磁针动了。电流产生了磁。 法拉第的力线 迈克尔·法拉第(1791–1867),想象出力线的铁匠之子。作者不详,1850 年代 · Wikimedia Commons · 公有领域 在伦敦,铁匠的儿子迈克尔·法拉第——他 13 岁就离开学校去当装订学徒——把这一发现推进了一步。1821 年,他造出了第一台电动机:一根绕着磁铁转动的导线。1831 年,他发现了奥斯特效应的反面:一块在导线附近 运动 的磁铁会产生电流。这就是 电磁感应,所有电站发电机和自行车发电机的原理。 法拉第除了算术之外不懂数学。他思考时,想象磁铁和电荷周围的空间充满了 力线,就像铁屑在磁铁周围画出的线条那样。重要的是力线,而不是磁铁。数学家们认为这个想法很幼稚:在他们看来,力是超距作用的,就像牛顿的引力一样。 麦克斯韦认真对待法拉第的力线。1855 年,24 岁的他发表了《论法拉第的力线》,把图像翻译成了方程。1861 年和 1862 年,他在《论物理力线》中设想了一个空间的力学模型:旋转的流体管,管与管之间隔着像齿轮一样的小球。这个模型很奇特,但起到了脚手架的作用。借助它,麦克斯韦找到了 位移电流 和 波的速度。1865 年,在《电磁场的动力学理论》中,他拆掉了脚手架:只剩下方程,共 二十个,含二十个未知量,按分量一个个写出。 四元数还是矢量? 二十个方程很难读。需要一种更好的记号,而且已经有一个候选者:爱尔兰人威廉·罗恩·哈密顿的 四元数,一种由四部分组成的数,$q=w+ai+bj+ck$。麦克斯韦的中学同学彼得·格思里·泰特是四元数的大力倡导者,在 1870 年至 1871 年两人的通信中,他试图说服麦克斯韦在《通论》里使用四元数。 麦克斯韦只接受了一半。他喜欢含三个分量的部分 $ai+bj+ck$,它能很好地表示有方向的量,比如磁场;但他看不出第四部分 $w$ 有什么物理意义。在《电磁通论》(1873)中,他把标量部分与矢量部分分开,并且只是适度地使用四元数。在 1871 年的一篇论文中,他为场的运算起了一些我们至今仍在使用的名字:curl,即旋度,衡量一个场绕某点旋转的程度;还有 convergence,衡量场向某点汇聚的程度,它与今天的散度正好相反。 《电磁通论》第一卷扉页(牛津,1873)。Wikimedia Commons · 公有领域 下一步是由两位自学成才的《通论》读者迈出的。英国人奥利弗·亥维赛,一位 16 岁辍学的电报员,和耶鲁大学的美国人约西亚·威拉德·吉布斯,抛弃了四元数,各自独立地创立了现代 矢量分析,包括点积和叉积。1884 年和 1885 年,亥维赛把麦克斯韦的二十个方程改写成了 四个。今天每本教科书里出现的都是这种形式。

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费马数:一个猜想和一个反例

数学家们一直梦想找到一个只产生质数的公式。1640 年,费马以为自己找到了。 连续五个质数 费马研究了如下形式的数: $$F_n=2^{2^n}+1.$$指数是 2 的幂:$1,2,4,8,16,\ldots$ 算出前几个: $$F_0=3,\quad F_1=5,\quad F_2=17,\quad F_3=257,\quad F_4=65\,537.$$五个都是质数。用手检验 $65\,537$(试除到它的平方根)已经相当费力了。费马写信给弗雷尼克·德贝西说,他确信所有这种形式的数都是质数,尽管他承认自己没有证明。 一个太大的数 下一个数是 $$F_5=2^{32}+1=4\,294\,967\,297.$$这是一个十位数。要检验它是不是质数,需要在 17 世纪用手试除到大约 6.5 万。费马没有去算。 将近一百年后的 1732 年,年轻的莱昂哈德·欧拉算了。他发现: $$4\,294\,967\,297=641\times6\,700\,417.$$费马的猜想错了。要推翻一个关于所有数的命题,一个反例就够了。 为什么是 641? 欧拉并不是随便试除。他知道 $F_5$ 的因数必须具有特殊形式 $64k+1$,这大大缩小了搜索范围。这种形式的第五个质数候选就是 641。 还有一种不做除法就能验证整除的巧妙方法。注意 641 可以写成两种形式: $$641=5\cdot2^7+1=5^4+2^4.$$模 641 时,第一种形式说明 $5\cdot2^7$ 余 $-1$。两边四次方,$5^4\cdot2^{28}$ 余 $1$。第二种形式说明 $5^4$ 与 $-2^4$ 余数相同。互相替换: $$-2^4\cdot2^{28}=-2^{32}\equiv1\pmod{641}.$$所以 $2^{32}+1$ 余 0:它是 641 的倍数。完整的计算见欧拉专题。 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。 至今只有五个质数 借助计算机,人们已经知道从 $F_5$ 到 $F_{32}$ 的所有费马数都是合数。除了前五个,没有人找到过其他的费马质数。如今许多数学家怀疑,真相与费马的猜想正好相反:也许只存在这五个。 意想不到的用途:正十七边形 自希腊时代起,人们就知道如何用尺规作出正三角形和正五边形。两千年来,没有人能作出另一个边数为质数的正多边形。

