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サイクロイド:歯痛の曲線

自転車のタイヤに点を一つ描き、まっすぐに押して進んでみましょう。点は上がっていき、アーチを描いて、また下りてきて地面に触れます。車輪が一回転するごとにこれをくり返します。この点が描く曲線をサイクロイドといいます。 17 世紀には、これが流行の曲線でした。フランス人は ルレット と呼びました。あまりに多くの数学者がこの曲線についての発見をめぐって争ったので、あだ名までつきました。トロイア戦争を引き起こしたヘレネーにちなんで、幾何学者たちのヘレネーです。 車輪の方程式 半径 $r$ の車輪が直線の上をすべらずに転がるとします。車輪が角 $t$(ラジアンで測る)だけ回ると、中心は距離 $rt$ だけ進みます。これは地面に触れた縁の長さです。いちばん下から出発した点は、そのとき $$x=r(t-\sin t),\qquad y=r(1-\cos t).$$の位置にあります。$t=0$ から $t=2\pi$ までで、車輪はちょうど一回転します。アーチの幅は車輪の周の長さに等しい $2\pi r$、いちばん高いところは直径の $2r$ です。 半径 1 の車輪が描くサイクロイドの一つのアーチ。アーチの下の面積は 3π で、車輪の面積の三倍です。ブログのオリジナル図版。 ガリレオ、曲線の重さを量る 1599 年ごろ、ガリレオはこの曲線に名前をつけ、一つのアーチの下の面積を知りたいと考えました。計算できなかったので、同じ材料の板からサイクロイドと、それを生み出す円とを切り抜いて、重さを量りました。サイクロイドは円のほぼ三倍の重さでした。ガリレオは、比はちょうど 3 ではないのではないかと疑い、そこでやめてしまいました。 比はちょうど 3 でした。ジル・ド・ロベルヴァルが 1634 年にそれを証明し、今ではその計算は数行で済みます。 微積分で面積を求める 曲線の下の面積は、高さ $y$、幅 $dx$ の細い帯の和です。$dx=r(1-\cos t)\,dt$ なので、 $$A=\int_0^{2\pi}y\,\frac{dx}{dt}\,dt=r^2\int_0^{2\pi}(1-\cos t)^2\,dt.$$二乗を展開すると、三つの部分が残ります。 $$\int_0^{2\pi}1\,dt=2\pi,\qquad \int_0^{2\pi}-2\cos t\,dt=0,\qquad \int_0^{2\pi}\cos^2t\,dt=\pi.$$最後のものは $\cos^2t=\frac{1+\cos2t}{2}$ から出てきます。合計すると $$A=r^2(2\pi+0+\pi)=3\pi r^2.$$サイクロイドの一つのアーチの下の面積は、それを描いた車輪の面積の三倍です。ガリレオの切り抜きは正しかったのです。 1658 年の夜 1658 年には、パスカルが数学から離れて四年がたっていました。姉ジルベルトによると、ある夜、彼はひどい歯痛で眠れませんでした。痛みを忘れようとして、サイクロイドについて考え始めると、痛みが消えました。パスカルはそれを研究を続けてよいという許しと受けとり、八日のうちに、誰も解いたことのない問題を解きました。曲線の各部分の面積、その重心、そして曲線を軸のまわりに回転させてできる立体の体積です。 それから彼は、アモス・デトンヴィルという偽名で、ヨーロッパ中に公開の挑戦状を出しました。一位には金貨 40 ピストル、二位には 20 ピストルを出すとし、締め切りは 1658 年 10 月 1 日でした。

