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計算可能数:ほとんどの数は計算できない

1936 年の論文の題名が語っているのは機械ではなく、数である。「計算可能数について」。チューリングはこう定義した。ある実数のすべての桁を、一つずつ、けっしてまちがえずに書き出す機械が存在するとき、その実数は計算可能である。 どの数が計算可能か 学校で出てくる数は、ほとんどすべて計算可能である。 分数: $\frac17=0.142857142857\ldots$ 機械は筆算で割り算をし、その循環を永遠にくり返す。 平方根: $\sqrt2=1.41421356\ldots$ 次の桁を求めるために、機械は 0 から 9 までを試し、付け加えても 2 乗が 2 を超えない最大の数字を選ぶ。 $\pi$ と $e$: いくらでも近づける級数がある。たとえば $e=1+\frac1{1!}+\frac1{2!}+\frac1{3!}+\cdots$ であり、それを使えば機械は遅かれ早かれどの桁でも書き出せる。 「ちゃんとした」数はすべて計算可能であるように思える。そしてここで驚きが来る。ほとんどどれも計算可能ではないのである。 機械は数え上げられる どのチューリング機械も、有限の規則の表で記述される。その表は決まった文字を使った文章として書けるので、一つの整数としても書ける。チューリングはそれを記述数と呼んだ。記号を一つずつ数字に置き換えればよい。 だから機械は一覧に並べられる。記述数がいちばん小さい機械、その次、というように。どの機械も記述しない数はたくさんあり、どんな数も書かない機械もたくさんあるが、それはかまわない。大事なのは、計算可能数は一覧 $c_1,c_2,c_3,\ldots$ に収まるということである。専門用語では、それらは可算である。 実数は数え上げられない 1891 年、ゲオルク・カントールは、実数は一覧に収まらないことを示した。証明は対角線である。0 と 1 のあいだのすべての実数の一覧があるとしよう。 $$\begin{aligned} r_1&=0.\underline{5}\,1\,3\,9\ldots\\ r_2&=0.2\,\underline{7}\,0\,4\ldots\\ r_3&=0.8\,8\,\underline{1}\,6\ldots\\ r_4&=0.3\,0\,2\,\underline{2}\ldots \end{aligned}$$対角線上の数字を取り替えて数 $d$ をつくる。5 があれば 6 にし、ほかの数字なら 5 にする。ここでは $d=0.6555\ldots$ である。この $d$ は $r_1$ と 1 桁めで、$r_2$ と 2 桁めで、$r_n$ と $n$ 桁めで異なる。一覧に載っていない。したがって、どんな一覧もすべての実数を含むことはできない。 二つの事実を合わせよう。計算可能数は一覧に収まり、実数は収まらない。どの機械からもはずれる実数が残り、しかもそれが圧倒的多数なのである。実数を無作為に一つ選べば、それが計算可能である確率はゼロである。 定義できるのに計算できない数 計算できない数に名前をつけることはできる。$0.d_1d_2d_3\ldots$ と書き、一覧の $n$ 番めの機械が空白のテープで止まるなら $d_n=1$、止まらないなら $d_n=0$ とする。この数は完全に定義されている。しかし、もしある機械がその桁を書き出せたなら、その機械は停止問題を解いてしまうことになり、それは不可能である。存在しているのに、誰もけっして書き出すことのない数なのである。 練習:対角線を使う一覧は $0.1234\ldots$、$0.5555\ldots$、$0.9090\ldots$、$0.3141\ldots$ で始まる。「5 は 6 に、それ以外は 5 に」という規則を使って、対角線の数の最初の 4 桁を書け。 対角線は $1,5,9,1$。取り替えると $1\to5$、$5\to6$、$9\to5$、$1\to5$。数は $0.5655\ldots$ で、四つの数のどれとも対角線の桁で異なる。

