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カール・フリードリヒ・ガウスの生涯

タイムライン 177730 4 月、ブラウンシュヴァイクで、庭師とレンガ職人の息子として生まれました。 1786およそ9年、学校での1から100秒の合計。 1791カール・ヴィルヘルム・フェルディナンド公爵が学費を払い始める。 1795ゲッティンゲン大学に入学します。 17963 月 30 では、辺が 17 の正多角形を作成する方法を学びます。数学日記を始めましょう。 1799ヘルムシュテットから代数学の基本定理の証明で博士号を取得。 1801算術計算書を出版し、 準惑星ケレスの軌道を計算します。 1807彼はゲッティンゲン天文台の所長となり、死ぬまでそこに留まりました。 1809最小二乗法と正規曲線を使用したテオリア モートゥスを公開。 1818三角形を使用してハノーバー王国の計測を開始します。 1821 では、彼はヘリオトロープを発明しました。 1827曲面の曲率に関する定理エグレギウムを出版。 1833彼はヴィルヘルム・ウェーバーとともに最初の電気電信機の 1 つを設立しました。 185523 2 月、ゲッティンゲンで死去。 ◀ 前へ 旅をたどる 次へ ▶ 1777–1795 ブラウンシュヴァイク庭師で石工の息子。学校で 1 から 100 までの和を数秒で求める。カール・ヴィルヘルム・フェルディナント公が学費を出すようになる。 1795–1798 ゲッティンゲン大学で学ぶ。1796 年 3 月 30 日、正十七角形の作図法を発見し、日記をつけ始める。 1799 ヘルムシュテット代数学の基本定理の証明で博士号を得る。 1799–1807 ブラウンシュヴァイク『整数論』(1801)を出版し、ケレスの軌道を計算する。ここで「ルブラン氏」からの手紙を受け取る。 1807–1855 ゲッティンゲン天文台五十年近く天文台を率いる。三角測量でハノーファー王国を測り、驚異の定理を発表し、ヴェーバーと電信を作る。1855 年に亡くなる。 地図を見るには JavaScript を有効にしてください。各地点は下の一覧にあります。 ガウスはほとんど旅をしなかった。生涯をブラウンシュヴァイクとゲッティンゲンを中心とする百キロの範囲で過ごした。 地図:© OpenStreetMap 協力者

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17 角形の多角形

ギリシャ人以来、定規とコンパスを使って3、4、5、15の辺を持つ正多角形を作成する方法が知られていました。 そこから出てくるものはすべて辺の数を 2 倍にします (6、8、10、12…)。 2000 年間、誰も次のものを見つけることができませんでした。 ガウスは、$n$ 辺の多角形を構築することは、次を使用して $\cos\frac{2\pi}{n}$ を計算することと同じであることを示しました。 整数と四則演算と平方根のみです。そして定規とコンパスは根を張る方法を知っている 正方形: それはまさに、の章で見た構造です。 [デカルト](/jp/posts/historia/descartes/)。 17 面について、彼は到達しました $$\begin{aligned} \cos\frac{2\pi}{17} = {} & \frac{-1 + \sqrt{17} + \sqrt{34 - 2\sqrt{17}}}{16} \\ & + \frac{1}{8}\sqrt{17 + 3\sqrt{17} - \sqrt{34 - 2\sqrt{17}} - 2\sqrt{34 + 2\sqrt{17}}} \\ \approx {} & 0{,}93247. \end{aligned}$$ 平方根だけがあり、一方がもう一方の中にあります。したがって、辺が17の多角形を構築できます。 法則とは何ですか? ガウスは、$n$ が次のとき、$n$ 辺の多角形が構築できることを発見しました。 2 乗の異なるフェルマー素数: $2^{2^k} + 1$ の形式の素数。 3、5、17、257、65 537。これらは、この章のフェルマー数と同じです。 オイラー、次の $2^{32}+1$ が素数ではないことが示されました。 1837では、 ピエール ヴァンツェルは、これ以外の多角形は構築できないことを証明しました。 辺の数をお選びください。緑: 定規とコンパスを使って構築できます。レッド:そんなわけないよ。 このインタラクティブな図形を表示するには、JavaScriptを有効にしてください。