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フェルマーの原理:光はもっとも速い道を選ぶ

砂浜にいるライフガードが、少し沖の、横にずれたところで誰かがおぼれているのを見つけました。どの道を行くべきでしょうか? 直線はいちばん短い道ですが、いちばん速い道ではありません。砂の上を走るほうが、水の中を泳ぐよりずっと速いからです。少し余分に砂浜を走って、泳ぐ距離を減らすほうが得なのです。 フェルマーは、光がまさにこの選択をしていることに気づきました。 反射:最短の道 いちばん古い考えは鏡についてのものです。1 世紀、アレクサンドリアのヘロンはすでに、光は反射するとき、鏡を経由して二点を結ぶ最短の道を通ることに気づいていました。 導関数で確かめてみましょう。光源 $S$ は鏡から高さ $a$、目 $T$ は高さ $b$ のところにあり、二つの水平距離は $\ell$ です。光は鏡の点 $M$ に当たり、$M$ は $S$ の真下から距離 $x$ のところにあります。 道 $S\to M\to T$ の長さは $$P(x)=\sqrt{x^2+a^2}+\sqrt{(\ell-x)^2+b^2}.$$最小のところでは、導関数がゼロになります。 $$P'(x)=\frac{x}{\sqrt{x^2+a^2}}-\frac{\ell-x}{\sqrt{(\ell-x)^2+b^2}}=0.$$それぞれの分数は角の正弦です。$\dfrac{x}{\sqrt{x^2+a^2}}$ は鏡の法線から測った入射角 $\hat i$ の正弦、$\dfrac{\ell-x}{\sqrt{(\ell-x)^2+b^2}}$ は反射角 $\hat r$ の正弦です。したがって $$\sin\hat i=\sin\hat r\qquad\Longrightarrow\qquad\hat i=\hat r.$$これが反射の法則、入射角は反射角に等しいです。 屈折:最短の時間 反射では光は同じ媒質の中にとどまるので、最短の道がもっとも速い道でもあります。しかし光が空気から水に入ると、向きを変えます。折れ曲がった道は直線より長い。なぜ光はそんなことをするのでしょう? 1662 年、フェルマーは答えを出しました。光が通るのは最短の道ではなく、もっとも速い道だ。水の中では遅くなるなら、空気中で少し余分に進むほうが得になる。砂浜のライフガードと同じです。 二つの媒質:点 P の位置によって、それぞれの媒質を進む距離と全体の時間が決まる。角度は境界面の法線から測る。ブログのオリジナル図版。 一つ目の媒質での光の速さを $v_1$、二つ目での速さを $v_2$ とします。距離は先ほどと同じで、今度は点 $T$ が境界面の下にあるとすると、全体の時間は $$t(x)=\frac{\sqrt{x^2+a^2}}{v_1}+\frac{\sqrt{(\ell-x)^2+b^2}}{v_2}.$$微分してゼロとおくと、 $$\frac{x}{v_1\sqrt{x^2+a^2}}=\frac{\ell-x}{v_2\sqrt{(\ell-x)^2+b^2}}.$$法線との角の正弦だと気づけば、 $$\frac{\sin\theta_1}{v_1}=\frac{\sin\theta_2}{v_2}\qquad\text{つまり}\qquad\frac{\sin\theta_1}{\sin\theta_2}=\frac{v_1}{v_2}.$$これが高校で習う屈折の法則、スネルの法則です。光が二つ目の媒質で遅くなる($v_2

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ライプニッツの π の級数:単純でゆっくりな和

数 $\pi$ は円の幾何学から、奇数は算術から来ています。両者が出会う理由は見当たりません。ところが出会うのです。 $$\frac{\pi}{4}=1-\frac13+\frac15-\frac17+\frac19-\cdots$$奇数の逆数を、符号を交互に変えながら足したり引いたりし、結果に 4 を掛けると $\pi$ になります。 一つの発見、3 回 ライプニッツがこの公式を見つけたのは 1673 年、パリでまだホイヘンスに数学を習っていたころでした。結果を先生に見せると、ホイヘンスは感心して彼をほめました。これはライプニッツの最初の大発見で、自分は数学者になれると確信させたものでした。 彼が最初ではありませんでした。1671 年、スコットランドのジェームズ・グレゴリーはすでに逆正接の級数を見つけていて、この公式はその特別な場合です。さらに約 250 年前、ケーララ学派の創始者であるインドの数学者サンガマグラーマのマーダヴァが同じ級数を発見していました。ヨーロッパの人々はこれらの業績を知りませんでした。そのため今日ではマーダヴァ–ライプニッツ級数、あるいはグレゴリー–ライプニッツ級数と呼ばれています。 「神は奇数を喜ぶ」 この級数についてライプニッツは、ローマの詩人ウェルギリウスの一節を引用しました。Numero Deus impare gaudet、「神は奇数を喜ぶ」。完全な円と深く結びついた数が、ほかならぬ奇数から生まれることを、彼は美しいと感じたのです。 証明 今日の道具を使って、3 つのステップで公式を証明しましょう。 1. 等比数列の和。 公比 $-q$ の等比数列 $1-q+q^2-q^3+\cdots$ の和には、よく知られた公式があります。$q=t^2$ として $N$ 項で打ち切り、余りの項を加えれば等式は正確になります。 $$\frac{1}{1+t^2}=1-t^2+t^4-\cdots+(-1)^{N-1}t^{2N-2}+\frac{(-1)^Nt^{2N}}{1+t^2}.$$2. 両辺を 0 から 1 まで積分する。 左辺では、$\dfrac{1}{1+t^2}$ の 0 から 1 までの面積は $\arctan1=\dfrac\pi4$ です。$45°$ の正接は 1 だからです。右辺では、各べき $t^{2k}$ が $\dfrac{1}{2k+1}$ を与えます。 $$\frac{\pi}{4}=1-\frac13+\frac15-\cdots+\frac{(-1)^{N-1}}{2N-1}+R_N.$$3. 余りはゼロに近づく。 $1+t^2\ge1$ なので、余りには上限があります。 $$|R_N|\le\int_0^1t^{2N}\,dt=\frac{1}{2N+1}.$$$N$ が大きくなると $\dfrac{1}{2N+1}$ はゼロに近づき、和は $\dfrac\pi4$ にいくらでも近づきます。 美しいが、遅い 4 を掛けると、和は誤差 $\dfrac{4}{2N+1}$ 以内で $\pi$ に近づきます。これは遅いのです。