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ブリッグスと常用対数

これらの数は、最も高名なマーキストン男爵ジョン・ネイピアによって最初に発明され、のちに彼自身の意見に従ってヘンリー・ブリッグスが改めた。 — ヘンリー・ブリッグス『対数算術』の扉(1624) ヘンリー・ブリッグスはロンドンのグレシャム・カレッジの幾何学教授で、イングランドで指折りの計算家でした。1615 年 3 月、彼は友人への手紙に、ネイピアの新しい対数のおかげで「頭も手も仕事でいっぱい」だと書き、その夏に会いたいと述べています。そのとおりになりました。マーキストンでの話し合いで、二人は表を二点変えればずっと実用的になると合意しました。1 の対数を 0 に、10 の対数を 1 にするのです。 10 を底とする対数 こう決めると、$x$ の対数は、$x$ を得るために 10 を何乗すればよいかを示す指数になります。 $$\log x=y\iff10^y=x.$$そして数列の法則が、じゃまな因数なしに成り立ちます。 $$\log(ab)=\log a+\log b,\qquad\log\frac ab=\log a-\log b,\qquad\log a^n=n\log a.$$log 2 を計算する ブリッグスはどうやってこれらの数を計算したのでしょうか。簡単な工夫が考え方をよく示してくれます。 $$2^{10}=1024\approx1000=10^3$$です。対数をとると $10\log2\approx3$、つまり $\log2\approx0.3$。よりよくするには余った分を使います。$2^{10}=10^3\times1.024$ なので $$\log2=\frac{3+\log1.024}{10}.$$1 にとても近い数では $\log(1+h)\approx0.4343\,h$ です。$h=0.024$ とすると $\log1.024\approx0.0104$ で、$\log2\approx0.30104$。正しい値は $0.30103$ です。ほかの対数もただで手に入ります。$\log4=2\log2\approx0.60206$、$\log8\approx0.90309$、$\log5=\log10-\log2\approx0.69897$。 ブリッグスはずっと先まで進みました。10 の平方根を 54 回続けて、それぞれ 30 桁以上の小数まで計算し、1 にきわめて近い数にたどり着きました。その対数 $1/2^{54}$ を、それが 1 をどれだけ超えるかと直接比べられるほどです。とてつもない仕事でしたが、彼はそれを手で行いました。 指標と仮数 10 を底にする大きな利点は、小数点の位置を動かしても、対数の整数部分しか変わらないことです。 $$\log2=0.30103,\quad\log20=1.30103,\quad\log200=2.30103,\quad\log2000=3.30103.$$整数部分の指標は、数が何桁かを表します。小数部分の仮数は、どれも同じです。だから 1 から 10 までの数の仮数の表が一つあれば、どんな数にも使えるのです。 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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方程式が累乗根で解けるとき

方程式の群という考えによって、ガロアはアーベルのあとに残された問いに答えました。どの方程式なら累乗根で解けるのか。答えはどんな技法にもよりません。群の形だけで決まるのです。 根をとるたびに群が切られる 方程式を累乗根で解くとは、すでにわかっている数に、根を一つずつ加えていくことです。最初は有理数しか知らず、方程式の群は丸ごと残っています。$\sqrt3$ や $\sqrt[3]{5}$ のような根を加えるたびに、新しく成り立つ関係が現れ、それを守る置換は減っていきます。群は小さくなるのです。群が恒等置換だけになったとき、方程式の根はすべて既知の数で書けます。方程式が解けたのです。 ガロアは、平方根、立方根、5 乗根のような素数 $p$ 乗根をとるたびに、群がとても特別なしかたで小さくなることを示しました。新しい群はもとの群の正規部分群であり、もとの群にちょうど $p$ 回おさまるのです。結論がガロアの定理です。 $$\boxed{\text{方程式が累乗根で解ける}\iff\text{群を、素数の指数をもつ正規な段階で、恒等元まで切り分けられる。}}$$このように切り分けられる群は、この歴史にちなんで可解群と呼ばれます。 3 次:カルダノの公式 一般の 3 次方程式の群は三つの根の六つの置換の群で、三角形の六つの対称性の群と同じです。それは次のように切り分けられます。 $$\underbrace{\{e,r,r^2,s_1,s_2,s_3\}}_{6}\ \supset\ \underbrace{\{e,r,r^2\}}_{3}\ \supset\ \underbrace{\{e\}}_{1}.$$指数は $6\div3=2$ と $3\div1=3$ です。これは、まず平方根、次に立方根をとるということです。まさにカルダノの公式の形で、立方根の中に平方根が現れます。 $$x=\sqrt[3]{-\frac q2+\sqrt{\frac{q^2}4+\frac{p^3}{27}}}+\sqrt[3]{-\frac q2-\sqrt{\frac{q^2}4+\frac{p^3}{27}}}.$$群は、公式が書かれる前にそれを説明しているのです。 4 次:フェラーリの公式 四つの根の 24 個の置換は、四段階で切り分けられます。 $$24\ \supset\ 12\ \supset\ 4\ \supset\ 2\ \supset\ 1,$$指数は $2, 3, 2, 2$ で、すべて素数です。フェラーリの公式は、この順に、平方根を一つ、立方根を一つ(ラグランジュの補助 3 次方程式を解くため)、さらに平方根を二つ使います。 5 次:切り分けられない群 五つの根の $120$ 個の置換は、一度だけ半分に切って、$60$ 個の元からなる正規部分群、いわゆる偶置換にできます。しかし鎖はそこで止まります。この 60 個の元の群には、$\{e\}$ と自分自身のほかに正規部分群がないのです。恒等元にたどり着くには指数 60 の一歩が必要ですが、60 は素数ではありません。不可能です。 これが、一般の 5 次方程式に公式がない理由です。アーベルの定理を、今度はガロアの目で見たのです。しかしガロアの理論はさらに先へ進みます。個別の方程式については、群を計算すればよいのです。方程式 $x^5-2=0$ の群は 20 個の元をもち、可解で、実際に解けます:$x=\sqrt[5]2$。一方、$x^5-x-1=0$ の群は 120 個の置換すべてで、その実数解 $1.1673\ldots$ は累乗根では書けません。

