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ヨハン・ベルヌーイの生涯

年表 16677 月 27 日、ニコラウス・ベルヌーイの十番目の子としてバーゼルに生まれる。 1682商売を学ぶためにヌーシャテルに送られるが、向いていない。 1683バーゼル大学に入学。医学を学び、兄ヤコブとともに数学を学ぶ。 1691懸垂線の問題を解く。ジュネーヴ、ついでパリへ旅する。 1692ロピタル侯爵に微積分を教えはじめる。 1694医学博士となる。ロピタルと契約を結び、ドロテア・ファルクナーと結婚する。 1695オランダのフローニンゲンで数学教授になる。 1696最速降下線の挑戦を出す。彼の講義をもとにしたロピタルの本が出る。 1705バーゼルに戻る。ヤコブが亡くなり、ヨハンがその講座を継ぐ。 1717ヴァリニョンへの手紙で仮想仕事の原理を述べる。 1720若いレオンハルト・オイラーの指導を始める。 1734息子ダニエルとパリ科学アカデミーの賞を分け合い、息子を家から追い出す。 17481 月 1 日、80 歳でバーゼルに没する。 ◀ 前へ 旅をたどる 次へ ▶ 1667–1682 バーゼルニコラウス・ベルヌーイの十番目の子として生まれる。父は彼を商人にしたがっていた。 1682 ヌーシャテル商売を学びに出されるが、向いていなかった。 1683–1691 バーゼル医学を学び、兄ヤコブとともにライプニッツの微積分を学ぶ。懸垂線の問題を解く。 1691 ジュネーヴパリへ向かう途中、ジュネーヴに立ち寄る。 1691–1692 パリマルブランシュのサークルと知り合い、ロピタル侯爵に微積分を教え始める。ウックの城でも教えた。 1695–1705 フローニンゲンオランダで数学の教授となる。1696 年、最速降下曲線の問題を出す。 1705–1748 バーゼル故郷に戻り、ヤコブの講座を継ぎ、若いオイラーを指導し、息子ダニエルと争う。1748 年、80 歳で亡くなる。 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。 バーゼル、パリ、フローニンゲンを行き来したヨハン・ベルヌーイ。 地図:© OpenStreetMap 協力者 1667–1682 · バーゼル1682 · ヌーシャテル1683–1691 · バーゼル1691 · ジュネーヴ1691–1692 · パリ1695–1705 · フローニンゲン1705–1748 · バーゼル バーゼル、パリ、フローニンゲンを行き来したヨハン・ベルヌーイ。 香辛料を売りたくなかった末っ子 ヨハンは、香辛料商人でバーゼルの参事会員だったニコラウス・ベルヌーイの十番目の子でした。父はすでに一度負けていました。牧師になるはずだった長男ヤコブは、数学のことしか考えていなかったのです。末っ子ではそうはさせない。15 歳のヨハンは、フランス語と商売を学ぶためにヌーシャテルに送られました。

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懸垂線:つるされた鎖

Ut pendet continuum flexile, sic stabit contiguum rigidum inversum.(しなやかな線が垂れ下がるように、硬いアーチは逆さにして立つ。) — ロバート・フック、1705 年に解読されたアナグラム 細い鎖の両端を持って、垂れ下がるままにしてみましょう。放物線のように見える美しい曲線ができます。1638 年、ガリレオはそれがほんとうに、少なくとも近似的には放物線だと考えました。オランダのクリスティアーン・ホイヘンスは 17 歳のとき、そうではありえないことを示しました。けれども、それがどんな曲線なのかはだれにもわかりませんでした。 1690 年 5 月、ヤコブ・ベルヌーイは『学術紀要』でこの問いを読者への挑戦として出しました。彼自身は一年かけても解けませんでした。1691 年 6 月、三つの正しい解が発表されます。ライプニッツ、当時 62 歳のホイヘンス、そしてヤコブのいちばん下の弟、24 歳のヨハンです。ヨハンはこのことをだれにも忘れさせませんでした。 兄の努力は実を結びませんでした。私のほうはもっと幸運で、それを完全に解く腕前を見つけたのです。自慢するわけではありませんが、なぜ真実を隠す必要がありましょう。たしかに、その研究のために私はひと晩じゅう休むことができませんでした。 — ヨハン・ベルヌーイ、ピエール・レモン・ド・モンモール宛の手紙(1718) 鎖の一部を見る こつは、鎖全体ではなくその一部を見ることです。最低点を原点とし、$y$ を上向きにとって、その点から右にある点 $P$ までの部分を考えます。 この部分は静止しているので、はたらく力はつりあっています。力は三つです。 最低点では、鎖が水平に左向きの力 $H$ で引く。 $P$ では、鎖が接線方向に力 $T$ で引く。 この部分の重さ $w\,s$。$w$ は 1 メートルあたりの重さ、$s$ はこの部分の長さ。 水平方向では $T$ の水平成分が $H$ とつりあい、鉛直方向では $T$ の鉛直成分が重さとつりあいます。$T$ は接線方向を向いているので、二つの成分の比が傾き $y'$ です。 $$y'=\frac{\text{鉛直}}{\text{水平}}=\frac{w\,s}{H}=\frac sa,\qquad a=\frac Hw.$$数 $a$ は長さの次元をもち、鎖がどれだけ張っているかを表します。 鎖の方程式 ここで $x$ で微分します。曲線の小さな一片にピタゴラスの定理を使うと、長さの増え方は $\frac{ds}{dx}=\sqrt{1+y'^2}$ です。したがって