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万有引力:リンゴから月へ

リンゴは落ちるのに、なぜ月は落ちてこないのでしょう? ニュートン以前、答えは簡単に思えました。天と地は別の規則に従っている。地上ではものは落ちる。天上では星々が完全な円を永遠に回り続ける。ニュートンの偉大な発想は、この区別を疑ったことです。もしかすると、月はずっと落ち続けているのではないか。 ニュートンの大砲 ウールズソープ・マナーの果樹園にあるリンゴの木。言い伝えでは、これが「ニュートンの木」とされる。David Smith · Wikimedia Commons · CC BY-SA 2.0 『プリンキピア』のための草稿で、ニュートンは思考実験を提案しました。とても高い山の頂上に大砲を置き、水平に撃ちます。火薬が少なければ、砲弾は近くに落ちます。多ければ、もっと遠くに落ちます。でも地球は丸い。砲弾が十分に速ければ、地面は砲弾が落ちるのとちょうど同じだけ下に曲がっていきます。砲弾は永遠に落ち続け、決して地面に届きません。軌道に乗ったのです。 地表近くでは、その速さは秒速約 7.9 km、時速 2 万 8000 km です。低軌道を回る人工衛星の速さです。一周は約 84 分(空気抵抗を無視した場合。実際には衛星は大気よりずっと高いところを飛ばなければなりません)。 月はこの砲弾なのです。月は一瞬ごとに地球に向かって落ちていますが、横に動く速さが大きすぎて、決して落ちてきません。 逆 2 乗の法則 この考えが成り立つには、重力は距離とともに弱まらなければなりません。ニュートンは、重力は距離の 2 乗に反比例すると仮定しました。今日の記号では $$F=G\,\frac{Mm}{r^2}.$$$M$ と $m$ は二つの質量、$r$ は中心間の距離、$G$ は普遍定数です。距離が 2 倍になれば力は $1/2^2=1/4$ に、3 倍になれば $1/9$ になります。 月の検証 ニュートンは、この仮定を科学に変える計算をしました。月は地球の中心から地球半径の約 60 倍の距離にあります。重力が距離の 2 乗に反比例して弱まるなら、月の加速度は地表のリンゴの $60^2=3600$ 分の 1 のはずです。 $$\frac{9.81}{3600}\approx0.00272\ \text{m/s}^2.$$今度は天文学だけを使って、別の方法で月の加速度を測ってみましょう。月は半径 $r\approx384\,400$ km の円を約 $T\approx27.3$ 日で回ります。円運動する物体の加速度は $$a=\frac{4\pi^2r}{T^2}=\frac{4\pi^2\cdot3.844\times10^8}{(27.32\cdot86\,400)^2}\approx0.00272\ \text{m/s}^2.$$二つの数は一致します。リンゴを落とす力と月をつなぎとめる力は同じものなのです。ニュートンは、結果が「かなりよく一致した」と書いています。ただし 1666 年には地球の半径として不正確な値を使っていたため、一致は完全ではありませんでした。何年も後、よりよい測定値が得られて、計算はようやくぴったり合いました。 4 行で導くケプラー その数十年前、ケプラーは天文データから、惑星の周期の 2 乗が軌道の大きさの 3 乗に比例することを見つけていました。なぜそうなるのかは誰も知りませんでした。万有引力と第二法則を使えば、少なくとも円軌道については、説明は数行で済みます。

