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第五公设与其他几何

我从无到有,创造了一个奇异的新宇宙。 — 亚诺什·鲍耶致父亲的信(1823 年 11 月 3 日) 欧几里得的前四条公设简短而显然:作直线、延长直线、作圆、所有直角相等。第五条却不一样: 如果一条直线与两条直线相交,在同侧所成的两个内角之和小于两直角,那么这两条直线无限延长后,必在这一侧相交。 它很长,而且谈的是没有人能验证的事情:两条直线 无限 延长后会怎样。欧几里得似乎也对它心存疑虑:他尽可能避免使用它,直到命题 I.29 才第一次引用。 普莱费尔的形式 有一个更容易记住的版本,由苏格兰人约翰·普莱费尔在 1795 年推广:过直线外一点,有且只有一条直线与之平行。在其他公设成立的前提下,这两种形式是等价的:接受其中一个,就必须接受另一个。 三角形的内角 第五公设最有名的推论是命题 I.32:三角形的三个内角之和等于两直角,即 $180°$。本站旧的三角学课程称之为第一条"准则": $$\boxed{\alpha+\beta+\gamma=180°.}$$证明:过三角形 $ABC$ 的顶点 $C$ 作底边 $AB$ 的平行线。这条平行线与 $CA$ 和 $CB$ 所成的角,分别等于三角形的角 $\alpha$ 和 $\beta$,因为它们是 内错角(I.29)。连同角 $\gamma$,三个角并排位于平行线上,组成一个平角 $180°$。内错角相等这一步,正是第五公设起作用的地方。 两千年的证明尝试 两千年来,数学家们认为第五公设不应该是公设,而应该是定理:应该能由前四条推出来。托勒密、普罗克洛斯、波斯人欧玛尔·海亚姆、同为波斯人的纳西尔丁·图西、英国人约翰·沃利斯都尝试过,全都失败了:每一个"证明"都暗中用到了某个与公设本身等价的假设。 1733 年,耶稣会神父吉罗拉莫·萨凯里换了一条路:假设公设是 错 的,然后推出矛盾。他推出了几十条奇怪的定理,比如内角和小于 $180°$ 的三角形。他没有找到任何矛盾,但坚信矛盾一定存在,于是宣称这些结果"与直线的本性相抵触",并以《洗清一切瑕疵的欧几里得》为题出版了这本书。他离一个发现只有一步之遥,却没有看见。 新的几何 十九世纪初,有三个人各自独立地迈出了缺失的那一步:承认没有第五公设的几何 和欧几里得几何一样自洽。高斯在 1820 年前后就得出了这个结论,但因为害怕引起反响而没有发表。俄国人尼古拉·罗巴切夫斯基于 1829 年在喀山大学的一份刊物上发表了它。匈牙利人亚诺什·鲍耶是一位数学家的儿子,他于 1832 年把它作为附录发表在父亲的书中。 鲍耶的父亲法尔卡什一生都在试图证明第五公设。得知儿子走上同一条路时,他写信恳求儿子放弃:“看在上帝的份上,别碰平行线了。要像厌恶一种不体面的激情那样厌恶它;它会夺走你所有的时间、你的健康、你内心的安宁和你一生的幸福。” 亚诺什没有放弃,1823 年他用本文开头那句话回复了父亲。 在这种 双曲几何 中,过直线外一点有 无穷多条 平行线,三角形的内角和总是 小于 $180°$。三角形越大,内角和越小。 球面上的几何 还有相反的情形。在球面上,“直线"即最短的路径是 大圆,比如赤道和经线。两个大圆总是相交:没有平行线。取一个由赤道和从北极出发、相隔 $90°$ 的两条经线围成的三角形。三个角都是直角,内角和为

