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具有极好数学素质的莱布尼兹

与其他数学家相比,莱布尼兹更像一个天才。

回顾莱布尼兹的生平,可以帮助那些对天才更加关注的家长寻找一个坐标,帮助他们辨别一下自己的孩子是不是具备一些独特的天赋。

莱布尼兹,是17世纪伟大的数学全才,在微积分的发明上是牛顿的竞争者,于1646年出生于莱比锡城。当还是儿童的时候,就自学拉丁文和希腊文,不到二十岁,就熟练地掌握了一般课本上的数学、哲学、神学和法学知识。

青年时代,他开始发展他的《万能算法》的最初概念,它涉及通用数学;后来,发展出布尔的符号逻辑;再靠后些,1910年,发展出怀特黑德和罗素的伟大的《数学原理》。

当莱比锡大学以他年轻为借口,拒绝授予他法学博士学位时,他迁到纽伦堡。在那里,他写了一篇关于用历史的方法教授法学的杰出论文,并且,把它献给美因茨的选帝候。这导致选帝候任命他重修一些法典。从这时起,他把大部分时间用于外事活动,这首先是为了美因茨选帝候;从1676年直到他死,是为汉诺威的布龙斯威克公爵服务。

1672年,莱布尼兹在巴黎搞外事工作时遇见定居在那里的惠更斯,这位年青的外交官请这位科学家给他讲数学。第二年,莱布尼兹因政治任务被派去伦敦。在那里,他结识了奥尔登伯格和其他人,并且,向皇家学会展示了一部计算机。在离开巴黎,去给布龙斯威克公爵当待遇优厚的图书馆长之前,他已经发现微积分的基本原理。他还给出此学科中的大部分符号,并且给出一些微积分的基本公式。

最后,莱布尼兹又被派到汉诺威工作,使他有空闲时间探讨他喜爱的研究。结果是,与许多人处理闲暇的方式不同,他写下的关于各种课题的论文几乎堆成了山。

他是一位特殊天才的外语通,赢得了梵文学者的称号。他关于哲学的著作也在该邻域中有很高的地位。他制定了许多宏伟的宗教计划,比如,想把耶稣教和天主教联合起来,后来,又想把他那个时候的耶稣教的两个教派联合起来,但都落空了。

1682年,他和门克创办了《博学文摘》,并且,他当了该杂志的主编。他的大部分数学论文——1682年至1692年这十年中写下的,发表在这本杂志上。杂志在欧洲大陆得到广泛流传。1700年,莱布尼兹创办了柏林科学院,并且致力于在德累斯顿、维也纳和圣彼得堡创办类似的科学院。

莱布尼兹生命的最后七年,是在他是否独立于牛顿发明了微积分的争论中难受地度过的。1714年,他的东家成了英国的第一个德国人国王,莱布尼兹因被遗忘而留在汉诺威。据说两年之后,1716年他死后,只有他忠实的秘书参加他的葬礼。

莱布尼兹对其《万能算法》的研究,导出数理逻辑的理论和具有形式规则的符号法,用以避免思考的必要性。虽然这个设想,只是到今天才达到了令人注目的阶段,但是,莱布尼兹已经用通行的术语陈述了逻辑的加法、乘法和否定的主要性质,已经考虑到空集和集的包含关系,并且,已经指出在集的包含关系和命题的蕴含关系之间的类似性。

莱布尼兹是在1673年到1676年之间发明他的微积分的。直到1684年,才发表了他的关于微积分的第一篇论文。

在我们的初等微积分课中的微分的许多基本原则,是莱布尼兹推出的。求两个函数乘积的n阶导数的法则现在还称作莱布尼兹法则。

莱布尼兹对数学形式有超人的直觉,并且对于很好地设计符号的潜在可能性很敏感。他的微积分符号已被证明是很好的,并且无疑,比牛顿的流数记号方便、灵活。所以,我们的孩子今天使用的由莱布尼兹创立的符号要比牛顿的多。

通常说, 行列式理论是莱布尼兹于1693年考虑关于齐次线性方程组的形式时创造的,虽然,日本人关孝和比他早十年就有了类似的考虑。把二项式定理推广到多项式定理,起源于莱布尼兹。他还为包络理论奠基作了许多工作,并且他定义了密切圆,说明了它在曲线研究中的重要性。