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模倣ゲーム:機械は考えることができるか

「機械は考えることができるか」という問いを考察することを提案する。 — アラン・チューリング「計算する機械と知性」(1950) チューリングが 1950 年に哲学誌『マインド』に発表した論文は、こう始まる。そしてすぐ次の文で、彼はこの問いをあきらめる。答えるには「機械」と「考える」を定義しなければならず、どんな定義も言葉をめぐる終わりのない議論になってしまうからである。チューリングはこれを、検証できるという利点をもつ別の問いに置き換えることを提案する。 ゲームの規則 もとのゲームには三人が参加する。男性、女性、質問者で、それぞれ別の部屋にいる。質問者は書いたメッセージだけでほかの二人とやりとりし、どちらが男性でどちらが女性かを見抜かなければならない。男性は質問者をだまそうとし、女性は助けようとする。 さて、男性を機械に置き換えよう。問いはこうなる。参加者の一人が機械のとき、質問者は同じくらいの頻度でまちがえるか。質問者が人と区別できないほど機械がうまく会話するなら、それが「本当に」考えているかという議論は脇に置こう、とチューリングは提案する。これが模倣ゲームであり、今日ではチューリング・テストと呼ばれている。 論文には会話の例まである。「34957 に 70764 を足せ」という問いに、機械は 30 秒ほど待って「105621」と答える。正しい答えは 105721 である。論文の先のほうでチューリングは、このゲームのうまい機械は、人間らしく見せるために、ときどきわざと計算をまちがえるだろうと説明している。 予言 チューリングは、当時の機械がテストに合格するとは言わなかった。数を使って予言をしたのである。 およそ五十年後には、記憶容量が約 10⁹ の計算機をプログラムして、平均的な質問者が五分間の質問のあとで正しく見分ける見込みが 70% を超えないほど、模倣ゲームをうまくこなさせることができるようになると私は信じている。 — アラン・チューリング「計算する機械と知性」(1950) 「$10^9$」は二進数字、つまりビットでの容量である。今日の言葉でいえば、$10^9$ ビットは $\frac{10^9}{8}=1.25\times10^8$ バイト、約 125 メガバイトで、どの携帯電話のメモリより小さい。チューリングはメモリについてはよく当て、時期については控えめすぎた。機械との説得力のある会話が現れたのは 2020 年代になってからで、それを実現した大規模言語モデルは、彼が想像したより何千倍も多いメモリを使っている。 反論 論文の半分は反論への答えにあてられている。いくつか挙げよう。 **神学的反論:**考えることは不死の魂のはたらきであり、神は魂を人間に与え、機械には与えなかった。チューリングは、神が望めば機械にも魂を与えられるだろうと答える。 数学的反論:チューリングの定理やゲーデルの定理は、どの機械にも答えられない問いがあることを示している。チューリングはそれを認めつつ、人間に似たような限界がないと考える根拠は何もないと指摘する。 **ラブレス夫人の反論:**1843 年、エイダ・ラブレスは、バベッジの解析機関は「何かを生み出すことをまったく意図していない。私たちが命じ方を知っていることなら何でもできる」と書いた。チューリングは、機械はしばしば自分を驚かせると答え、学習できる機械なら、プログラマーが予見しなかったことをするだろうと言う。 この最後の答えが最も予言的である。論文の終わりでチューリングは、大人の脳をプログラムするかわりに「子どもの機械」をプログラムし、報酬と罰で教育するほうがよいだろうと示唆している。わずか数行の中に、機械学習の考え方がある。 ロボットではないことを証明する CAPTCHA、つまりウェブサイトが表示する、ゆがんだ文字や信号機の写真の入った小さな枠は、逆向きのチューリング・テストである。この名前は、英語の「コンピューターと人間を区別するための、完全に自動化された公開チューリング・テスト」の頭字語である。テストを出すのは機械で、人間であることを証明しなければならないのはあなたのほうである。 練習:10⁹ ビットはどれくらいか1 ページ 2000 文字、1 文字 8 ビットとすると、$10^9$ ビットに 500 ページの本は何冊入るか。 1 冊は $500\cdot2000\cdot8=8\times10^6$ ビット。$10^9$ ビットには $\frac{10^9}{8\times10^6}=125$ 冊入る。チューリングは、小さな図書館ほどのメモリがあれば人間のように会話するには足りると考えていた。 練習:70% とは何を意味するか質問者が二人の参加者のどちらかを当てずっぽうで選ぶとしたら、当たる確率はいくらか。「70% を超えない」とはどういう意味か。 当てずっぽうなら 50% の確率で当たる。「70% を超えない」とは、五分たっても平均的な質問者がゲームの少なくとも 30% でまちがえる、ということである。機械はすべての人ではないにせよ、多くの人をだます。

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歴史的な画像と写真 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。 アーベルの肖像、ヨハン・ゲルビッツの素描、パリ、1826 年:元のページ · パブリックドメイン。 『クレレ誌』第 1 巻、ベルリン、1826 年:元のページ · パブリックドメイン。 フローランのアーベルの墓、Karl Ragnar Gjertsen 撮影:元のページ · CC BY 4.0。 オスロのアーベル記念碑、グスタヴ・ヴィーゲランの彫刻、Wolfmann 撮影:元のページ · CC BY-SA 4.0。 ブログの図 レムニスケートを八つの等しい弧に分けた図はオリジナルの図です。点は、記事で導いた公式 $r=\sqrt{\sqrt2-1}$ で計算しました。図には文字がなく、サイトのすべての言語で使えます。 記録 ファイル data/abel_imagens.json に、ダウンロードした各画像の出所、ライセンス、確認日、SHA-256 ハッシュを記録しています。各テーマの歴史的な出典は、それぞれの記事の最後にあります。 追加した歴史図版 これらの図版はウィキメディア・コモンズによる。それぞれの出典、ライセンス、SHA-256 ハッシュ値は data/abel_imagens.json に記録してある。 イェシュタの教会と牧師館(1890 年ごろ): Peder Bentsen Melaas · Wikimedia Commons · パブリックドメイン 1929 年のノルウェーの切手: ノルウェー郵便 · Wikimedia Commons · パブリックドメイン ニールス・ヘンリック・アーベルの全トピック · ← ニールス・ヘンリック・アーベルの遺産