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ロピタルの定理:侯爵に売られた講義

私はベルヌーイ両氏の見識、とりわけ現在フローニンゲンの教授である若いほうの方の見識に多くを負っていることを認める。私は遠慮なく彼らの発見と、ライプニッツ氏の発見を使わせてもらった。 — ロピタル侯爵『無限小解析』序文(1696) 1691 年、ギヨーム・ド・ロピタル侯爵は 30 歳で、爵位と城と、ひとつの情熱をもっていました。発表されたばかりで、フランスではほとんどだれも読めなかったライプニッツの微積分を理解することです。微積分をほとんどだれよりもよく知っていたスイスの若者ヨハン・ベルヌーイがパリに現れると、侯爵は彼を家庭教師として雇いました。 ヨハンがスイスに戻ったあとも、講義は手紙で続きました。1694 年 3 月 17 日、ロピタルは変わった提案を書き送ります。年に 300 リーヴルの年金を払う。条件は、ヨハンが質問に答え、自分の発見を送り、それをほかのだれにも伝えないこと。新婚で職のなかったヨハンは受け入れました。 『曲線の理解のための無限小解析』(パリ、1696)の扉。最初の微分学の本。Wikimedia Commons · パブリックドメイン 二年後、『曲線の理解のための無限小解析』がパリで出版されました。表紙に著者名はありませんでしたが、だれもがロピタルの本だと知っていました。それは歴史上 最初の微分学の本 で、明快でよく整理されており、ほぼ一世紀のあいだヨーロッパで微積分を教えるのに使われました。その第 9 章に、$\frac00$ の形の極限を計算する規則がありました。 問題:0 を 0 で割る $x$ がある点 $a$ に近づくとき、分子と分母がともに 0 に近づくなら、分数 $\frac{f(x)}{g(x)}$ はどこに向かうのか。そう知りたいことはよくあります。たとえば $$\lim_{x\to0}\frac{\sin x}{x}.$$$x=0$ を代入すると $\frac00$ になり、意味をなしません。分数はどんな値に近づくこともあり、どこにも近づかないこともあります。二つの関数が 0 に向かう 速さ を比べなければなりません。 ヨハンの考え $a$ の近くでは、微分可能な関数はその接線に似ています。 $$f(x)\approx f(a)+f'(a)(x-a),\qquad g(x)\approx g(a)+g'(a)(x-a).$$$f(a)=g(a)=0$ なら、残るのは $$\frac{f(x)}{g(x)}\approx\frac{f'(a)(x-a)}{g'(a)(x-a)}=\frac{f'(a)}{g'(a)}.$$$\frac00$ の原因だった因子 $(x-a)$ が消えます。規則はこう言います。$f(a)=g(a)=0$ で、右辺の極限が存在すれば、 $$\boxed{\lim_{x\to a}\frac{f(x)}{g(x)}=\lim_{x\to a}\frac{f'(x)}{g'(x)}.}$$正弦では、$\lim\frac{\sin x}{x}=\lim\frac{\cos x}{1}=1$。新しい商もまた $\frac00$ なら、規則をもう一度使います。

