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四个平方数就够了

任取一个正整数,试着把它写成完全平方数 $0, 1, 4, 9, 16, 25, \ldots$ 之和,用的项数越少越好: $$\begin{aligned} 5&=4+1,\\ 6&=4+1+1,\\ 7&=4+1+1+1,\\ 30&=25+4+1,\\ 2026&=2025+1=45^2+1^2. \end{aligned}$$有些数本身就是平方数,有些需要两个,有些需要三个。7 需要四个:没有别的办法。会不会有哪个数需要五个?1770 年,拉格朗日证明了:不会。 每个正整数都是四个整数的平方之和。 把 0 也算作平方数,这就是说总存在 $a, b, c, d$,使得 $n=a^2+b^2+c^2+d^2$。 一个延续了十五个世纪的猜想 大约公元 250 年,亚历山大的希腊人丢番图在他的问题中,不加说明地用到了某些数可以写成四个平方数之和这一事实。1621 年,法国人克洛德-加斯帕尔·巴歇出版了丢番图《算术》的拉丁文版本,并明确写出了这个论断。他说自己验证到了 325,但不知道如何证明。 费马正是在巴歇这本书的页边写下了他那些著名的批注。费马宣称自己用无穷递降法证明了它,但和往常一样,从未拿出证明。 欧拉的四十年 欧拉为证明它尝试了大约四十年,始终没有完成。但他在 1748 年找到了关键的一块:一个恒等式,说明两个四平方和的乘积仍然是四平方和。 $$\begin{aligned} &(a^2+b^2+c^2+d^2)(e^2+f^2+g^2+h^2)\\ &\quad=(ae+bf+cg+dh)^2\\ &\qquad+(af-be+ch-dg)^2\\ &\qquad+(ag-bh-ce+df)^2\\ &\qquad+(ah+bg-cf-de)^2. \end{aligned}$$它看起来像魔术,但只要把两边展开就行:所有交叉项都成对抵消。例如,$7=2^2+1^2+1^2+1^2$,$15=3^2+2^2+1^2+1^2$。恒等式给出 $$\begin{aligned}105&=7\cdot15=10^2+1^2+0^2+(-2)^2\\&=100+1+0+4.\end{aligned}$$这个结论威力很大。每个数都是素数的乘积。如果每个素数都是四平方和,恒等式就保证它们的乘积也是。所以只需要对素数证明这个定理。 拉格朗日的证明 就在这里,1770 年已在柏林的拉格朗日登场了。他的证明分两个阶段,两个阶段都属于费马递降法一类。 第一阶段。 对每个奇素数 $p$,存在 $x$ 和 $y$,使 $x^2+y^2+1$ 是 $p$ 的倍数。理由是一个计数:$x$ 从 $0$ 取到 $\frac{p-1}2$ 时,数 $x^2$ 除以 $p$ 留下 $\frac{p+1}2$ 个不同的余数,数 $-1-y^2$ 也是如此。由于 $\frac{p+1}2+\frac{p+1}2=p+1$ 多于 $p$ 个可能的余数,根据抽屉原理,两张表之间必有一个余数重复。所以 $p$ 的某个倍数,比如 $mp$,是四平方和:$x^2+y^2+1^2+0^2$。

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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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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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克拉德尼图形与振动板奖