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積分を逆にする:楕円関数

よく知っている関数を、変わった見方で眺めることから始めましょう。積分 $$\arcsin x=\int_0^x\frac{dt}{\sqrt{1-t^2}}$$は、半径 1 の円の弧の長さを、いちばん下の点から測って、高さ $x$ の関数として与えます。複雑な関数です。ところがその逆関数、つまり高さを弧の長さの関数として表したものは正弦、三角法で最も簡単な関数です。そして正弦には、積分が隠している性質があります。周期的なのです。四分の一回転の長さは $$\int_0^1\frac{dt}{\sqrt{1-t^2}}=\frac\pi2$$なので、正弦は $4\cdot\frac\pi2=2\pi$ ごとにくり返します。 だれにも計算できない積分 18 世紀には、似ているけれども 2 次ではなく 3 次や 4 次の多項式の平方根をふくむ積分が現れました。楕円の弧の長さに現れたので楕円積分と名づけられ、レムニスケートの長さや振り子の運動にも現れました。 長さ $L$ の振り子が小さな振幅で揺れるとき、周期は $T_0=2\pi\sqrt{L/g}$ です。学校で習うとおりです。しかしこの公式は振幅が小さいときにしか成り立ちません。任意の振幅 $\theta_0$ に対して、正確な周期は $$T=4\sqrt{\frac Lg}\,K(k),\qquad K(k)=\int_0^1\frac{dt}{\sqrt{(1-t^2)(1-k^2t^2)}},\qquad k=\sin\frac{\theta_0}2.$$$\theta_0=90°$ では $k=\frac{\sqrt2}2$、$K\approx1.8541$ です。よって $T\approx7.416\sqrt{L/g}$ となり、簡単な公式の $6.283\sqrt{L/g}$ と比べて、振り子は 18% 長くかかります。$k=0$ なら $K=\frac\pi2$ で、学校の公式に戻ります。 積分 $K$ は既知の関数では書けません。フランスのアドリアン=マリ・ルジャンドルはこれらの積分に四十年を捧げ、三つの種類に分類し、膨大な数値表を計算しました。彼の『楕円関数論』は 1825 年から 1828 年にかけて出版されました。 アーベルがこれらの積分に取り組んだのは、フェルディナン・デーゲンの助言によるものでした。1821 年、ノルウェーの若者の 5 次方程式のまちがった解法を読んだこのコペンハーゲンの数学者は、楕円積分を研究するよう勧めたのです。それは発見の大洋へ通じる「マゼラン海峡」になるだろう、と。 アーベルの考え アーベルは、ルジャンドルが思いつかなかったことを思いつきました。逆正弦でするのと同じことを、これらの積分にもする、つまり逆にするのです。弧の長さを高さの関数として調べる代わりに、高さを弧の長さの関数として調べるのです。最も簡単な場合として、 $$s=\int_0^x\frac{dt}{\sqrt{1-t^4}}\qquad\Longrightarrow\qquad x=\operatorname{sl}(s)$$と定めます。これがレムニスケート正弦です。正弦の場合と同じく、逆関数は積分よりずっと素直な関数です。$s$ が 0 から $$\frac\varpi2=\int_0^1\frac{dt}{\sqrt{1-t^4}}\approx1.31103$$まで動くと、それは 0 から 1 まで増え、周期 $2\varpi\approx5.2441$ でくり返します。記号 $\varpi$ は π の別の書き方で、レムニスケート定数と呼ばれます。