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索菲·热尔曼的遗产

代数不过是写出来的几何;几何不过是画出来的代数。 — 索菲·热尔曼,《关于科学与文学状况的总体思考》(1833) 索菲·热尔曼几乎一直是独自工作的,没有学位,没有职位,也没有学生。当时的数学家们通过课堂、期刊和讨论互相学习,而这些她都接触不到,这一点在她的工作中看得出来:想法极具独创性,有时却留有缺口,而这些缺口本可以由一位老师及时指出。即便如此,她在两个几乎互不相干的领域——数论和弹性理论——都留下了自己的名字。 铁塔上缺少的名字 1889 年埃菲尔铁塔落成时,古斯塔夫·埃菲尔在塔上刻下了 72 位法国科学家和工程师的名字。其中许多人研究过弹性理论,如纳维、泊松和柯西,铁塔本身也正是靠这一理论才得以计算。索菲·热尔曼的名字不在上面。1913 年,历史学家 H. J. 莫赞斯指出了这一缺席:在他看来,一位帮助奠定了使铁塔成为可能的理论的人被遗忘了,只因为她是女性。 留下了什么 数论。 热尔曼定理是关于费马大定理的第一个一般性结果。她的手稿直到 2010 年才被研究,显示出一个比人们以为的远为宏大的计划。 索菲·热尔曼素数。 使 $2p+1$ 也是素数的素数 $p$ 以她的名字命名,今天作为安全素数保护着互联网的安全连接。 代数。 恒等式 $a^4+4b^4=(a^2+2b^2+2ab)(a^2+2b^2-2ab)$ 是经典的因式分解工具。 弹性理论。 在 1816 年获奖的振动板方程,是工程师至今仍在使用的板理论的基础。 几何。 她用来衡量曲面弯曲程度的平均曲率,出现在肥皂泡、极小曲面和细胞膜中。 哲学。 她去世后由侄子出版的《关于科学与文学状况的总体思考》主张科学与艺术的统一。奥古斯特·孔德称赞过这部著作。 索菲·热尔曼在巴黎拉雪兹神父公墓第 16 区的墓。Pierre-Yves Beaudouin, 2015 · Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0 纪念 巴黎第 14 区有一条索菲-热尔曼街,玛莱区有一所以她命名的学校——索菲-热尔曼中学。自 2003 年起,法国科学院每年颁发索菲·热尔曼奖,这是法国数学界最重要的奖项之一。 希帕提娅、埃米莉、索菲、索菲娅、埃米 索菲·热尔曼属于一个短小而杰出的谱系。在她之前,有 4 世纪亚历山大的希帕提娅,以及 18 世纪把牛顿的《原理》译成法文的埃米莉·杜·夏特莱。在她之后,有俄罗斯的索菲娅·柯瓦列夫斯卡娅,她在 1874 年成为近代欧洲第一位获得数学博士学位的女性;还有德国的埃米·诺特,她在 20 世纪任教于高斯所在的哥廷根大学。她们都不得不面对紧闭的大门。而索菲·热尔曼面对的大多数门,是她独自推开的。 要点回顾 索菲·热尔曼生于 1776 年,卒于 1831 年,生活在巴黎。她违背父母的意愿,自学数学。 在给拉格朗日(1794 年)和高斯(1804 年起)的信中,她署名勒布朗先生。 同余式 $a\equiv b\pmod m$ 表示 $a$ 和 $b$ 除以 $m$ 的余数相同。 若 $p$ 和 $2p+1$ 都是素数,则在费马问题的第一情形中,方程 $x^p+y^p=z^p$ 无解。 使 $2p+1$ 也是素数的素数 $p$ 以她的名字命名,100 以内有十个。 $a^4+4b^4$ 总能分解成两个因式之积。 1816 年,她凭振动板理论获得科学院奖,其方程含有四阶导数。 曲面的平均曲率是两个主曲率的平均值:$H=\frac{\kappa_1+\kappa_2}{2}$。 练习:索菲生于 1776 年。这个数最少是几个平方数之和?$1776=16\cdot111$,而 $111=8\cdot13+7$,所以 $1776=4^2\,(8\cdot13+7)$ 具有勒让德的形式 $4^a(8b+7)$,不是三个平方数之和。根据拉格朗日定理,它是四个平方数之和,例如 $1776=40^2+12^2+4^2+4^2=1600+144+16+16$。