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歴史的な画像と写真 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。 15 歳のガロア、作者不詳の素描:元のページ · パブリックドメイン。 弟アルフレッドが描いたガロア、1848 年発表:元のページ · パブリックドメイン。 オーギュスト・シュヴァリエへの手紙、1832 年 5 月 29 日:元のページ · パブリックドメイン。 パリのルイ=ル=グラン校、Celette 撮影:元のページ · CC BY-SA 4.0。 ブログの図 三角形の六つの対称性の図はオリジナルの図です。記事の表は、角の置換を合成するプログラムで確かめました。図には文字がなく、サイトのすべての言語で使えます。 記録 ファイル data/galois_imagens.json に、ダウンロードした各画像の出所、ライセンス、確認日、SHA-256 ハッシュを記録しています。各テーマの歴史的な出典は、それぞれの記事の最後にあります。 追加した歴史図版 これらの図版はウィキメディア・コモンズによる。それぞれの出典、ライセンス、SHA-256 ハッシュ値は data/galois_imagens.json に記録してある。 ブール=ラ=レーヌの絵はがき: 作者不詳 · Wikimedia Commons · パブリックドメイン エヴァリスト・ガロアの全トピック · ← エヴァリスト・ガロアの遺産

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歴史的な画像と写真 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。 ジョン・ネイピアの肖像、作者不詳、1616 年、スコットランド国立美術館:元のページ · パブリックドメイン。 『驚くべき対数規則の記述』の扉、1614 年:元のページ · パブリックドメイン。 1614 年の表の一ページ:元のページ · パブリックドメイン。 ブリッグス『対数算術』の扉、1624 年、Phidus 撮影:元のページ · CC BY-SA 4.0。 ウィップル博物館のネイピアの骨、Marsupium 撮影:元のページ · パブリックドメイン。 マーキストン塔、Kim Traynor 撮影:元のページ · CC BY-SA 3.0。 計算尺、Jacek Halicki 撮影:元のページ · CC BY-SA 4.0。 ブログの図 地図、旅の経路図、対話型の図(二つの数列、二つの点、ブリッグスの目盛り、骨、計算尺)はオリジナルで、サイトのすべての言語で使えます。地図には OpenStreetMap のデータを使っています。 記録 ファイル data/napier_imagens.json に、ダウンロードした各画像の出所、ライセンス、確認日、SHA-256 ハッシュを記録しています。地図の各地点は data/viagens/napier.yaml にあります。各テーマの歴史的な出典は、それぞれの記事の最後にあります。 ジョン・ネイピアの全トピック · ← ジョン・ネイピアの遺産