在一块从中心固定的金属板上撒上沙子,用小提琴弓擦过它的边缘。金属板开始“歌唱”,而沙子像有了自己的意志一样,从一些地方逃开,聚到另一些地方,画出线条、十字、星形和对称的曲线。换一个音,图案就变了。这就是克拉德尼图形。 如何激发克拉德尼板:板从中心固定,用小提琴弓擦过边缘。出自 1879 年一本书中的版画。作者不详,1879 · Wikimedia Commons · 公有领域 看得见的声音 德国人恩斯特·克拉德尼在 1787 年出版的《关于声音理论的发现》一书中发表了这些图形。定性的解释很简单。板振动时,几乎所有的点都在上下运动,把沙子抛开。但有些线保持不动:这就是节线。沙子滑到那里就停住了。图案是板上不动之处的地图。 克拉德尼带着他的金属板周游欧洲。1808 年,他在巴黎向拿破仑演示,皇帝着了迷,向科学院提供了一枚一千克重的金质奖章,奖给能给出解释这些图形的弹性曲面数学理论的人。 为什么这么难 对于振动的弦,数学早已准备好了。1747 年达朗贝尔写出了弦的方程,欧拉和丹尼尔·伯努利解释了弦振动时发出的音,其频率是最低音频率的整数倍:$f, 2f, 3f, \ldots$ 弦是一条线,把它拉回来的力取决于它倾斜了多少。 板则不同。它抵抗的是被弯曲,就像一把金属尺,而且它同时在两个方向上弯曲。欧拉曾试图研究钟,丹尼尔的侄子雅各布·伯努利曾把板想象成交叉梁组成的网格,都没有成功。评审委员拉格朗日认为当时的方法还不够。只有一个人参赛。 三次尝试 索菲·热尔曼从一个假设出发:板抵抗的力与它的曲率成正比,而在曲面上,这意味着把两个主方向上的曲率相加。1811 年,她提交了论文。论文中有计算错误,奖项没有颁发。但拉格朗日根据她的假设修正了计算,得到了板的微小位移 $z(x,y,t)$ 的正确方程: $$\begin{aligned}&\frac{\partial^2 z}{\partial t^2}+k^2\Bigg(\frac{\partial^4 z}{\partial x^4}+2\,\frac{\partial^4 z}{\partial x^2\,\partial y^2}\\&\qquad\qquad+\frac{\partial^4 z}{\partial y^4}\Bigg)=0.\end{aligned}$$注意其中的四阶导数。弦的方程只有二阶导数。更高的阶数正是抵抗弯曲的标志。 竞赛重新开放。1813 年,索菲证明了这个方程能再现克拉德尼的几种图形,获得荣誉提名。1816 年,第三次参赛,她获奖了。评审仍然指出了物理论证和板边缘条件上的缺口,这些直到 1850 年才由古斯塔夫·基尔霍夫解决。但这个方程,今天写作 $\frac{\partial^2 z}{\partial t^2}+k^2\,\Delta^2 z=0$,正是工程师至今用来计算楼板、机翼和吉他面板的方程。 画出图形 对于正方形板,节线的一个经典近似由下面这样的组合给出: $$\cos(n\pi x)\cos(m\pi y)\pm\cos(m\pi x)\cos(n\pi y)=0,$$其中 $x$ 和 $y$ 在 0 和 1 之间。下图就是用这个公式画的:每个正方形是一块板,浅色的线就是沙子会聚集的地方。 简化模型中正方形板的节线,取几组 m、n 和符号的值。沙子聚集在浅色的线上。Euler’s Eyes 绘图 吉他与小提琴 制琴师至今仍在使用克拉德尼图形。他们在还没装上的小提琴或吉他面板上撒上粉末,用扬声器让它振动,观察图案。如果节线不在应在的位置,就在这里那里刨掉一点木头,再试一次,直到面板“唱”得正好。