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ソフィー・ジェルマン素数と暗号

素数 $p$ について $2p+1$ も素数になるとき、$p$ をソフィー・ジェルマン素数といいます。11 が素数なので 5 はそうです。$15=3\cdot5$ なので 7 はちがいます。列はこう始まります。 $$2,\ 3,\ 5,\ 11,\ 23,\ 29,\ 41,\ 53,\ 83,\ 89,\ 113,\ 131,\ldots$$それぞれに対応する素数 $2p+1$ は安全素数と呼ばれます。$5, 7, 11, 23, 47, 59, 83, \ldots$ ソフィー・ジェルマンはフェルマーについての定理のためにこれらを必要としました。二世紀後、それらはインターネットの接続を守っています。 いつか尽きるのか 100 未満にはソフィー・ジェルマン素数が 10 個、1000 未満には 37 個あります。だんだんまれになりますが、現れつづけます。無限にあることを証明できた人はいません。未解決問題で、$11$ と $13$ のように差が 2 の素数の組が無限にあるかを問う、双子素数予想の仲間です。 鎖 この操作をくり返せることがあります。$2$ から始めると、 $$2\to5\to11\to23\to47,$$ここまですべて素数で、$2\cdot47+1=95$ で途切れます。このような列は、20 世紀のはじめにそれを研究したイギリスの軍人で数学者のアラン・カニンガムにちなんで、カニンガム鎖と呼ばれます。89 から始まる鎖も長く、$89\to179\to359\to719\to1439\to2879$ と六つの素数が続きます。 オイラーとラグランジュの定理 メルセンヌ数 $2^p-1$ は、巨大な素数の候補としていちばん人気があります。オイラーが述べ、ラグランジュが 1775 年に証明したところによると、安全素数はこのお祭りに水をさすことがあります。 $p$ が $p\equiv3\pmod4$ をみたすソフィー・ジェルマン素数なら、$2p+1$ は $2^p-1$ をわり切る。 $p=11$ なら $2p+1=23$ で、実際 $2^{11}-1=2047=23\cdot89$。$p=23$ なら $2^{23}-1=8\,388\,607=47\cdot178\,481$。もしこの形のソフィー・ジェルマン素数が無限にあれば、一挙に無限個のメルセンヌ数がふるい落とされることになります。

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ユークリッド流のピタゴラスの定理

直角三角形において、直角に対する辺の上の正方形は、直角をはさむ辺の上の正方形の和に等しい。 — ユークリッド『原論』命題 I.47 ギリシャ人よりずっと前、ナイル川の氾濫のたびに畑の境界を引きなおしたエジプトの測量師たちは、縄張り師 と呼ばれていました。言い伝えでは、等間隔に 12 の結び目をつけた縄を使い、それを三辺 3、4、5 の三角形に張ると直角ができたといいます。バビロニア人はもっと多くを知っていました。紀元前 1800 年ごろの粘土板 プリンプトン 322 には、辺が整数の直角三角形がならび、なかには 3 367、3 456、4 825 のような大きなものもあります。 このサイトの旧幾何学講座は、いちばん簡単な例から始めていました。 $$3^2+4^2=9+16=25=5^2,\qquad 6^2+8^2=36+64=100=10^2.$$エジプト人やバビロニア人に欠けていたのは、この関係が すべての 直角三角形で成り立つという 証明 でした。伝統はそれを紀元前六世紀のピタゴラスに帰していますが、彼の証明は残っていません。私たちがもっている最も古い証明はユークリッドのもので、第一巻の最後から二番目の命題です。(日本ではこの関係を「三平方の定理」とも呼びます。) 風車の証明 $ABC$ を $A$ で直角となる三角形とし、直角をはさむ辺を $AB=c$、$AC=b$、斜辺を $BC=a$ とします。各辺の上に正方形をつくります。できあがった図が風車に似ているので、この証明はその愛称で呼ばれます。アラビアの数学者たちは「花嫁の椅子」と呼びました。 命題 I.47 の図。A から下ろした高さ(点線)が斜辺の上の正方形を二つの長方形に分ける。左の長方形は AB の上の正方形と、右の長方形は AC の上の正方形と面積が等しい。Euler’s Eyes 作図 ユークリッドの考えは、$A$ を通って $BC$ に垂直な線を引き、$BC$ の上の大きな正方形を二つの長方形に分け、それぞれの長方形が小さな正方形のひとつと面積が等しいことを示すことです。証明に使うのは、すでに証明された二つの事実だけです。 I.4:二辺とそのあいだの角がそれぞれ等しい二つの三角形は合同であり、面積も等しい。 I.41:平行四辺形と底辺と高さが同じ三角形は、平行四辺形の半分の面積をもつ。 左の長方形については、ユークリッドは $B$ を頂点とする二つの三角形を見ます。一つ目は、$B$、$A$、そして下の正方形の $B$ の真下にある頂点でできる三角形。二つ目は、$B$、$C$、そして $AB$ の上の正方形の、$B$ のとなりにあって $A$ でない頂点でできる三角形です。この二つの三角形は、$AB$ の上の正方形の一辺と $BC$ の上の正方形の一辺という二辺が等しく、そのあいだの角も等しくなっています。どちらも三角形の一つの角に直角を足したものです。I.4 により、面積は等しくなります。