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最速降下線:1696 年の挑戦

鉛直な平面上に二点 A と B が与えられたとき、動く物体 M が自分の重さだけで降りて、A から B へ最も短い時間で移る曲線 AMB を求めよ。 — ヨハン・ベルヌーイ『学術紀要』(1696 年 6 月) 1696 年 6 月、ヨハン・ベルヌーイは『学術紀要』で「全世界の最も鋭敏な数学者たち」に挑戦しました。問いは遊園地の話のようです。二点のあいだでいちばん速いすべり台はどんな形か。問題の名はギリシャ語から来ています。brachistos は最も短い、chronos は時間。最速降下線、最短時間の曲線です。 ヨハンは六か月の期限を与え、自分はもう答えをもっていると告げました。だれにでも向けた挑戦でしたが、ねらいは二人でした。公然と戦争中だった兄ヤコブと、ライプニッツの友人たちが微積分を盗んだと非難していたアイザック・ニュートンです。 答えは直線ではない 直線は 最も短い 道ですが、最も速い 道ではありません。摩擦なしにすべる球は、落ちるにつれて速くなります。だから、道が長くなっても、最初に急に降りて早めに速さを得るほうが得なのです。一方で、極端に急降下すると道がのびすぎます。最善の道はその折り合いで、それを見つけることは、無数にありうる曲線のなかから曲線をまるごとひとつ見つけることです。 $x$ を水平、$y$ を 下向き にとり、出発点を $A=(0,0)$ とします。エネルギー保存から、高さ $y$ だけ落ちたあとの速さは $$\frac12mv^2=mgy\quad\Longrightarrow\quad v=\sqrt{2gy}.$$速さは高さだけで決まり、道すじにはよりません。 ヨハンの考え:球は光線だ ヨハンはすばらしいことを思いつきました。フェルマーは、光がある媒質から別の媒質に移るとき 最短時間の道 をとること、そしてそこからスネルの屈折の法則が出てくることを示していました。 $$\frac{\sin\alpha_1}{v_1}=\frac{\sin\alpha_2}{v_2}.$$ここで $\alpha$ は光線が鉛直となす角、$v$ はそれぞれの媒質での光の速さです。光もまた、できるだけ速く着きたいのです! そこでヨハンは、$A$ と $B$ のあいだの空間を、ガラス板のようなごく薄い水平の層に切り分けることを考えました。各層には下に行くほど大きくなる速さ $v=\sqrt{2gy}$ があります。層を通りぬける光線は、層ごとに折れ曲がります。層を無限に薄くすると光線はなめらかな曲線になり、スネルの法則がどの点でも成り立ちます。 $$\frac{\sin\alpha}{v}=\text{一定}.$$これが曲線の方程式です。$\alpha$ は接線が鉛直となす角なので $\sin\alpha=\dfrac{1}{\sqrt{1+y'^2}}$。$v=\sqrt{2gy}$ を代入して二乗すると、 $$\boxed{\ y\left(1+y'^2\right)=2a\ }$$となります。$a>0$ は定数です。 答え:サイクロイド ヨハンはこの方程式に見覚えがありました。サイクロイド、つまり直線の上を転がる車輪のふちの一点が描く曲線を、ここでは上下逆さにしたものです。半径 $a$ の車輪が角 $\theta$ だけ回ったとき、 $$x=a(\theta-\sin\theta),\qquad y=a(1-\cos\theta).$$確かめましょう。導関数を割ると $y'=\dfrac{\sin\theta}{1-\cos\theta}=\cot\dfrac\theta2$ で、$1-\cos\theta=2\sin^2\dfrac\theta2$ なので、

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指数計算:x の x 乗を微分する

ライプニッツの微積分は、$x^3$ や $x^{1/2}$ のように指数が決まったべき乗なら微分できました。$x^n$ の導関数は $nx^{n-1}$ です。ところが 1694 年、ライプニッツへの手紙で、ヨハン・ベルヌーイは奇妙なものをもちだしました。 $$y=x^x$$という式です。底 と 指数が同時に変わります。指数が決まっていないので $x^n$ の規則は使えません。底が決まっていないので $a^x$ の規則も使えません。1697 年、ヨハンは『学術紀要』に「指数計算の原理」を発表し、こうしたべき乗の扱い方を示しました。指数がいろいろな値を走りぬけるので、彼はそれを 走るべき (percurrent)と呼びました。 対数のこつ べき乗を、微分のしかたを知っている積に変えるのが考えどころです。$x>0$ として、両辺の自然対数をとります。 $$\ln y=x\ln x.$$両辺を $x$ で微分します。左辺は連鎖律で $\dfrac{y'}y$。右辺は積の微分で $1\cdot\ln x+x\cdot\dfrac1x=\ln x+1$。したがって $\dfrac{y'}{y}=\ln x+1$ で、 $$\boxed{\frac{d}{dx}\,x^x=x^x\,(\ln x+1).}$$関数そのものではなくその対数を微分するこの技法は、対数微分法 と呼ばれるようになりました。$f>0$ の任意の $y=f(x)^{g(x)}$ に使えます。 $$\ln y=g\ln f\quad\Longrightarrow\quad y'=f^{\,g}\left(g'\ln f+g\,\frac{f'}f\right).$$かっこのなかの二つの項は、二つの変化を数えています。指数の変化 $g'\ln f$ と、底の変化 $g\frac{f'}f$ です。底が決まっていれば第一項だけが残って $\frac{d}{dx}a^x=a^x\ln a$ に戻り、指数が決まっていれば第二項だけが残って $nx^{n-1}$ に戻ります。 x の x 乗がいちばん小さくなるところ $x^x$ はいつも正なので、導関数の符号は $\ln x+1$ の符号です。$x<\frac1e$ では負、$x>\frac1e$ では正になります。関数は $x=\frac1e\approx0.368$ まで減り、それから増えます。最小値は $$\left(\frac1e\right)^{1/e}=e^{-1/e}\approx0.692.$$つまり、どんな正の数も、自分自身で累乗して $0.692$ より小さくなることはありません。たとえば $0.5^{0.5}=\sqrt{0.5}\approx0.707$、$0.3^{0.3}\approx0.697$ で、どちらも少し上です。