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時計演算

今が 15 時なら、10 時間後は何時になりますか? 「25 h」ではなく、1 am: 時計通り、 24 の後、カウントが再び開始されます。ガウスは論争の中でこの考えに名前と象徴を与えました。 $$25 \equiv 1 \pmod{24}$$ 「25 は、24 を法として、1 と合同です」と書かれています。24 で割ったとき、どちらも同じ余りが残ります。シンボル $\equiv$ は等号とほぼ同じように機能し、両側で加算と乗算ができます。 アプリケーション: ナインズアウト。 $10 = 9 + 1$ として、$10 \equiv 1 \pmod 9$ があり、次に $100 \equiv 1$、$1000 \equiv 1$など。それが理由です: ナインズアウトが機能する理由 (クリックして次へ) 小数点以下の数値を入力します: $4528 = 4 \cdot 1000 + 5 \cdot 100 + 2 \cdot 10 + 8$。 10 の各べき乗を 1 に置き換えます。これは、9 で割ったときの余りが同じになります: $4528 \equiv 4 + 5 + 2 + 8 = 19 \pmod 9$。 19: $19 \equiv 1 + 9 = 10 \equiv 1 + 0 = 1 \pmod 9$ と繰り返します。 結論:4528は9で割ると余りが1となります。 $4528 = 9 \cdot 503 + 1$にチェックを入れてください。 任意の数値を入力します。数字の合計を 1 つだけ残るまで繰り返し、9 で割った余りが得られます。 このインタラクティブな図形を表示するには、JavaScriptを有効にしてください。

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代数学の基本定理

ガウスは博士論文の1799で、 次の条件を満たす限り、 次数$n$ のすべての多項式には根が$n$ あることを証明しました。 複素数も受け入れられます。たとえば、$x^2 + 1 = 0$ には実際の解決策はありませんが、2 つの複雑な解決策があります。 $$x^2 + 1 = (x - i)(x + i).$$ ガウスはまた、 複素数を平面上の点として描く方法を普及させました。 複合: $a + bi$ は点 $(a, b)$ です。ノルウェー人のカスパー・ヴェッセル (1797) とスイス人のジャン・ロベール・アルガン (1806) も同じ考えを持っていましたが、彼らの作品を読んだ人はほとんどいませんでした。ガウスの名声は、 1831さん、絵を拡散していただきました。そのためアルガンド・ ガウス平面とも呼ばれます。そして、17 の辺を持つ多角形との素晴らしい接続が表示されます。の $x^3 = 1$ の 3 つの根は $$1, \qquad -\frac{1}{2} + \frac{\sqrt{3}}{2}\,i, \qquad -\frac{1}{2} - \frac{\sqrt{3}}{2}\,i,$$ 平面上では半径1 の円に内接する正三角形 の頂点になります。同じ ちなみに、$x^{17} = 1$ の 17 ルートは、17 辺の多角形の頂点です。この方程式を勉強しました ガウスが建設現場に到着したこと。 この対話型の図を使うには JavaScript を有効にしてください。議論の全体は本文にあります。

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セレスと最小二乗法

1801 年 1 月 1 日、天文学者ジュゼッペ ピアッツィはパレルモで、動く小さな点を発見しました。 星々の中では、 それは今日準惑星に分類されているケレスでした。ピアッツィは41日間彼に同行しました。 太陽のまぶしさに消えるまで。観測が非常に少ないため、誰も軌道を計算する方法を知りませんでした。 永遠に失われたようだった。 ガウスは 24 歳で、新しい方法を作成し、数週間で軌道を計算しました。 31の夜に 1801 12 月、天文学者フランツ・フォン・ザッハがガウスが示した場所に望遠鏡を向けると、そこにありました。 セレス。 1801 年をアニメーション化します。ケレスが観察され、太陽の後ろに消え、年の最後の日に再び発見されます。 「ガウス予測」をクリックすると、計算された軌道が表示されます。 このインタラクティブな図形を表示するには、JavaScriptを有効にしてください。 Theoria motus corporum coelestium (1809)。ガウスがその方法を説明しました。パブリックドメイン その秘密の一つは測定誤差への対応にありました。すべての観測には小さな誤差が含まれます。測ったら 同じことを何度か行って異なる値が見つかった場合、どの数値を選択すればよいでしょうか? ガウスの答えは、 誤差の二乗和が最小となる数字$c$です。測定あり $x_1, x_2, \ldots, x_n$、合計は $$S(c) = (x_1 - c)^2 + (x_2 - c)^2 + \cdots + (x_n - c)^2.$$ 四角形を開くと、$c$ に 2 次関数が表示されます。 $$S(c) = n\,c^2 - 2\left(x_1 + x_2 + \cdots + x_n\right) c + \left(x_1^2 + x_2^2 + \cdots + x_n^2\right).$$ グラフは口を上に向けた放物線であり、最も低い点が頂点になります。 $c = -\frac{b}{2a}$:

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正規曲線、ガウスの鐘

測定誤差がランダムである場合、誤差はどのように分布するのでしょうか? Theoria motus では、ガウスはアイデアから始めました。 平均が最良の推定値であることがわかり、誤差曲線の形状に到達しました。 $$f(x) = \frac{1}{\sigma\sqrt{2\pi}}\, e^{-\frac{(x - \mu)^2}{2\sigma^2}},$$ ここで、$\mu$ は平均値、$\sigma$ は標準偏差です。それは正規曲線、 またはガウスベルです。 中程度、対称的で、平均から離れるにつれて低くなります。それは高みからどこにでも現れます。 機械のエラーに人を巻き込む。 ベルが上昇する様子を美しく見るのは、1873 でフランシス ゴルトンが発明したゴルトン マシンです。 ビー玉はグリッドのペグを通って落ち、各ペグで同じように左または右に移動します。 チャンス。ほとんどは中央付近で終わりますが、端まで到達するものはほとんどありません。 ビー玉を落として、ガウスベルが現れるのを見てください。ボールが数個あるだけで、すべてが台無しになります。何百もあると、形が単独で現れます。 このインタラクティブな図形を表示するには、JavaScriptを有効にしてください。 正規曲線の場合、68-95-99,7 のルールが適用されます。 値の約 68% は平均値から最大 1 標準偏差です。 約 95% は最大 2 標準偏差離れています。 約 99,7% は最大 3 標準偏差離れています。 その後間もなく、ベルギーのアドルフ・ケトレは正規曲線を使用して人々の身長、体重、 出生数、死亡数、収入はガウスの鐘にほぼ従った。 10 ドイツ マルク紙幣 (1989 ~ 2001): ゲッティンゲンの建物の隣にあるガウス、正規曲線と公式。オイラーの目コレクション 紙幣の鐘 1989から2001まで、10ドイツマルク紙幣にはガウスの顔、公式と曲線の描画が描かれていました 普通の。フランス人のアブラアン・ド・モアブルがすでに 1733 でこの曲線を発見していたことは言及する価値がありますが、それは 彼女を有名にした測定誤差におけるガウスの研究。による投稿も参照してください 統計の概念. すべてのトピックはカール・フリードリッヒ・ガウスによる · ← セレスと最小二乗法 · エグレギウムの定理と曲率→

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エグレギウムの定理と曲率

ハノーバーを測定しながら、ガウスは曲がった地球の地図を作成する方法についてよく考えました。 1827で公開されました 彼はその結果をエグレジウム定理と呼び、「注目すべき定理」と呼びました。 曲面の曲率は次のとおりです。 外から見に行くことなく、その中に住んでいる人によって測定されます。 結果: 平面内では、三角形の角度の合計は 180° になります。球体ではそれらを合計するとさらに多くになります。取ってください 1 つの頂点が北極にあり、他の 2 つの頂点が赤道にある三角形: 赤道の2つの角は直角です。 90° を極として、三角形には 3 つの直角があります: 270°。 このインタラクティブな図形を表示するには、JavaScriptを有効にしてください。 子午線は赤道を直角に切っているため、赤道の 2 つの角度は 90° になります。を追加すると、 極の角度 $\alpha$: $$90° + 90° + \alpha = 180° + \alpha.$$ 180°以上は三角形の面積に比例し、表面が曲面であることを示します。だからこそ 完璧な地球の平面図は存在しません。距離、角度、面積には常に歪みが生じます。 ピザのトリック ピザのスライスを先端が落ちないように食べるために、スライスを半分に折りたたむことに気づいたことがありますか?それは 定理エグレギウムが作動中。スライスは最初は平ら (曲率ゼロ) であり、両方向に湾曲させることはできません。 同時に。片側を曲げると反対側が硬くなり、先端が抜けなくなります。 ガウスはまた、ユークリッドの平行公準が存在しない幾何学が存在する可能性があることにも気づきました。 価値がある。しかし彼は何も公表しなかった。1829からの手紙の中で、彼は「ボイオティア人の叫び声」、つまりそうしなかった人々の叫びを恐れていると述べた。 分かるだろう。非ユークリッド幾何学は、最終的にロバチェフスキーとヤノス・ボリャイによって出版されました。 すべてのトピックはカール・フリードリッヒ・ガウスによる · ← 正規曲線、ガウスベル · 連立方程式: 行列式とガウス消去法 → 画像のクレジットと出典.