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牛顿法:用切线逼近方程的根

有些方程没有求根公式。$e^x+x-3=0$ 没有像一元二次方程那样的公式,而三次方程的公式又繁琐得几乎没人使用。这时候的办法是逼近:先猜一个值,看看差多少,再修正猜测。问题在于如何修正得好。 牛顿的例子 在 1669 年的《分析》中,牛顿选了这个方程: $$y^3-2y-5=0.$$试算之后,他发现根在 $2$ 附近,因为 $2^3-2\cdot2-5=-1$。于是他写 $y=2+p$,其中 $p$ 是还缺的修正量,代入得到: $$(2+p)^3-2(2+p)-5=p^3+6p^2+10p-1=0.$$既然 $p$ 很小,$p^2$ 和 $p^3$ 就更小。牛顿把它们丢掉,只留下 $10p-1=0$,得 $p=0.1$。新的猜测:$y=2.1$。再用 $y=2.1+q$ 重复同样的想法,得到 $q\approx-0.0054$,依此类推。几步之后,他得到 $y\approx2.09455148$。 牛顿、拉弗森与辛普森 牛顿每一步都要重新代入,每次得到一个新的多项式。1690 年,约瑟夫·拉弗森发表了一个更实用的版本,始终使用原方程。今天课本上用导数表示的形式,是托马斯·辛普森在 1740 年给出的。所以这个方法也叫牛顿–拉弗森法。 几何思想:沿着切线走 丢掉 $p^2$ 和 $p^3$,等于用曲线的切线来代替曲线。在切点附近,切线几乎与曲线重合,而求直线与坐标轴的交点很容易。 从猜测值 $x_n$ 出发,函数 $f$ 的图像在该点的切线是 $$y=f(x_n)+f'(x_n)(x-x_n).$$它在 $y=0$ 处与横轴相交。解出 $x$,就得到新的猜测: $$x_{n+1}=x_n-\frac{f(x_n)}{f'(x_n)}.$$用文字说:新猜测 = 猜测 − f(猜测) ÷ f′(猜测)。 用于牛顿的方程,$f(y)=y^3-2y-5$,$f'(y)=3y^2-2$,公式给出: 步骤 $y$ 0 2 1 2.1 2 2.0945681 3 2.0945514817 4 2.0945514815 每走一步,正确的小数位数大约翻一倍。 例子:平方根 要计算 $\sqrt2$,我们解 $x^2-2=0$。由 $f'(x)=2x$,公式变成

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恩尼格玛:1.59×10²⁰ 个密钥和一个缺陷

一台三转子的恩尼格玛,陈列于美国国家安全局的国家密码学博物馆。上部是转子,中间是灯板,下面是键盘,最前面是接线板。National Security Agency · Wikimedia Commons · 公有领域 恩尼格玛看上去像一台装在木箱里的打字机。操作员在键盘上按下一个字母,灯板上就亮起另一个字母。第二个操作员记下亮起的字母,这串字母再用摩尔斯电码通过无线电发出去。在另一端,一名操作员用一台同样设置的同型机器,敲入密文,就能在灯板上读出原文。 在键与灯之间,电流穿过一座迷宫:接线板、三个内部交叉布线的转子、一个把电流送回去的反射器,再经过三个转子,再经过接线板。而且每按一次键,第一个转子就转一格,整座迷宫随之改变。 数一数密钥 德国人信任恩尼格玛,是因为可能的设置数量庞大。我们用帕斯卡教给我们的组合数学,为 1939 年的陆军型号数一数。 转子。 从一盒 5 个转子中选出 3 个,顺序有关: $$5\cdot4\cdot3=60.$$初始位置。 每个转子从 26 个字母中的某一个开始: $$26^3=17\,576.$$接线板。 十根连线把字母两两相连,互相交换。用 26 个字母组成 10 对,有多少种方法?把 26 个字母排成一排,有 $26!$ 种排法,用前 20 个字母两两配对。最后 6 个不接线,它们的顺序无关紧要:除以 $6!$。10 对之间的顺序无关紧要:除以 $10!$。每对内部的顺序无关紧要:除以 $2^{10}$。结果是 $$\frac{26!}{6!\cdot10!\cdot2^{10}}=150\,738\,274\,937\,250.$$总数。 相乘: $$60\cdot17\,576\cdot150\,738\,274\,937\,250\approx1.59\times10^{20}.$$大约 1.59×10²⁰ 个密钥,还没算转子的字母环。每秒试一百万个密钥,也要大约五百万年才能全部试完。 缺陷 反射器有一个实际的好处:同一种设置下,机器既能加密也能解密。但它也带来了一个先天缺陷:由于电流总是从不同的路径返回,没有一个字母能被加密成它自己。A 永远不会变成 A。 这看起来微不足道,却是决定性的。密码分析员知道,许多电报含有可以预料的词,他们称之为 crib,“提示词”:早上 6 点的天气预报以 WETTERVORHERSAGE 开头,许多报告写着 KEINE BESONDEREN EREIGNISSE,“无事可报”。要找出提示词在密文中的位置,只需把它沿着密文滑动,凡是某个字母与它下方密文字母相同的位置,统统排除。 Q F Z W R W I K T Y R E S X B F O G K U H Q W E T T E R V O R H E R S A G E ← S 对 S:不可能 W E T T E R V O R H E R S A G E ← 没有重合:可能 在第一个位置,提示词中的 S 会落在密文的 S 上,而恩尼格玛从不这样做:这个位置被排除。往后四格,没有字母重合,这个位置仍是候选。