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拉格朗日的遗产

拉格朗日是数学科学中的一座高耸的金字塔。 — 拿破仑·波拿巴,据同时代人记载 拉格朗日没有留下像帕斯卡那样少年天才的轶事,也没有留下欧拉那样规模的著作。他留下了另一样东西:一种做数学的方式。别人画图的地方,他计算;别人为每个问题找一个技巧的地方,他寻找能解释所有技巧的规则。他做的几乎每件事都以他的名字留在教科书里:欧拉-拉格朗日方程、拉格朗日量、拉格朗日点、拉格朗日定理、拉格朗日余项、拉格朗日乘数。 谈牛顿 拉格朗日最敬佩的是牛顿,但也毫不掩饰地带着一丝羡慕。他的传记作者德朗布尔记下了他常说的话: 牛顿是有史以来最伟大的天才,也是最幸运的,因为世界体系只能被建立一次。 — 约瑟夫-路易·拉格朗日,据德朗布尔(1814) 米与十进制 1790 年起,在创立公制的委员会中,拉格朗日支持所有度量都采用十进制划分,反对主张因数更多的十二进制的人。据说,为了说明 12 的众多因数并不那么重要,他甚至半开玩笑地提议用 11 进制,因为 11 是素数。米、升和克都按 10 划分,其中也有他的一份功劳。 穿过给定点的多项式 在 1795 年巴黎高等师范学校的课上,拉格朗日给出了求穿过给定点的多项式的公式。对于三个点 $(x_0,y_0)$、$(x_1,y_1)$ 和 $(x_2,y_2)$,它是 $$\begin{aligned}P(x)={}&y_0\,\frac{(x-x_1)(x-x_2)}{(x_0-x_1)(x_0-x_2)}\\&+y_1\,\frac{(x-x_0)(x-x_2)}{(x_1-x_0)(x_1-x_2)}\\&+y_2\,\frac{(x-x_0)(x-x_1)}{(x_2-x_0)(x_2-x_1)}.\end{aligned}$$思路很简单:每个分式在自己的点上等于 $1$,在另外两个点上等于 $0$,所以 $P(x_0)=y_0$,$P(x_1)=y_1$,$P(x_2)=y_2$。英国人爱德华·华林在 1779 年已经发表过同一个公式,欧拉也知道它,但它保留了拉格朗日插值的名字。今天,它存在于计算器和计算机的数值方法中,甚至存在于一种把秘密分给多人保管的密码学方法中。 留下了什么 物理。 《分析力学》把力学变成了分析的一个分支。相对论、量子力学和标准模型至今仍以拉格朗日量 $L=T-V$ 的形式写成。 变分法。 拉格朗日与欧拉一起创立了选择最佳曲线的数学,从光学到火箭控制都在使用。 天文学。 拉格朗日点上停着空间望远镜,也聚集着成千上万颗特洛伊小行星。 数论。 四平方和定理为华林问题和二次型的研究开辟了道路,勒让德和高斯继续了这些研究。 代数。 关于根的置换的思考为鲁菲尼、阿贝尔和伽罗瓦的工作以及群论做了准备。 分析。 记号 $f'(x)$、“导数”一词、中值定理和拉格朗日余项出现在每一门微积分课程中。 拉格朗日在他出生的城市都灵的雕像。Twice25 · Wikimedia Commons · CC BY-SA 3.0 许多地方的名字 拉格朗日安葬在巴黎先贤祠,他的名字是埃菲尔铁塔上镌刻的 72 个名字之一。都灵有一座以他命名的广场、一条街和他的一座雕像,意大利和法国至今还在争论他究竟是意大利数学家还是法国数学家。月球上有一座拉格朗日环形山,正是他 28 岁时解释了其天平动的那个月球;还有一颗名叫 1006 Lagrangea 的小行星。 意大利人还是法国人? 拉格朗日生于都灵,家族有法国血统;他最早的论文用拉丁文和意大利文写成,之后几乎全用法文。他在意大利生活了 30 年,在普鲁士 20 年,在法国 26 年。意大利人称他为朱塞佩·路易吉·拉格朗吉亚,法国人称他为约瑟夫-路易·拉格朗日。