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連立方程式: 行列式とガウス消去法

最小二乗法を使用して軌道を計算するには、 ガウスは次の連立方程式を解く必要がありました。 多くの未知数。生徒なら誰でも知っている 2 つの名前はこの物語に由来しています。決定要因と ガウス消去法です。 行列式 2 つの方程式を含むシステムを考えます。 $$\begin{cases} a\,x + b\,y = e \\ c\,x + d\,y = f \end{cases} \quad\Longrightarrow\quad x = \frac{e\,d - b\,f}{a\,d - b\,c}, \qquad y = \frac{a\,f - e\,c}{a\,d - b\,c}.$$ すべては分母の数値 $ad - bc$ に依存します。それがゼロでない場合、システムには 1 つの数値が含まれます。 解決策。この数値がシステムを「決定」します。 システム、数値 ad − cb、およびスラッシュ表記。オイラーの目コレクション 2 行の規則: a₁₁・a₂₂ − a₂₁・a₁₂ = 行列式。オイラーの目コレクション マトリックスとは、ラテン語で子宮、つまり何かが生成される場所を意味します。オイラーの目コレクション この単語が最初に登場したのは、1801 のガウスの論争です。彼はそれを呼んだ 決定値は、2次のフォーム$ax^2 + 2bxy + cy^2$の性質を決定する数値です。 1815 では、フランス人のオーギュスタン ルイ コーシーがこの用語を採用し、次のようにクレジットしました。

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ガウス求積法: 2 点で積分

Quadratura circuli: 円の面積を多角形で近似する、積分計算につながる考え方。オイラーの目コレクション 「二乗」は面積を計算するための古い名前です。ギリシャ人は円の面積を次のように近似しました。 多角形の辺がますます増え、積分微積分が誕生しました。実際的な問題は、どのように計算するかです。 曲線の下の面積を少し計算してみましょう。 最も簡単な方法は台形則 で、曲線の端$x = -1$と$x = 1$だけを見て、 台形の面積を計算します。 1814 でガウスは次のように尋ねました: どこを見るかを選択できるとしたらどうなるでしょうか? 2つで ポイント $\pm t$ と重みが 1 に等しい場合、推定値は次のようになります。 $$\int_{-1}^{1} f(x)\,dx \approx f(-t) + f(t).$$ 彼は、式ができるだけ多くの多項式に正確に一致することを望んでいました。 ガウス点の検索 (クリックして先に進みます) $f(x) = 1$の場合:面積は2、計算式は$1 + 1 = 2$となります。 ✓ 任意の $t$ で動作します。 $f(x) = x$ (および $x^3$) の場合: 面積は 0 で、計算式は $-t + t = 0$ となります。 ✓ 毎回でも機能します。 $f(x) = x^2$の場合:面積は$\frac{2}{3}$、計算式は$t^2 + t^2 = 2t^2$となります。 等価: $2t^2 = \frac{2}{3}$、次に $t^2 = \frac{1}{3}$、$t = \frac{1}{\sqrt{3}} \approx 0{,}577$。 結果: わずか 2 点で、ルールは 3 までの次数の多項式にスポット的にヒットします。 青い部分がまさにその部分です。高さ f(±1/√3) の 2 つのガウス長方形と、端だけを見た台形を比較します。 このインタラクティブな図形を表示するには、JavaScriptを有効にしてください。

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その他の貢献と遺産

その他の貢献 物理学: ガウスの電磁気の法則、地磁気とガウス単位の研究。 複素数: ガウス整数、$a + bi$ と $a$ および $b$ の整数。 天文学と測地学: 惑星や彗星の軌道、ヘリオトロープ、ハノーバー測定。 アルゴリズム: イースターの日付を計算する方法。1805 による原稿では、 1965 で再発見され、今日ではすべての携帯電話で使用されている高速フーリエ変換。 思い出すために ガウスはブラウンシュヴァイクで貧乏に生まれ、公爵のもとで学び、ゲッティンゲンで生涯を過ごしました。 1 から 100 のペアを結合して追加: $1 + 2 + \cdots + n = \frac{n(n+1)}{2}$。 18 年に、彼は平方根のみを使用して 17 個の辺を持つ多角形を構築する方法を示しました。 彼は合同表記 $a \equiv b \pmod n$、時計とナインアウトの数学を作成しました。 彼は、次数 $n$ のすべての多項式が $n$ の複素根を持つことを証明しました。 素数の推定数: $\pi(x) \approx x / \ln x$。 彼は最小二乗法でケレスを再発見しました。これにより、平均が最良の推定値である理由がわかりました。 彼はこの法線曲線にガウス ベルという名前を付けました。 彼は、曲率をサーフェス内から測定できることを示しました。これが、完全な平面マップが存在しない理由です。 彼は行列式に名前を付け、連立方程式を解く消去法を整理しました。 適切に選択された 2 つの点 $\pm 1/\sqrt{3}$ を使用して、次数 3 までの多項式の正確な積分を計算しました。 すべてのトピックはカール・フリードリッヒ・ガウスによる · ← ガウス求積法: 2 点で積分 · 画像クレジット→