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欧几里得算法:最大公约数

欧几里得算法是所有算法的老祖宗,因为它是流传至今的最古老的非平凡算法。 — 高德纳,《计算机程序设计艺术》第二卷(1969) 你有两根杆子,一根长 252 厘米,一根长 105 厘米,想找一把最长的尺,能把两根都恰好量整数次。用今天的话说,你要的是 最大公约数 $\gcd(252,105)$。可以把每个数的约数都列出来,再找最大的公共约数,但数一大,这就行不通了。在《几何原本》第七卷中,欧几里得教了一个快得多的方法。 用大的减去小的 欧几里得在命题 VII.1 和 VII.2 中的想法很简单:能量尽两根杆子的尺,也能量尽它们的 差。所以,不必找 252 和 105 的公共度量,可以改找 105 和 $252-105=147$ 的,再找 105 和 $147-105=42$ 的。总是用大的减去小的,直到两者相等: $$(252,105)\to(147,105)\to(42,105)\to(42,63)\to(42,21)\to(21,21).$$两个数都变成了 21。这就是最大公约数。希腊人把这个过程称为 antanairesis,“辗转相减”。(中国古代《九章算术》中的"更相减损术"与此相同。) 用除法的版本 多次减去同一个数,就是除法。把重复的减法合并成带余除法,算法就更短了: $$\begin{aligned}252&=2\cdot105+42\\105&=2\cdot42+21\\42&=2\cdot21+0\end{aligned}$$最后一个非零余数就是最大公约数: $$\boxed{\gcd(252,105)=21.}$$为什么行得通 如果 $a=qb+r$,那么: 每个同时整除 $a$ 和 $b$ 的数,也整除 $r=a-qb$; 每个同时整除 $b$ 和 $r$ 的数,也整除 $a=qb+r$。 数对 $(a,b)$ 和 $(b,r)$ 的公约数完全相同,所以 $\gcd(a,b)=\gcd(b,r)$。那么算法为什么会 结束?因为余数是每一步都在减小的正整数,$42>21>0$,而正整数不可能无限地减小下去。总有一刻余数为零,而 $\gcd(d,0)=d$。 这个算法很快。法国人加布里埃尔·拉梅在 1844 年证明,除法的次数永远不会超过两个数中较小者位数的五倍。对一百位的数,最多只需 500 次除法。 倒推回去 这些计算还能把最大公约数写成两个数的 组合。从下往上倒推: $$\begin{aligned}21&=105-2\cdot42\\&=105-2\cdot(252-2\cdot105)\\&=5\cdot105-2\cdot252.\end{aligned}$$验算:$525-504=21$。一般地,对任意 $a$ 和 $b$,存在整数 $x$ 和 $y$ 使 $ax+by=\gcd(a,b)$。这就是 裴蜀等式,而倒推的过程叫作 扩展欧几里得算法。

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置换根:拉格朗日定理

1770 年,代数学有一个停滞了两个多世纪的问题。二次方程有求根公式,卡尔达诺在 1545 年也发表了三次和四次方程的解法。到了五次,谁也找不到任何东西。最优秀的数学家都试过,每一种直到四次都管用的方法,到了五次就卡住了。 拉格朗日没有再去尝试一种新方法。他提出了一个不同的问题:旧方法为什么管用? 我打算在这篇论文中考察迄今为止找到的各种方程代数解法,把它们归结为一般原理,并先验地说明这些方法为什么对三次和四次方程有效,而对更高次的方程失效。 — 约瑟夫-路易·拉格朗日,《关于方程代数解法的思考》(1771) 这篇论文有 200 多页,由柏林科学院在 1770 年和 1771 年发表。 把根打乱 核心想法是考察由方程的根构成的表达式,看看当根互换位置时这些表达式会怎样。 先从二次开始。方程 $x^2+bx+c=0$ 的根是 $x_1$ 和 $x_2$,自韦达以来人们就知道 $$x_1+x_2=-b,\qquad x_1x_2=c.$$交换 $x_1$ 和 $x_2$,这两个表达式不变。正因为如此,它们可以用系数写出来。而差 $x_1-x_2$ 会变:变成 $x_2-x_1$,即它的相反数。它取两个值。但它的平方又只取一个值,于是可以用系数写出来: $$(x_1-x_2)^2=(x_1+x_2)^2-4x_1x_2=b^2-4c.$$现在只需开方:$x_1-x_2=\pm\sqrt{b^2-4c}$。知道了和与差,根立刻就出来了,结果正是二次方程求根公式。公式里的 $\pm$,恰好就是 $x_1-x_2$ 可能取的两个值的符号。 四次的秘密 拉格朗日对三次和四次方程做了同样的分析。在四次方程中,设根为 $x_1, x_2, x_3, x_4$,费拉里的技巧相当于考察表达式 $$t=x_1x_2+x_3x_4.$$打乱四个根共有 $4!=24$ 种方式,但 $t$ 只取三个值: $$\begin{gathered}x_1x_2+x_3x_4,\\ x_1x_3+x_2x_4,\\ x_1x_4+x_2x_3.\end{gathered}$$这三个值是一个三次方程的根,其系数可由原方程的系数算出。既然三次方程已经会解,就能求出 $t$,进而求出根。四次方程之所以可解,是因为存在一个取值少于四个的根的表达式。 对于五次方程,拉格朗日寻找一个取值很少的五个根的表达式,没有找到。他怀疑这个问题无解,但无法证明。意大利人保罗·鲁菲尼在 1799 年给出了几乎完整的证明,说明不存在一般的求根公式;挪威人尼尔斯·阿贝尔在 1824 年彻底解决了这个问题。几年后,埃瓦里斯特·伽罗瓦把拉格朗日的想法发展成一整套理论,即群论。 定理 在这项分析中,拉格朗日证明了一个今天以他命名的结果: 如果把一个含 $n$ 个字母的表达式按所有 $n!$ 种可能的方式打乱,它所取的不同值的个数整除 $n!$。 例如,四个字母的表达式 $t$ 取 3 个值,3 整除 24。两个字母的表达式 $x_1-x_2$ 取 2 个值,2 整除 $2!=2$。