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ジェームズ・クラーク・マクスウェルの遺産

この実在の概念の変化は、ニュートンの時代以来、物理学が経験した最も深く、最も実り多いものである。 — アルベルト・アインシュタイン、マクスウェル生誕百年に(1931) マクスウェルは 48 歳で亡くなり、一般にはほとんど知られていませんでした。生前、彼の場の理論を受けいれていたのは、イギリスの物理学者の小さなグループくらいでした。今日では、携帯電話を使う人はだれでも、一秒に何十回もそれに頼っています。 情報を運ぶ波 マクスウェルの方程式は、あらゆる振動数の電磁波を予言しました。1887 年のヘルツのあと、マルコーニの無線電信、ラジオ、レーダー、テレビ、人工衛星、携帯電話、Wi-Fi、GPS、電子レンジが続きました。アンテナやチップや光ファイバーを設計する技術者は、なんらかの形でマクスウェルの方程式を解いているのです。 だれにもよらない速さ 方程式は光の速さ $c=\frac1{\sqrt{\mu_0\varepsilon_0}}$ を与えますが、何に対しての速さかは言いません。ニュートンの物理学にとって、これは問題でした。速さはいつも、だれが測るかによって決まるからです。十九世紀末の物理学者たちは静止したエーテルを仮定しましたが、1887 年のマイケルソンとモーリーの実験はそれを見つけられませんでした。1905 年、アインシュタイン は最も急進的なやり方で問題を解決しました。光の速さはだれにとっても同じで、変わるのは時間と空間のほうだ、と。相対性理論は、マクスウェルの方程式を本気で受けとめることから生まれたのです。 確率の物理学 1860 年の速さの分布は、統計力学 の始まりでした。オーストリアのルートヴィヒ・ボルツマンはそれを一般化し、いつも増えていく量であるエントロピーが、分子の並べ方の数を測っていることを示しました。マクスウェルの悪魔は一世紀にわたる議論を引きおこし、最後には熱力学を情報理論と計算に結びつけることになりました。 制御理論の最初の論文 1868 年、マクスウェルは「調速機について」という短い論文を発表しました。蒸気機関の速さを制御する遠心調速機についての論文です。彼は、多項式の根を使った計算によって、調速機が機関を安定させるのか、それともますます大きく振動させるのかを判定する方法を示しました。これは 制御理論 の最初の数学的な仕事とされています。自動操縦装置、サーモスタット、ロボットの背後にある分野です。 ベクトルと物理学の言葉 四元数をめぐるテイトとの議論、curl と convergence という言葉、そしてヘヴィサイドとギブズによる書きなおしが、ベクトル を物理学と工学の言葉にしました。微積分の講義で学ぶ内積、外積、発散、回転は、マクスウェルの方程式を書くために生まれたのです。 残ったもの 電磁気学。 四本の方程式、変位電流、電磁波としての光。 統計物理学。 速さの分布、気体の粘性、マクスウェルの悪魔。 光学と色。 三色説、マクスウェルの三角形、最初のカラー写真。 天文学。 土星の環の構造。 工学。 制御理論と構造解析。マクスウェル=クレモナ図は今もトラスの計算に使われている。 研究所。 電子、中性子、DNA の構造が発見されたキャヴェンディッシュ研究所。 単位マクスウェル 古い CGS 単位系では、磁束の単位は マクスウェル と呼ばれます。月にはマクスウェル・クレーターが、金星にはその惑星で最も高い山々であるマクスウェル山脈があり、ハワイにはジェームズ・クラーク・マクスウェル望遠鏡があります。2008 年、エディンバラは、彼が生まれた家からほど近いジョージ・ストリートに、犬のトビーをつれたマクスウェルの像を除幕しました。 覚えておきたいこと ジェームズ・クラーク・マクスウェルは 1831 年から 1879 年まで生きた。エディンバラ、ケンブリッジ、アバディーン、ロンドン、そしてふたたびケンブリッジ。 感じられる色を表すには三つの数で足りる。赤、緑、青のフィルターを通した三枚の写真で、マクスウェルは最初のカラー写真をつくった。 土星の環は固体ではありえない。内側の部分は外側より速く動かなければならないからである。$v=\sqrt{GM/r}$。 気体分子の速さはマクスウェル分布にしたがう。27 °C の空気では、山は 420 m/s 付近にある。 四本の方程式が、すべての電気と磁気の現象を記述する。変位電流の項が電荷の保存を保証する。 方程式からは、速さ $\frac1{\sqrt{\mu_0\varepsilon_0}}\approx$ 秒速 300 000 km の波が出てくる。それが光である。 出典: マクスウェルの伝記、MacTutor · Basil Mahon、The Man Who Changed Everything(Wiley、2003)· James Clerk Maxwell、“On governors”、Proceedings of the Royal Society 16(1868)。

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ジョン・ナッシュの遺産

統計的に見れば、66 歳の数学者や科学者が、研究を続けることによって以前の業績に多くを付け加えられるとは考えにくいだろう。しかし私はまだ努力を続けている。 — ジョン・ナッシュ、ノーベル財団のための自伝(1994) ジョン・ナッシュは、経済学と数学の二つの最高の栄誉であるノーベル賞とアーベル賞を、ともに受けたただ一人の人です。彼の仕事の二つの半分には、何の共通点もないように見えます。一方は人間の決定について、もう一方は曲面と方程式についてです。二つを結ぶのはスタイルです。だれもが不可能だと思っていた問題に、だれも思いつかなかったアイデアで挑むことです。 いたるところにあるゲーム理論 ナッシュ均衡は経済学の共通語になりました。同じ交差点の二つのガソリンスタンドがほとんど同じ値段をつける理由、だれも広告を出さなければ全員が得をするのに企業が広告を出す理由、気候の合意がこれほど難しい理由を説明してくれます。1990 年代、いくつもの国の政府が、携帯電話の周波数帯を、ゲーム理論で設計したオークションで売るようになり、数百億ドルを集めました。 生物学では、イギリスのジョン・メイナード=スミスが 1970 年代に、進化もナッシュ均衡を生み出すことを示しました。集団の中で生き残る行動の戦略は、どんな突然変異も改善できない戦略なのです。政治学では、均衡は選挙や戦争や議会の投票を理解するのに役立ちます。計算機科学では、インターネットの経路制御や、デジタル市場のためのアルゴリズムの設計に現れます。1994 年以来、ノーベル経済学賞はゲーム理論の仕事に何度も与えられてきました。 純粋数学 埋め込み定理とナッシュ=モーザーの方法は、幾何学と解析学を変えました。ナッシュが $C^1$ の場合のために考案した技法は、ロシアのミハイル・グロモフが凸積分と名づけたもので、「剛性と柔軟性」の現象という一つの分野全体を生み出し、2018 年には流体の乱流に関するラルス・オンサーガーの予想の証明に使われました。ド・ジョルジ=ナッシュの定理は、複合材料や多孔質の媒質を記述する、不規則な係数をもつ微分方程式の現代理論の土台です。 病と回復 ナッシュは精神疾患についての教訓も残しました。三十年の間、彼は終わった人と見なされていました。ゆっくりとした部分的な回復は、統合失調症が必ずしも最終的な宣告ではないことを示しました。ノーベル賞のあと、彼とアリシアはよりよい治療と偏見の減少を訴えるようになりました。二人の息子ジョン・チャールズも数学者で、統合失調症を患っていました。 残ったもの ゲーム理論。 あらゆる種類のゲームに対するナッシュ均衡、混合戦略での存在、そして交渉解。 盤上ゲーム。 ヘックス、戦略盗用論法、そして不動点定理とのつながり。 幾何学。 $C^1$ と滑らかな場合の等長埋め込み定理、そして凸積分。 解析学。 ド・ジョルジ=ナッシュの定理と、非線形方程式のためのナッシュ=モーザーの方法。 応用科学。 経済学、進化生物学、政治学、オークション、計算機科学。 NSA への手紙 1955 年、ナッシュはアメリカ国家安全保障局(NSA)に手紙を書き、暗号方式を提案しました。2012 年になってようやく公開されたその手紙で、彼は、暗号を破るのにかかる時間が鍵の長さとともに指数関数的に増え、使うのにかかる時間はわずかしか増えないなら、その暗号は安全だと論じています。これはまさに現代の暗号の基礎にある考えであり、ナッシュはそれが計算の理論に現れる二十年近く前にこれを述べていたのです。 覚えておきたいこと ジョン・ナッシュは 1928 年から 2015 年まで生きた。おもな仕事は 20 歳から 30 歳の間に、プリンストンと MIT で行った。 ヘックスには引き分けがなく、先手はいつでも勝てる。これが戦略盗用論法である。 ナッシュ均衡では、だれも一人で変えて得をすることはない。囚人のジレンマのように、均衡が全員にとって悪いこともある。 すべての有限ゲームには混合戦略の均衡がある。指の偶奇当てでは、各自が 50% の確率でくじを引く。 ナッシュ交渉では、決裂点からの利得の積を最大にし、各自は決裂点の利得に余剰の一部を加えたものを受け取る。 どんなリーマン多様体もユークリッド空間にゆがみなく描ける。一階の滑らかさだけでよければ、平坦トーラスでさえふつうの空間に収まる。 不規則な物質の中でも、熱はならす。解はヘルダー連続である。 出典: Sylvia Nasar、A Beautiful Mind(Simon & Schuster、1998)· ジョン・ナッシュの自伝、ノーベル財団 · ナッシュの NSA への手紙(1955)、2012 年に同局が公開。