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ラグランジュ点:重力がつり合う場所

2021 年 12 月 25 日、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡を積んだロケットがフランス領ギアナから打ち上げられました。望遠鏡はハッブルのように地球をまわる軌道には入れられませんでした。一か月かけて、ここから 150 万キロメートル離れた、いつも太陽と反対側にある宇宙の何もない一点まで旅をして、そこにとどまったのです。その点の住所は、ラグランジュが 1772 年に書いた受賞論文から出てきます。それは L2 と呼ばれています。 三つの天体 ニュートンは、引き合う二つの天体、たとえば太陽と一つの惑星の運動を完全に解きました。どちらも楕円を描きます。三つの天体、たとえば太陽、地球、月になると、すべてがややこしくなります。それぞれの天体がほかの二つを引っぱり、運動は混沌としたものになりえます。18 世紀の数学者たちはそれがかんたんではないことを知っており、パリ科学アカデミーは何度もこの問題を懸賞の課題にしました。 1772 年、賞はオイラーとラグランジュに分けて与えられました。ラグランジュの論文『三体問題についての試論』は一般解を見つけませんでした。実際、公式の形の一般解は存在しないことを、のちに 1890 年にポアンカレが示します。けれども、驚くべきものを見つけました。三つの天体が剛体のようにいっしょに回転し、それらがつくる図形の形がまったく変わらない、特殊解です。 そうなる方法は二通りあります。三つの天体が一直線に並ぶ場合で、これはオイラーが 1767 年にすでに見つけていました。もう一つは、大きさは何でもよい正三角形の頂点にあって、重心のまわりを回る場合です。この二つめがラグランジュの発見でした。 五つの点 三つの天体のうち一つがとても小さいとき、たとえば太陽と地球の近くの宇宙船のようなとき、これらの解は宇宙空間の五つの場所になります。そのどれかに置かれた宇宙船は、地球といっしょに太陽のまわりを回り、二つの天体に対していつも同じ位置を保ちます。 太陽–地球系の五つのラグランジュ点。L1、L2、L3 は二つの天体を結ぶ直線上にあり、L4 と L5 はそれらと正三角形をつくって、地球の 60° 前方と 60° 後方にある。Euler’s Eyes 作図 L1 は地球と太陽のあいだにあり、地球の引力が太陽の引力を少し打ち消すところです。 L2 は地球の向こう側にあり、二つの引力が足し合わされるところです。 L3 は太陽の向こう側にあり、地球より少し遠くにあります。 L4 と L5 は正三角形の頂点です。 L2 の計算 なぜ L2 は 150 万キロメートル先にあって、ほかの場所ではないのでしょうか。地球の外側に距離 $r$ だけ離れた物体は、太陽から $R+r$ の距離にあります。$R$ は地球と太陽の距離です。地球といっしょに回るには、地球と同じ時間、つまり一年でひと回りしなければなりません。太陽から遠いところでは、太陽の引力だけではそれに足りません。同じ向きに引っぱる地球の引力が、足りない分をおぎなうのです。 引力の合計と、曲がって進むのに必要な力が等しいという式を書き、$r$ が $R$ よりずっと小さいことを使うと、かんたんな公式にたどりつきます。