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仮想仕事の原理

どのような力のどのようなつりあいにおいても、力がどのように加えられていようと、正のエネルギーの和は負のエネルギーの和に等しい。 — ヨハン・ベルヌーイ、ピエール・ヴァリニョン宛の手紙(1717 年 1 月 26 日) アルキメデス以来、単純機械にはそれぞれ別の説明がありました。てこは腕の長さの法則にしたがい、斜面はステヴィンが考えた力の分解にしたがい、滑車は綱についての議論に、ねじはまた別の議論にしたがう、というぐあいです。1717 年、ヨハン・ベルヌーイはフランスの友人ピエール・ヴァリニョンへの手紙で、これらの法則がすべて ひとつの原理 の特別な場合であることを示しました。 考え方:ほんの少しだけ動かす つりあって止まっている機械を思いうかべてください。それを、頭のなかだけで、ごくわずかな距離だけ動かします。ただし拘束は守ります。てこは支点のまわりに回り、綱はのびず、ブロックは斜面から離れません。この想像上の変位は、実際には起こらないので 仮想 変位と呼ばれます。 力 $F_i$ がはたらく各点は、力の向きにほんの少し $\delta s_i$ 動きます。積 $F_i\,\delta s_i$ がその力の 仮想仕事 です。ヨハンはこれを エネルギー と呼びました。この言葉が今日に近い意味で現れたのは、これが最初です。原理はこう述べます。 $$\boxed{\ \text{つりあいでは、}\quad\sum_i F_i\,\delta s_i=0\ \text{ がすべての仮想変位について成り立つ。}\ }$$運動を助ける力の仕事は、運動に逆らう力の仕事に等しい。止まっている機械は、無から仕事をつくりだすことはできません。 アルキメデスのてこ てこの支点から距離 $a$ と $b$ のところに、重さ $P_1$ と $P_2$ があります。てこをごく小さな角 $\delta\theta$ だけ回します。$P_1$ の側は $a\,\delta\theta$ 下がり、$P_2$ の側は $b\,\delta\theta$ 上がります。下がる重さは正の仕事を、上がる重さは負の仕事をします。 $$P_1\,a\,\delta\theta-P_2\,b\,\delta\theta=0\quad\Longrightarrow\quad P_1\,a=P_2\,b.$$相似な三角形の図をひとつも使わずに、アルキメデスの法則が出てきます。$\delta\theta$ はただ消えるだけです。 滑車 滑車の組み合わせで、重さ $W$ が $n$ 本の綱で支えられ、人が自由端を力 $F$ で引くとします。重さが $\delta h$ 上がると、$n$ 本の綱はそれぞれ $\delta h$ 短くなり、その分の綱がすべて自由端から出てくるので、自由端は $n\,\delta h$ 動きます。したがって