我们不谁备在这里过多讨论牛顿和莱布尼兹之间的争论。今天,普遍的意见是,他们彼此独立地发现了微积分。牛顿发现在先,而莱布尼兹发表得早。如果说莱布尼兹没有像牛顿那样对数学研究得深,他的知识面却较牛顿为广,并且,作为一个分析学家和数学物理学家,他虽都次于他的英国的对手,但他对于数学形式有比较敏锐的想像力和卓越的本能。两派带给这两位主角的争论,导致英国长时间地忽视欧洲大陆数学的发展,这反而有害于英国的数学。

在牛顿和莱布尼兹之后的若干时间,积分的基础还是不清楚的,并且很少被人注意,因为早期研究者被此学科的显著的可应用性所吸引。到1700年,现在大学里学习的大部分微积分内容已经建立起来了,其中还包括较高等的内容,例如变分法。第一本微积分课本出版于1696年,是洛比达写的。他还依据神秘的协议,发表了他老师约翰·伯努利的讲义,在这本书中有求分子、分母均趋于零的分式的极限值的所谓洛比达规则。

莱布尼兹是一位根深蒂固的乐观主义者。他不仅希望把他那个时代的互相斗争的宗教派别重新统一为一个单一的全世界的教会,而且他认为他有办法用他在创造二进制算术时的灵感让整个中国信基督教。

莱布尼兹还有一个神学的谬论,他说:虚数就像基督教义里的圣灵,介于存在和不存在之间。

在结束对莱布尼兹的无与伦比的天才的赞美时,要记住给孩子指出这样一个事实:存在数学思想的两个广阔而又相反的领域:连续数学和离散数学,这在哲学上已经是一个极高的层面。莱布尼兹是数学史上在这两方面都达到了最高水平的人。(完)

牛顿也有前辈

显然,牛顿也有前辈。在学校,老师很少会告诉孩子这些。

牛顿在英国的直接前辈是沃利斯和巴罗。

我们先说沃利斯。

沃利斯出生于1616年,是当时最有能力、最有创造力的数学家之一,是一位在许多领域中多产而又博学的作者。据说他还是最先设计出一套教授聋哑人的方法的一个人。1649年,他被任命为牛津的萨魏里几何讲座教授,他保持这个职位54年,直到他逝世的1703年。他在分析方面的著作为他的伟大的同时代人牛顿开辟了道路。

沃利斯是最先把圆锥曲线当作二次曲线而不是作为圆锥的截线来讨论的人之一。1655年,他发表了《无穷的算术》。尽管这本书有一些逻辑上的缺陷,但在许多年中,它不失为一部标准论著。在这本书中,笛卡儿和卡瓦列利的方法被系统化和推广,并且从一些特殊情况推出了许多值得注意的结果。

沃利斯是最先完整地说明零指数、负指数和分数指数意义的人,他还引进了我们现在用的无穷大符号“∞”。

沃利斯在数学上还做了一些别的工作。他是最接近于解决帕斯卡关于旋转线的竞赛题的数学家。可以公平地说:他得到了计算曲线弧长的公式的等价物。他的《代数论著:纪事和实用》写于1673年,1685年以英文发表,1693年以拉丁文发表,被认为是英国数学史上第一次认真的尝试。在这部著作中,人们可以发现实二次方程复根的图解解释之最初的有记载的成果。沃利斯编辑过许多希腊数学家的部分著作,还写过许多种关于物理课题的东西。他是皇家学会的创始人之一,还在政府里担任了多年密码专家。

沃利斯对微积分发展的主要贡献是在积分理论方面,而巴罗最重要的贡献也许是与微分理论相联系的。

我们再说说巴罗。

伊萨克·巴罗1630年出生于伦敦。有个故事说,在他幼年上学时,很惹人讨厌,致使他的父亲祷告:要是上帝决定取走他的一个孩子,他宁愿抽出伊萨克。就是这样一个孩子后来在剑桥毕业,被尊为他那个时代的最好的希腊文学者之一。他有很高的学术水平,在数学、物理学、天文学和神学上都有成就。关于他的体力、勇敢、敏捷的智力和一丝不苟,有很多有趣的故事。他是担任剑桥的卢卡斯讲座教授的第一人,1669年以高尚的精神将此席位让给他的学生伊萨克·牛顿。他是最先认出牛顿的超人才能的人之一。他于1677年死于剑桥。