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平均曲率:曲面弯曲了多少

为了写出振动板的方程,索菲·热尔曼必须回答一个看似简单的问题:曲面在某一点弯曲了多少?她的答案——平均曲率——至今仍被用来研究肥皂泡、细胞膜和飞机蒙皮。 曲线的曲率 先从一条线开始。直线不弯曲,我们说它的曲率为零。圆在每一点弯曲的程度都一样,而且圆越小,弯得越厉害。所以半径为 $R$ 的圆的曲率定义为 $$\kappa=\frac1R.$$半径 1 厘米的圆曲率为 1;半径 1 米的圆,曲率为每厘米 $0.01$。对任意曲线,在每一点取最贴合它的圆,即密切圆,曲率就是这个圆半径的倒数。 曲面有许多曲率 到了曲面上,事情就复杂了。想象罐子侧面上的一点。如果沿着罐子竖直地走,路径是直的:曲率为零。如果绕着罐子走,路径是一个半径为 $r$ 的圆:曲率为 $\frac1r$。在中间的方向上,取中间的值。 1760 年,欧拉证明这种情况总是有规律地发生。在每一点都有一个曲率最大的方向 $\kappa_1$ 和一个曲率最小的方向 $\kappa_2$,两者互相垂直。这就是主曲率。在与第一个方向成 $\theta$ 角的方向上,曲率为 $$\kappa(\theta)=\kappa_1\cos^2\theta+\kappa_2\sin^2\theta.$$索菲·热尔曼的想法 索菲·热尔曼需要一个数来表示板抵抗弯曲的程度。她的假设是把两个主曲率相加。今天我们用这个和的一半,称为平均曲率: $$H=\frac{\kappa_1+\kappa_2}{2}.$$这个名字是准确的。如果对所有方向求 $\kappa(\theta)$ 的平均值,由于 $\cos^2\theta$ 和 $\sin^2\theta$ 在一整圈上的平均值都是 $\frac12$,结果恰好是 $\frac{\kappa_1+\kappa_2}{2}$。平均曲率就是所有方向上曲率的平均值。 在半径为 r 的球面上,两个主曲率都等于 1/r。在圆柱面上,一个是 1/r,另一个是 0。在马鞍面的中心点,两者大小相等、符号相反,相互抵消。Euler’s Eyes 绘图 半径为 $r$ 的球面:两个曲率都是 $\frac1r$,$H=\frac1r$。 半径为 $r$ 的圆柱面:一个曲率是 $\frac1r$,另一个是 $0$,$H=\frac1{2r}$。 马鞍面:曲面在一个方向上升,在另一个方向下降,两个曲率符号相反,在中心点 $H=0$。 热尔曼与高斯:和与积 1827 年,索菲的通信者高斯研究了同样两个曲率的另一种组合:它们的积 $K=\kappa_1\kappa_2$,今天称为高斯曲率。这两个数说的是不同的事。 高斯的积衡量的是曲面在不拉伸地弯曲时保持不变的东西。圆柱面的 $K=0$,和一张纸一样,它确实能用一张纸卷成而不起皱。球面的 $K=\frac1{r^2}$,所以没有一张世界地图是完美的。 热尔曼的和衡量的是耗费能量的东西:曲面弯曲了多少,而不管它能不能被展开。所以它出现在弹性理论和薄膜中。