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分子の速さ:マクスウェル分布

最近、力学の練習として、完全弾性球の運動と衝突についてのいくつかの問題に取り組んでいます。 — ジェームズ・クラーク・マクスウェル、ジョージ・ストークス宛の手紙(1859 年 5 月 30 日) 1 リットルの空気には約 $2.5\times10^{22}$ 個の分子があり、どれも動きまわり、一秒に何十億回も衝突しています。一つひとつを追いかけるのは不可能です。1859 年、マクスウェルは物理学を変える考えを思いつきました。それぞれの 分子が何をしているかではなく、それぞれの速さをもつ分子が どれだけの割合 いるかを問うのです。物理法則に確率が使われたのは、これが初めてでした。彼は 1859 年にアバディーンでの学会でこの結果を発表し、1860 年に出版しました。 対称性の議論 マクスウェルの推論は短く巧妙です。分子の速度の $x$ 成分の確率密度を $p(v_x)$ とし、$y$ と $z$ についても同じとします。彼は二つのことを仮定しました。 三つの成分は独立である。 $v_x$ がわかっても $v_y$ については何もわからない。したがって同時密度は積 $p(v_x)\,p(v_y)\,p(v_z)$ になる。 特別な方向はない。 同時密度は速度の大きさ $v^2=v_x^2+v_y^2+v_z^2$ だけで決まり、向きにはよらない。 二つをあわせると、次のような関数が必要になります。 $$p(v_x)\,p(v_y)\,p(v_z)=\Phi(v_x^2+v_y^2+v_z^2).$$積が 和 の関数になる。これは指数関数の性質、$e^ae^be^c=e^{a+b+c}$ です。妥当な解はただひとつ、 $$p(v_x)=A\,e^{-\beta v_x^2}$$で、これは 釣鐘形の曲線、ガウスの正規曲線です。定数 $\beta$ は温度と分子の質量で決まり、今日では $\beta=\frac{m}{2k_BT}$ と書きます。$k_B$ はボルツマン定数、$T$ は絶対温度です。 速さの分布 釣鐘形の曲線は、正にも負にもなる各成分について成り立ちます。では 速さ、つまり速度の大きさ $v$ はどうでしょう。大きさが $v$ と $v+dv$ のあいだにある速度は、半径 $v$、厚さ $dv$、体積 $4\pi v^2\,dv$ の球殻をつくります。かけあわせると、 $$\boxed{f(v)=4\pi\left(\frac m{2\pi k_BT}\right)^{3/2}v^2\,e^{-mv^2/(2k_BT)}.}$$これが マクスウェル分布 です。因子 $v^2$ のために曲線は 0 から始まります。止まっている分子はほとんどありません。指数関数のために曲線はすぐに下がります。とても速い分子もほとんどありません。そのあいだに山があります。

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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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混合戦略:PK と指の偶奇当て