巴罗最重要的数学著作《光学和几何学讲义》发表于他在剑桥让出他的席位那年。在论著的序言中,感谢牛顿为该书提供了一些资料,也许指的是讲光学的那部分。在这本书中,我们见到很接近于现代微分方法的方法,用了我们今天课本中所谓的微分三角。

尽管别的证据不多,一般认为:巴罗是充分地认识到微分法为积分法的逆运算的第一人。这个重要的发现就是所谓微积分的基本定理,这是在巴罗的《讲义》中被陈述和证明的。

巴罗在1675年发表了阿波洛尼乌斯《圆锥曲线》前四卷及阿基米德同狄奥多修斯现今尚存的著作带注释的版本,虽然在他的晚年大部分精力用于神学。

在微分学和积分学发展的这个阶段,许多积分已经作出,许多求容积、面积和长度的方法已经得到,微分的程序已经推出,许多曲线的切线已经作出,极限的概念已经想到,并且,微积分基本定理也已被清楚地认识到。还有什么要做的呢?

作为一门独立的科学,微积分还需要创造一系列的符号以及一整套形式的解析规则,另外,还要对一些课题的基础理论作前后一致的严格的推导。这些工作是牛顿和莱布尼兹彼此独立地做出的。

上帝说:生出牛顿来,一切都变得明朗现在的孩子对于牛顿在物理学上的贡献了解的显然要比牛顿在数学上的贡献多得多。

牛顿生于1642年,即伽利略去世那年的圣诞节,出生于沃尔斯索普村。他的父亲是一个农民,在伊萨克出生前就死去了,而且死以前就计划让他的儿子也务农。

幼年的牛顿在设计灵巧的机械模型和做试验上,就显示出才能和爱好。例如,他做了一个以老鼠为动力磨面粉的磨和一架用水推动的木制的钟。十八岁时他被允许进入剑桥大学三一学院。由于他在斯托桥的集市上偶然碰到一本占星学的书,在他上学之前,一直没有把注意力放在数学上,因此,他先读欧几里得《原本》,在他看来是太显然的了;然后看笛卡儿的《几何》,对他来说,又有些困难。他还读奥特雷德的《入门》以及开普勒和韦达的著作、沃利斯的《无穷的算术》。他从读数学到研究数学,开始发现推广的二项式定理,并且创造其流数法——今天我们称之为微积分学。后来,从1665年夏末到1667年夏末,除了1666年3月中至6月中外,由于凶猛的鼠疫,剑桥大学停了课。

1665年,也就是剑桥大学停课的第一年,牛顿住在伍尔斯托普家中研究数学——过曲线上任意点作其切线和计算其曲率半径,并有兴趣于各种物理问题,比如,作他的第一个光学实验,并将其万有引力理论的基本原理系统化。

牛顿于1667年回到剑桥,有两年功夫主要从事于光学研究。1669年,巴罗把他的卢卡斯讲座让给牛顿,于是牛顿开始了他十八年的大学教授生活。他的第一个讲演是关于光学的,后来以一篇论文的形式由皇家学会发表,并引起相当大的兴趣和讨论。不过,他的颜色理论和从他的光学实验中作出的某些推论,受到一些科学家的猛烈攻击。

牛顿看到随之而来的争论很无聊,就发誓再也不发表任何关于科学的东西了。他对争论的厌恶简直到了病态的程度,这对数学史也产生重大影响,结果是几乎所有他的重大发现都在许多年后才发表。发表的推迟遭致后来引出了他与莱布尼兹在微积分发现的优先权上不体面的争论。就是由于这场争论,英国的数学家们公认牛顿为他们的导师,割断他们与欧洲大陆的联系,从而使英国的数学进展实际上推迟了将近100年。

牛顿继续研究光学。1675年,他把关于光的粒子说理论的论文寄给皇家学会。他的声誉和他对理论的巧妙处理使该理论得到普遍采用,直到许多年后波动说被证明是研究用得较好假定为止。