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没有无穷小的导数与中值定理

18 世纪末,微积分用起来很好,却没有人能说清楚它为什么好用。莱布尼茨的 $dx$ 是“无穷小”的量:有时把它们当作不等于零,好拿来做除数;紧接着又把它们当作零,好把它们略去。贝克莱主教在 1734 年嘲笑过这一点,称它们为“消逝的量的幽灵”。 拉格朗日为此感到不安。1797 年,他出版了一本书,书的副标题本身就是一整套纲领: 包含微分学的原理,摆脱了一切关于无穷小、消逝量、极限和流数的考虑,并归结为有限量的代数分析。 — 约瑟夫-路易·拉格朗日,《解析函数论》(1797) 导出的函数 拉格朗日的想法是:每个合理的函数都可以展开成幂级数。给变量 $x$ 一个增量 $i$,那么 $$f(x+i)=f(x)+p\,i+q\,i^2+r\,i^3+\cdots,$$其中 $p, q, r, \ldots$ 是 $x$ 的新函数。拉格朗日把其中第一个,即 $i$ 的系数,定义为 $f$ 的导出函数,并用一撇来写:$f'(x)$。$f'$ 的导数是 $f''$,依此类推。 看看这对 $f(x)=x^3$ 是怎么用的。把立方展开, $$(x+i)^3=x^3+3x^2\,i+3x\,i^2+i^3.$$$i$ 的系数是 $3x^2$,所以 $f'(x)=3x^2$。不需要用一个后来会消失的东西做除数,也不需要略去任何东西:只要读出一个系数就行。这正是拉格朗日想要的。 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。 留下来的一撇 今天学校里导数有两种记号:莱布尼茨的 $\frac{dy}{dx}$,和拉格朗日的 $f'(x)$。“导数”(derivative)这个词也来自这本书:fonction dérivée,即由第一个函数导出的函数。牛顿在字母上面加一点写成 $\dot y$,今天主要在物理里、当变量是时间时才会用到。 计划在哪里失败了 这个计划有一个缺陷,柯西在 1823 年指出了它:并不是每个函数都等于它的幂级数。函数 $$f(x)=e^{-1/x^2}\ \ (x\neq0),\qquad f(0)=0$$在零附近平坦到它所有的导数在那里都等于零。它在零处的幂级数是 $0+0\,i+0\,i^2+\cdots=0$,但函数本身并不是零。像拉格朗日那样从级数出发是不够的。柯西用极限的思想重建了微积分,今天教的就是他的版本。 不过,拉格朗日在途中找到了两件工具,它们在他的计划失败后保留了下来。 中值定理 第一件是中值定理,他需要用它来控制自己的级数。用今天的形式来说:如果 $f$ 在从 $a$ 到 $b$ 的区间上可导,那么两者之间至少有一点 $c$,使得