すべての有限ゲームには均衡点がある。 — ジョン・ナッシュ、博士論文「非協力ゲーム」(1950) ゲームによっては、各プレイヤーが決まった手を選ぶかぎり、均衡がまったくないものがあります。いちばん簡単なのは指の偶奇当てです。アナは「偶数」、ブルーノは「奇数」に賭け、それぞれ指を一本か二本出します。合計が偶数ならアナが 1 点、奇数ならブルーノが 1 点を得ます。各自の選択を指「一本」か「二本」にしぼると、利得は次のとおりです。 アナ / ブルーノ 1 本 2 本 1 本 (1, −1) (−1, 1) 2 本 (−1, 1) (1, −1) 四つの組み合わせを調べてみましょう。どの場合も、負けた側が手を変えれば得をします。決まった手では均衡はありません。もっともな話です。いつも同じ手を出す人は、相手に気づかれたとたんに負けるのです。 くじを引くのが最善の戦略 抜け道は混ぜることです。ある確率で、でたらめに選ぶのです。混合戦略とは、手の上の確率分布のことです。アナは確率 $p$ で指を 1 本、ブルーノは確率 $q$ で 1 本出し、互いに独立にくじを引くとします。 アナが 1 本出すと、期待利得は $q\cdot1+(1-q)\cdot(-1)=2q-1$。2 本出すと $q\cdot(-1)+(1-q)\cdot1=1-2q$ です。アナが二つの手を混ぜてもよいと思うのは、両方が同じ利得をもたらすとき、つまりブルーノがアナを無差別にするときだけです。 $$2q-1=1-2q\quad\Longrightarrow\quad q=\frac12.$$同じ理由で、ブルーノが混ぜるのは $p=\frac12$ のときだけです。ただ一つの均衡は、各自が 50% の確率で指を 1 本か 2 本出すことです。この混合に対しては、純粋でも混合でも、どんな戦略も相手に 0 より大きい期待利得を与えません。 ナッシュの定理 これが 1950 年の博士論文の大きな結果です。プレイヤーの数も手の数も有限なゲームには、混合戦略を許せば、ナッシュ均衡が少なくとも一つある。 証明には不動点定理を使います。混合戦略の各組み合わせに対して、各プレイヤーが自分の混合を利得の高い手のほうへ少しずらした別の組み合わせを作ります。これで、組み合わせの集合からそれ自身への連続関数が決まります。この集合は穴のない球のようなもので、ブラウワーの定理によれば、球からそれ自身へのどんな連続関数にも不動点、つまり関数が動かさない組み合わせがあります。動かない点とは、まさにだれも変えたくない組み合わせ、すなわち均衡です。 定理は均衡が存在することを保証しますが、それがただ一つだとも、計算しやすいとも言っていません。今日では、大きなゲームでナッシュ均衡を見つけることは、計算の上できわめて難しい問題になりうることが知られています。 PK 混合戦略のいちばん有名な例はスタジアムで起こります。PK では、キッカーがコースを選び、ゴールキーパーはボールを見る前に跳ばなければなりません。右利きのキッカーにとって得意なコースは自分の左、つまりキーパーの右です。ゴールの確率が次のとおりだとしましょう。 キッカー / キーパー キーパーが得意コースへ跳ぶ キーパーが反対へ跳ぶ 得意コースへ蹴る 60% 95% 反対へ蹴る 90% 70% 数字は丸めてありますが、ヨーロッパのサッカーの実際のデータに近いものです。キーパーが逆に跳べば、キッカーはまず外しません。得意コースはいちばん蹴りやすいコースですが、キーパーが方向を読んだときにいちばん止められやすいコースでもあります。

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特殊相対性理論:光でできた時計

もし私が光の速さ c、真空中の光速で光線を追いかけるなら、その光線は、空間的には振動しているが静止した電磁場として見えるはずだ。しかし、そんなものはないように思われる。 — アルベルト・アインシュタイン『自伝ノート』(1949) 16 歳のとき、アーラウの学校で、アインシュタインは自分に問いかけました。光線と同じ速さでその横を走ったら、何が見えるだろう。ニュートンの物理学によれば、光は止まって見えるはずです。高速道路でとなりを走る車のように。ところが マクスウェル の方程式は、止まった光を許しません。そこでは光はいつも $c\approx300\,000$ km/s で進むのです。どちらかがまちがっている。どちらなのかを見きわめるのに、アインシュタインは十年かかりました。 二つの原理 1905 年 6 月、アインシュタインは論文「運動物体の電気力学について」を『物理学年報』に送りました。彼は二つの仮定から出発しました。 一定の速さで動くすべての観測者にとって、物理法則は同じである。 がたつかずに走る列車のなかでは、なかで行うどんな実験でも、列車が止まっているのか動いているのかはわからない。 真空中の光の速さは、こうしたすべての観測者にとって同じ $c$ である。 光源や観測者がどう動いていても変わらない。 二つ目は無害に見えますが、じつはとんでもないことです。秒速 100 000 km で光線を追いかけても、光線はやはり秒速 300 000 km で遠ざかっていくと測れるのです。それが可能になるには、何かがゆずらなければなりません。アインシュタインは、ゆずるのは 時間 だと示しました。 光時計 距離 $L$ だけ離れた二枚の平行な鏡のあいだを、光のパルスが往復する時計を考えます。一往復が一刻みです。時計のそばにいる人にとって、一刻みは $$\Delta\tau=\frac{2L}{c}$$です。今度は、この時計を速さ $v$ であなたの前を通りすぎる列車に乗せます。ホームにいるあなたから見ると、光はまっすぐ上下するのではありません。光が一方の鏡からもう一方へ進むあいだに列車は前に進むので、光の道すじは斜めになり、長くなります。 ホームから見た光時計。光が下の鏡から上の鏡へ進むあいだに、時計は v Δt/2 進む。光は L より長い斜めの道 c Δt/2 を進む。Euler’s Eyes 作図 あなたが測った一刻みを $\Delta t$ とすると、半刻みのあいだに光は $c\frac{\Delta t}2$ 進み、列車は $v\frac{\Delta t}2$ 進みます。高さは $L$ のままです。ピタゴラスの定理 より、