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ソフィー・ジェルマンの遺産

代数学は書かれた幾何学にすぎず、幾何学は描かれた代数学にすぎない。 — ソフィー・ジェルマン『科学と文芸の状態についての一般的考察』(1833) ソフィー・ジェルマンは、学位も地位も学生もなく、ほとんどいつもひとりで研究しました。当時の数学者たちがたがいに学び合った講義や雑誌や議論から締め出されていたことは、彼女の仕事にも表れています。きわめて独創的な考えに、ときおり、教師がいれば早めに指摘できたはずの穴がまじっているのです。それでも彼女は、ほとんど接点のない二つの分野、数論と弾性理論に名前を残しました。 塔に欠けている名前 1889 年にエッフェル塔が開業したとき、ギュスターヴ・エッフェルは塔に 72 人のフランスの科学者と技術者の名を刻みました。ナヴィエ、ポアソン、コーシーなど、その多くは弾性を研究した人たちで、塔そのものもその理論のおかげで設計できたのです。ソフィー・ジェルマンの名はそこにありません。1913 年、歴史家 H・J・モザンスはこの欠落を指摘しました。塔を可能にした理論の創始を助けた人が忘れられたのは、彼女が女性だったからだ、と。 残ったもの 数論。 ソフィー・ジェルマンの定理は、フェルマーの最終定理についての最初の一般的な結果でした。2010 年になってようやく研究された彼女の手稿は、考えられていたよりずっと野心的な計画を示しています。 ソフィー・ジェルマン素数。 $2p+1$ も素数になる素数 $p$ は彼女の名で呼ばれ、今日では安全素数として、インターネットの安全な接続を守っています。 代数学。 恒等式 $a^4+4b^4=(a^2+2b^2+2ab)(a^2+2b^2-2ab)$ は古典的な因数分解の道具です。 弾性理論。 1816 年に受賞した振動板の方程式は、技術者が今も使う板の理論の土台です。 幾何学。 曲面の曲がりぐあいをはかるのに彼女が使った平均曲率は、シャボン玉、極小曲面、細胞膜に現れます。 哲学。 死後に甥が出版した『科学と文芸の状態についての一般的考察』は、科学と芸術の一体性を説いています。オーギュスト・コントはこれを称賛しました。 パリのペール・ラシェーズ墓地、第 16 区画にあるソフィー・ジェルマンの墓。Pierre-Yves Beaudouin, 2015 · Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0 たたえる名 パリの 14 区にはソフィー=ジェルマン通りがあり、マレ地区には彼女の名をとった学校、リセ・ソフィー=ジェルマンがあります。2003 年からフランス科学アカデミーは毎年、フランスの数学でもっとも重要な賞の一つ、ソフィー・ジェルマン賞を授与しています。 ヒュパティア、エミリー、ソフィー、ソフィア、エミー ソフィー・ジェルマンは、短いけれども目をみはる系譜に連なっています。彼女の前には、4 世紀のアレクサンドリアのヒュパティアと、18 世紀にニュートンの『プリンキピア』をフランス語に訳したエミリー・デュ・シャトレ。彼女のあとには、1874 年に近代ヨーロッパで初めて数学の博士号を取った女性となったロシアのソフィア・コワレフスカヤと、20 世紀にガウスの大学ゲッティンゲンで研究したドイツのエミー・ネーターがいます。だれもが閉ざされた扉に向き合わなければなりませんでした。ソフィー・ジェルマンは、そのほとんどにひとりで向き合ったのです。 おぼえておきたいこと ソフィー・ジェルマンは 1776 年から 1831 年まで、パリで生きた。両親の反対を押し切り、独学で数学を学んだ。 ラグランジュ(1794 年)とガウス(1804 年から)への手紙に、ムッシュー・ルブランと署名した。 合同式 $a\equiv b\pmod m$ は、$a$ と $b$ を $m$ でわった余りが等しいことを表す。 $p$ と $2p+1$ が素数なら、フェルマーの第一の場合で、方程式 $x^p+y^p=z^p$ は解をもたない。 $2p+1$ も素数になる素数 $p$ は彼女の名で呼ばれる。100 未満に十個ある。 $a^4+4b^4$ はいつも二つの因数の積に分解できる。 1816 年、振動板の理論でアカデミーの賞を受けた。その方程式には 4 階の導関数がある。 曲面の平均曲率は、主曲率の平均 $H=\frac{\kappa_1+\kappa_2}{2}$ である。 練習問題:ソフィーは 1776 年に生まれた。この数は最少でいくつの平方数の和か?$1776=16\cdot111$、$111=8\cdot13+7$ なので、$1776=4^2\,(8\cdot13+7)$ はルジャンドルの形 $4^a(8b+7)$ をしていて、三つの平方数の和ではありません。ラグランジュの定理により四つの平方数の和で、たとえば $1776=40^2+12^2+4^2+4^2=1600+144+16+16$ です。