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素数永远不会穷尽

素数比任何给定的素数个数都多。 — 欧几里得,《几何原本》命题 IX.20 素数 是大于 1、只能被 1 和它自身整除的整数:2、3、5、7、11、13……其余的数,比如 $12=2\cdot2\cdot3$,都是素数的乘积。素数是算术的原子。 越往后,素数越稀少。1 到 100 之间有 25 个素数;1 000 001 到 1 000 100 之间只有 6 个。它们会不会在某处就没了?欧几里得用一个四行的论证证明了不会,英国数学家哈代认为它是整个数学中最美的论证之一。 证明 假设有人给你一份有限的素数清单 $p_1,p_2,\ldots,p_n$。欧几里得证明,至少有一个素数 不在 清单上。把它们全部相乘再加 1: $$N=p_1\cdot p_2\cdots p_n+1.$$现在用清单上的任意一个素数去除 $N$。乘积 $p_1p_2\cdots p_n$ 能被它整除,所以 $N$ 除以它的余数是 1。清单上没有一个素数能整除 $N$。 但 $N$ 大于 1,所以它至少有一个素因子 $q$。为什么?取 $N$ 的大于 1 的最小因子。如果它不是素数,它就有一个更小的因子,而这个因子也整除 $N$,与"最小"矛盾。所以最小因子是素数。 这个素数 $q$ 整除 $N$,而清单上没有素数整除 $N$。所以 $q$ 不在清单上。任何有限的清单都不能包含所有素数: $$\boxed{\text{素数有无穷多个。}}$$欧几里得没有说"无穷",这个词希腊人是回避的。他说的是:给定 任何 个数的素数,总还有更多。这是同一件事,只是说得很谨慎。 构造出的数不一定是素数 一个常见的错误是以为 $N$ 总是素数。请看: 清单 $N$ $N$ 是素数吗? 2 3 是 2, 3 7 是 2, 3, 5 31 是 2, 3, 5, 7 211 是 2, 3, 5, 7, 11 2 311 是 2, 3, 5, 7, 11, 13 30 031 不是:$30\,031=59\cdot509$ 在第六行,$N$ 是合数。但它的因子 59 和 509 都是不在清单上的素数。证明从来没有说 $N$ 是素数;它只说有 某个 新素数整除 $N$。至今仍不知道表中这种构造能否产生无穷多个素数。

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拉格朗日乘数:带约束的最优化

几乎每个现实中的决定都是一个带约束的最大或最小值问题。工厂想要最大的利润,但原料有限。一个罐子要装 350 毫升,用的铝要尽量少。单摆想怎么动都行,只要小球一直拴在绳子上。拉格朗日为所有这些问题找到了一个统一的方法。它出现在 1788 年的《分析力学》中,用来处理力学系统的约束;也出现在 1797 年的《解析函数论》中,作为一条一般的计算规则。 围栏 先从一个希腊人就会解的问题开始。用 20 米长的围栏,围成的哪个矩形面积最大?设两边为 $x$ 和 $y$,我们要求 $$f(x,y)=xy\qquad\text{在约束}\qquad g(x,y)=x+y=10$$下的最大值。这里很容易解出 $y=10-x$,再求 $x(10-x)$ 的最大值。但在许多问题中,约束是一个复杂的方程,什么也解不出来。拉格朗日想要一种永远不需要这样做的方法。 一个新字母 拉格朗日的配方是增加一个新的未知数,今天我们叫它 $\lambda$,即乘数,并要求 $f$ 的导数与 $g$ 的导数成比例: $$\begin{aligned}\frac{\partial f}{\partial x}&=\lambda\,\frac{\partial g}{\partial x},\\ \frac{\partial f}{\partial y}&=\lambda\,\frac{\partial g}{\partial y},\\ g(x,y)&=10.\end{aligned}$$在围栏问题中,$\frac{\partial f}{\partial x}=y$,$\frac{\partial f}{\partial y}=x$,$g$ 的导数都等于 $1$。方程变成 $$y=\lambda,\qquad x=\lambda,\qquad x+y=10,$$于是 $x=y=5$。最好的矩形是 5 乘 5 的正方形,面积 25 平方米。不需要解出任何东西:约束作为又一个方程进来,$\lambda$ 作为又一个未知数进来。 为什么管用 下图画出了面积 $xy$ 取固定值 9、16、25 和 36 的曲线,以及约束直线 $x+y=10$。沿着直线走,我们经过面积越来越大的曲线,直到面积为 25 的曲线。之后面积又开始减小。面积为 36 的曲线根本碰不到这条直线。 在最优点,约束直线与面积为 25 的曲线相碰而不相交:它们相切。Euler’s Eyes 绘图 在最优点,直线与面积最大的曲线相切。如果它们相交,就可以沿直线再走一点,进入面积更大的曲线。相切的曲线方向相同,所以在那里 $f$ 和 $g$ 的导数成比例。乘数 $\lambda$ 就是这个比例的因子。