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驚異の螺旋とレムニスケート

ライプニッツの微積分を手にしたベルヌーイ兄弟は、曲線狩りに出かけました。曲線ごとに問います。接線はどうか、長さは、面積は、曲率は?こうした曲線の多くはギリシャ人のころから知られていましたが、これらの問いに一般的な規則で答えられるようになったのはこのときからです。そのうち二つの曲線は、永遠にヤコブの名を帯びることになりました。 形の変わらない螺旋 対数 螺旋は、すでにデカルトやトリチェリが研究していました。各点を中心からの距離 $r$ と角 $\theta$ で表す極座標では、 $$r=a\,e^{b\theta}$$です。ひと回りするたびに角は $2\pi$ 増え、半径はいつも同じ倍率 $e^{2\pi b}$ で大きくなります。だから巻きの間隔は等しくありません。どの巻きも、前の巻きより同じ割合で大きいのです。 ここから、ヤコブを魅了した性質が出てきます。螺旋を角 $\alpha$ だけ 回転 させることは、$e^{b\alpha}$ 倍に 拡大 することと同じ効果をもちます。この螺旋の写真を拡大すると、回転しただけの同じ螺旋が現れます。どの縮尺でも自分自身と同じなのです。 左は、ヤコブが墓に望んだ対数螺旋。ひと巻きごとに前より広くなる。右は、石工が刻んだアルキメデスの螺旋。巻きの間隔が等しい。Euler’s Eyes 作図 一定の角 螺旋上の一点で、中心から来る半径と曲線の接線は角 $\psi$ をなします。角 $\theta$ がほんの少し $d\theta$ だけ増えると、その点は半径に垂直な方向に $r\,d\theta$、半径に沿って $dr$ 動きます。したがって $$\tan\psi=\frac{r\,d\theta}{dr}=\frac{r}{dr/d\theta}=\frac{r}{b\,r}=\frac1b.$$$r$ が消えます。角は すべての 点で同じです。そのためこの曲線は 等角螺旋 とも呼ばれます。ランプに対していつも一定の角度を保って飛ぶ虫は、蛾が月に対してそうするといわれるように、こうした螺旋を描いて、最後にはランプに落ちてしまいます。 ヤコブはさらに発見しました。螺旋の曲率中心がつくる曲線は、最初のものと同じ対数螺旋です。中心から出て螺旋で反射した光線も、また同じ螺旋をつくります。どこを見ても、曲線は同じ姿でよみがえりました。彼はこれを spira mirabilis、驚異の螺旋 と名づけました。 オウムガイの殻の断面。ひと巻きごとに部屋がほぼ同じ割合で大きくなり、対数螺旋に近い形をつくる。Florian Elias Rieser · Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0 自然もこの曲線を同じ理由で好みます。オウムガイのように形を変えずに層を足して成長する生き物は、対数螺旋の殻をつくります。多くの銀河の腕や台風の雲も、似た形をしています。 Eadem mutata resurgo ヤコブは螺旋に復活の象徴を見ました。からだは変わっても、人は同じものとしてよみがえる。だから彼は、Eadem mutata resurgo、「変わりながらも、私は同じものとしてよみがえる」という銘とともに、それを墓に刻んでほしいと頼んだのです。石工が刻んだのはアルキメデスの螺旋で、これにはその性質がありません。拡大すると巻きの間隔が広がり、曲線が変わってしまいます。まちがった墓石は今もバーゼル大聖堂にあります。 レムニスケート:横倒しの 8 1694 年、ヤコブは『学術紀要』の論文で新しい曲線を示しました。二つの定点、焦点 $F_1=(-c,0)$ と $F_2=(c,0)$ をとります。楕円では、点から焦点までの距離の 和 が一定です。ヤコブは和を 積 に置きかえました。