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欧几里得的遗产

他在当过国会议员之后,研读并几乎掌握了欧几里得的前六卷。 — 亚伯拉罕·林肯,自传笔记(1860) 除《圣经》之外,《几何原本》是历史上被抄写、翻译和印刷次数最多的书之一。自 1482 年在威尼斯出版第一个印刷版以来,已有一千多个版本。两千多年来,“学几何"就意味着"学欧几里得”。 《几何原本》的第一个印刷版,1482 年埃哈德·拉特多尔特在威尼斯印制,拉丁文译本。图形印在页边,紧挨着正文;一位早期读者在书页上写满了批注。Folger Shakespeare Library · Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0 一本书的多种面貌 本站旧的三角学课程收集了几个改变了欧几里得呈现方式的版本: 年份 作者 版本 约 1120 巴斯的阿德拉德 由阿拉伯文译成拉丁文 1482 埃哈德·拉特多尔特 第一个印刷版,威尼斯 1570 亨利·比林斯利 第一个英译本,附有可折成立体的纸制图形 1607 利玛窦与徐光启 前六卷的中译本,北京 1698 萨穆埃尔·赖尔 Euclides… mit algebraischen Zeichen,用代数符号写的欧几里得 1847 奥利弗·伯恩 The First Six Books of the Elements of Euclid,用颜色代替字母 伯恩 的版本是印刷史上最美的书之一。他不说"三角形 $ABC$",而是把三角形画成黄色、红色和蓝色,证明变成了一连串彩色小图。当时它在商业上是失败的;如今它是博物馆藏品,也是设计师的灵感来源。 《几何原本》的阿拉伯文版,纳西尔丁·图西的校订本,1594 年印于罗马。哈佛大学霍顿图书馆 · Wikimedia Commons · 公有领域 方法 比定理更重要的是 方法。牛顿仿照《几何原本》写成《自然哲学的数学原理》(1687):定义、公理(他称之为运动定律),以及逐一证明的命题。斯宾诺莎"按几何学的顺序"写了《伦理学》(1677),用定义、公理和命题来谈论上帝和灵魂。美国《独立宣言》以一些被认为不言而喻的真理开头,如同公理,再由它们推出独立的权利。

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费马大定理:从页边到怀尔斯的证明

人人都知道勾股定理:$3^2+4^2=5^2$。这样的整数三元组有无穷多个,比如 $5,12,13$ 和 $8,15,17$。 那么立方呢?是否存在正整数满足 $a^3+b^3=c^3$?四次方呢? 页边的批注 1670 年版丢番图《算术》中第 II.8 题的一页。题目下方就是“Observatio Domini Petri de Fermat”:费马写在页边的注记,由他的儿子付印。丢番图,萨米埃尔·德·费马编(1670) · Wikimedia Commons · 公有领域 大约 1637 年,费马在读丢番图关于把一个平方数分成两个平方数之和的问题时,在书的页边用拉丁文写道: 不可能把一个立方数分成两个立方数之和,或把一个四次方数分成两个四次方数之和,一般地,不可能把任何高于二次的幂分成两个同次幂之和。我已找到一个真正绝妙的证明,可惜这里的页边太窄,写不下。 — 皮埃尔·德·费马,约 1637 年 用今天的语言说:当 $n>2$ 时,不存在正整数 $a$、$b$、$c$ 使得 $$a^n+b^n=c^n.$$这条批注直到 1670 年费马的儿子出版附有父亲批注的书时才公之于众。那个证明从未被找到。页边上的其他所有论断后来都被证明或否定了,只有这一条坚持到最后,所以被称为“最后的定理”(在中文里通称费马大定理)。 358 年的尝试 费马本人用无穷递降法证明了 $n=4$ 的情形。其他情形一个接一个地被攻克: 1770 年:欧拉证明 $n=3$ 的情形。 1825 年:狄利克雷和勒让德证明 $n=5$ 的情形。 1820 年代:索菲·热尔曼(她用男性的名字署名写信,以便被认真对待)证明了适用于一整类质数的一般结果。 1839 年:拉梅证明 $n=7$ 的情形。 1847 年:恩斯特·库默尔提出新思想,证明了 100 以内除三个以外所有“正则”质数的情形。 但没有人能给出对所有指数都成立的证明。 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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图片来源