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ヤコブ・ベルヌーイの遺産

ヤコブ・ベルヌーイは五十年しか生きず、生前に発表したものも多くはありません。ほとんどが『学術紀要』の短い論文です。それでも、今も毎日使われる言葉や記号や考えをこれほど多く残した数学者はまれです。積分、ベルヌーイ試行、二項分布、ベルヌーイ数、大数の法則、確率的(stochastic)。 積分という言葉 ライプニッツは、微分の逆の演算を calculus summatorius、和の計算と呼び、summa(和)の S を引きのばした $\int$ で書きました。1690 年 5 月、等時曲線の問題を解いたヤコブは、二つの式が「等しい積分」をもつと書きました。積分(integral)という言葉が数学の文献に印刷されたのは、これが最初です。ヨハンがこの用語を採用し、1696 年にはライプニッツも自分の「和の計算」をベルヌーイ兄弟の 積分計算 に改めることに同意しました。記号はライプニッツのもの、名前はヤコブのものとして残ったのです。 年 人物 記号または名前 出所 1659 ピエトロ・メンゴリ omnia $x$ Geometriae speciosae elementa 1675 ライプニッツ $\int x$ 1675 年 10 月 29 日の手稿 1690 ヤコブ・ベルヌーイ 「integral」 『学術紀要』 1696 ライプニッツとヨハン・ベルヌーイ calculus integralis 書簡 1822 フーリエ $\int_a^b f(x)\,dx$ 『熱の解析的理論』 つるされた鎖 1690 年の同じ論文で、ヤコブは、両端をつるした鎖がどんな形になるかを問いました。ガリレオは放物線だと考えていました。1691 年、ヨハン、ライプニッツ、ホイヘンスが正しい答え、懸垂線 を発表しました。今日では双曲線余弦を使って $y=a\cosh\frac xa$ と書かれます。ヤコブは弟との競争に負けましたが、問いは彼のものでした。懸垂線 の物語はヨハンのコースにあります。 ド・モアブルと正規曲線 黄金の定理は頻度が確率に近づくことを述べていましたが、必要な観察数についてのヤコブの見積もりは大きすぎました。1733 年、ロンドンに亡命していたフランス人アブラーム・ド・モアブルは、$n$ が大きいときの二項展開の項のよりよい近似を探し、釣鐘形の曲線 $$y=\frac1{\sqrt{2\pi}}\,e^{-x^2/2}$$を見つけました。これが 正規曲線 の最初の登場で、のちにラプラスとガウスがこれを統計学の中心にすえます。これを使えば、ヤコブの壺に必要なのは、彼が計算した 25 550 回ではなく、およそ 6 500 回です。