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ヨハン・ベルヌーイの遺産

ヨハン・ベルヌーイは、兄の『推測術』やニュートンの『プリンキピア』のような大著を書きませんでした。いちばん有名な本は他人の名で出ました。彼が残したのは仕事のしかたです。物理や幾何のあらゆる問題を方程式に変え、ライプニッツの微積分で解くこと。そして弟子たちを残しました。 ライプニッツの闘士 微積分を発明したのはニュートンかライプニッツかという争いで、ヨハンはライプニッツ側の最も戦闘的な兵士でした。1713 年のはじめ、ニュートンが会長をつとめる王立協会がニュートンに優先権を認める報告を出すと、ライプニッツは匿名のビラ『飛び紙』(Charta volans)で応じ、そこに「ある卓越した数学者」の判断を引用しました。それがヨハンでした。その後何年も、ヨハンはニュートンの方法では解けないと考えたむずかしい問題で、イギリスの数学者たちに挑みつづけました。ライプニッツは 1716 年に亡くなり、ヨハンはその後も長くひとりで戦いました。この争いのために、イギリスの数学はほぼ一世紀のあいだ大陸の数学から切り離されることになります。 関数という言葉 数学的な意味での 関数 という言葉は、1690 年代のライプニッツとヨハンの手紙のやりとりのなかで生まれました。1718 年、ヨハンは最初の定義を発表します。 私は、変量の関数とは、その変量と定数とからなんらかのしかたで組み立てられた量のことだと呼ぶ。 — ヨハン・ベルヌーイ『パリ科学アカデミー紀要』(1718) 彼は $x$ の関数をギリシャ文字 $\varphi$ で書き、ときにはかっこなしで $\varphi x$ と書きました。$f(x)$ と書きはじめたのは、1734 年、弟子のオイラーです。このサイトの旧関数講座に記号の年表があります。 年 人物 記号 1694 ヨハン・ベルヌーイ $x$ によって決まる量を、たとえば $n$ のような一文字で表す 1698 ヨハン・ベルヌーイ $x$ の関数を $X$ または $\xi$ で表す 1718 ヨハン・ベルヌーイ $\varphi x$ 1734 レオンハルト・オイラー $f\left(\frac xa+c\right)$ 一派 ヨハンは、同じ世紀のほかのどの先生よりも多くの重要な数学者を育てました。たとえば、 ロピタル侯爵。彼の講義を最初の微積分の本にした。 息子のニコラウス二世、ダニエル、ヨハン二世。 ダニエルは流体力学を創始し、ベルヌーイの名を冠した定理を残した。ヨハン二世は父の講座を継いだ。 レオンハルト・オイラー。その世紀最大の数学者で、土曜日ごとに指導を受けた。 最小作用の原理を唱えた ピエール=ルイ・モロー・ド・モーペルテュイ と、地球の形を研究した アレクシ・クレロー。 オイラーを通じて、この系譜はベルリンでオイラーの後を継いだラグランジュへ、そしてそこから十九世紀と二十世紀の数学の大部分へと続いていきます。 残ったもの 微積分。 ロピタルの定理、対数微分法、指数計算、関数の定義。 曲線。 懸垂線と最速降下線、そして運動と光のあいだのたとえ。 変分法。 最速降下線の挑戦と、等周問題をめぐるヤコブとの争いが、オイラーとラグランジュへの道を開いた。 力学。 仮想仕事の原理。静力学と『解析力学』の土台。 教育。 オイラーを筆頭とする一世代の数学者たち。 全集 1742 年、75 歳のヨハンはローザンヌとジュネーヴで四巻の『全集』(Opera omnia)を出版しました。編集したのは、連立一次方程式のクラメルの公式で知られるガブリエル・クラメルです。そこには『水力学』が、息子の『流体力学』より前に見えるようヨハンが選んだ 1732 年の日付つきで収められています。

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画像クレジット

歴史的な画像 すべてウィキメディア・コモンズから取りました。コモンズが提供するサムネイルを、編集せずに使っています。 ヨハン・ベルヌーイの肖像、アムステルダム国立美術館所蔵の版画:元のページ · CC0。 ギヨーム・ド・ロピタルの肖像:元のページ · パブリックドメイン。 『無限小解析』の扉、パリ、1696 年:元のページ · パブリックドメイン。 ダニエル・ベルヌーイの肖像、Johann Rudolf Huber の原画による Johann Jakob Haid の版画:元のページ · パブリックドメイン。 鎖とアーチ、ジョヴァンニ・ポレーニの図、Memorie istoriche della gran cupola del Tempio Vaticano、1748 年:元のページ · パブリックドメイン。 ブログの図 表紙と、同じ二点を結ぶサイクロイドと直線の図は、このサイトのオリジナルのイラストで、サイトの各言語の版があります。図は縮尺どおりで、二つの軸は同じ単位を使っています。遺産の記事にある関数の記号の表は、このサイトの旧関数講座の表をもとに作りなおしたものです。 記録 ファイル data/johann_bernoulli_imagens.json には、ダウンロードした各画像の出所、ライセンス、確認日、SHA-256 ハッシュが記録されています。各トピックの歴史的な出典は、それぞれの記事の末尾にあります。 ヨハン・ベルヌーイの全トピック · ← ヨハン・ベルヌーイの遺産