历史图片 全部来自维基共享资源(Wikimedia Commons)。我们使用共享资源提供的缩略图,未作编辑。欧几里得生前没有留下任何画像;流传的欧几里得形象都是很久以后的艺术家想象出来的。 俄克喜林库斯纸草,载有命题 II.5,约公元 100 年,宾夕法尼亚大学博物馆:原始页面 · 公有领域。 《雅典学院》局部,拉斐尔,1509–1511 年:原始页面 · 公有领域。 奥利弗·伯恩版中的命题 I.47,伦敦,1847 年,Mirko Junge 扫描:原始页面 · 公有领域。 《几何原本》第一个印刷版,埃哈德·拉特多尔特,威尼斯,1482 年,Folger Shakespeare Library:原始页面 · CC BY-SA 4.0。 《几何原本》阿拉伯文版,纳西尔丁·图西校订本,罗马,1594 年,霍顿图书馆:原始页面 · 公有领域。 本站绘图 封面、等边三角形的作图、毕达哥拉斯定理的图和配方的图都是本站原创插图,并为网站的每种语言制作了相应版本。配方的例子 $x^2+10x=39$ 和练习 $x^2+8x=65$ 来自本站旧的巴斯卡拉公式课程,其中的图已重新绘制;3、4、5 和 6、8、10 的例子以及版本表来自旧的几何和三角学课程。 记录 文件 data/euclides_imagens.json 记录了每张下载图片的来源、许可、核实日期和 SHA-256 哈希值。各主题的历史资料来源列在每篇文章末尾。 欧几里得的全部主题 · ← 欧几里得的遗产

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费马的遗产

数论之父 1670 年版丢番图《算术》的扉页,在图卢兹印制,标明“附 P. 德·费马的评注”。费马去世五年后由儿子出版的这本书,把页边注记传到了欧拉手中。贝尔纳·博斯克,图卢兹(1670) · Wikimedia Commons · 公有领域 在费马之前,关于整数的问题被看作谜题,是丢番图式的智力游戏。费马把它们变成了一个数学领域,有深刻的问题和自己的方法。将近一个世纪里,几乎没有人跟上他。直到 1730 年起,欧拉读了费马的批注,证明了其中很多,才使数论成为数学的核心分支。随后又有拉格朗日、勒让德和高斯。 其他发现 完整的清单会很长。几个亮点: 两平方和定理: 一个奇质数能表示为两个平方数之和,当且仅当它除以 4 余 1。例如 $13=4+9$,$29=4+25$,而 $7$ 和 $11$ 不行。费马在 1640 年宣布,欧拉在 1749 年证明。 佩尔方程: 费马用来挑战英国人的方程 $x^2-Ny^2=1$,当 $N$ 不是平方数时总有无穷多个解。 多边形数: 每个正整数都能表示为至多三个三角形数之和、四个平方数之和、五个五边形数之和,依此类推。拉格朗日在 1770 年证明了平方数的情形,高斯在 1796 年证明了三角形数的情形。 曲线求长: 费马计算了一些曲线弧的长度,这是另一个为微积分铺路的问题。 通向微积分之路 费马的解析几何使曲线能写成方程。他的极值方法用一种本质上就是导数的计算来求切线和极值。他还计算了 $y=x^n$ 型曲线下的面积。所缺的只是认识到切线与面积是互逆运算——这一步将由牛顿和莱布尼茨迈出。 在物理学中,最短时间原理解释了学校里学到的反射和折射,并开辟了现代物理中最优化原理的道路。 错误的猜想同样有教益 费马错误地认为所有形如 $2^{2^n}+1$ 的数都是质数。即便如此,这个问题引导欧拉发展出新的技巧,又意外地出现在高斯的正十七边形中。在数学中,一个好问题价值连城,即使答案与直觉相反。 而大定理,无论费马是否真有那个“绝妙”的证明,都迫使数学家创立了整套理论来解决它。怀尔斯的证明把两个看似遥远的领域联系在一起,这些工具如今的用途已远远超出了原来的问题。 要点回顾 费马的出生地博蒙德洛马涅的费马纪念像,雕塑家亚历山大·法尔吉耶尔的作品。Didier Descouens · Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0 费马是图卢兹的法官,研究数学纯属爱好;生前几乎什么也没发表。 他的出生年份有 1601 年和 1607 年两种说法,因为他有一个同名的同父异母哥哥。 他独立于笛卡儿创立了解析几何。 他的“近似相等”法在牛顿和莱布尼茨的微积分之前就能求极大值和极小值。 小定理说:当质数 $p$ 不整除 $a$ 时,$a^{p-1}\equiv1\pmod p$。 他猜想所有 $2^{2^n}+1$ 都是质数;欧拉证明了 $F_5$ 是 641 的倍数。 1654 年,他与帕斯卡通过点数问题创立了概率论。 最短时间原理解释了折射定律。 无穷递降法证明某些方程没有整数解。 大定理等待了 358 年,于 1995 年由安德鲁·怀尔斯证明。 资料来源: 费马的生平与贡献,MacTutor。