牛顿从1673年到1683年在大学的讲演是关于代数和方程论的。在这个时期中,1679年,他把对地球半径进行的一次新的测量与对月球运动的研究相联系,并用来证实他的万有引力定律。

他还假定太阳和行星为重质点,证明了他的万有引力定律与开普勒的行星运动定律的一致性。但是这些重要的发现,有五年之久,没有告诉任何人,是1684年哈雷到剑桥拜访牛顿,和他讨论使行星沿椭圆形轨道围绕太阳旋转的力的规律时,才讲出来。这重新激发了牛顿对天体力学方面的兴趣,他继续做出的许多这方面的论断后来成为他的《原理》第一册的基础。

稍迟些时,哈雷看了牛顿的原稿,认识到其极大的重要性,得到作者的允许后,哈雷把这些成果送给了皇家学会。牛顿从事这项工作的同时,终于解决了已经冥思苦想了好些年的问题,即:一个球体——其任何一点的密度依其与球心的距离而变化,吸引了一个外面的质点,就如同其全部质量集中在其中心一样。他以这个定理肯定了开普勒行星运动定律,因为,在行星运动问题中,太阳和行星与准确球体的微小偏差是可以忽略的。

牛顿以后认真地搞他的理论,并且以艰苦的脑力劳动,于1685年夏写下了《原理》的第一册。一年之后完成第二册,开始第三册。虎克妒嫉地指责使牛顿很不痛快,致使第三册几乎停写下来,但是哈雷最后说服牛顿完成了这项工作。这本书的标题为《自然哲学的数学原理》,于1687年中,由哈雷出资发表,这立即对整个欧洲产生了巨大影响。

1689年,牛顿代表大学进入议会。1692年他得了奇怪的病,持续了大约两年,致使他有些精神错乱。晚年,他主要从事化学、炼丹和神学的研究。其实,就在他早年从事数学和自然哲学的研究的同时,他也许就花了不少时间搞这些。虽然他在数学方面的创造性工作实际停止了,他还没有失去这方面的非凡的能力:他熟练地解决了提给他的很多数学竞赛题,而这些题是远远超过别的数学家的能力的。

1699年,牛顿被提升为造币厂厂长。1703年,他被选为皇家学会主席,一直连选连任到他死,并于1705年被封为爵士。

晚年,由于与莱布尼兹的不幸争论很不愉快。1727年,在一场拖了很长时间的痛苦的病后死去,终年八十四岁,安葬于伦敦威斯敏斯特教堂。

由于上面提到的原因,牛顿所有发表的重要著作,除《原理》外,都是在作者发现其内容好几年后才发表的,而且,几乎都是由于朋友们的催促才发表的。 这些著作依发表的次序排为:《原理》,1687;《光学》,连同其关于三次曲线和用无穷级数解决曲线的求积及求长两个附录,1704年;《通用算术》,1707年;《运用级数、流数法等的分析学和微分法》,1711;《光学讲义》,1729年;《流数法和无穷级数》,1736年。

还应该提到牛顿于1676年给皇家学会秘书奥尔登伯格写的两封重要信,在其中,牛顿讲了一些他的数学方法。在给奥尔登伯格的信中,牛顿叙述了他早年对推广的二项式定理的推导。

牛顿做出的一个更为重要的发现是他的流数法。1669年他把要点告诉了巴罗。他的《流数法》写于1671年,直到1736年才发表。在这部著作中,牛顿把一条曲线看作是由一个点的连续运动生成的。依照这个概念,生成点的横坐标和纵坐标,是这个点的一系列变动的量。牛顿称变动的量为“流”,流的变化度称为它的流数。

牛顿考虑两种类型的问题,在第一类型的问题中,给出联系一些流的关系式,要我们找出联系这些流和它们的流数的关系式。这就是我们上面讲的,这自然等价于微分。

在第二种类型的问题中,给出联系的一些流和它们的流数的关系式,要我们找出仅仅联系流的关系式。这是逆问题,等价于解微分方程。

后来牛顿用他的初步极限概念作为根据,证明略去包含零的二次或二次以上的项是正确的。他定义极大值和极小值、曲线的切线、曲线的曲率、拐点、曲线的凸性和凹性,并且把他的理论应用于许多求积问题和曲线的求长。

在一些微分方程的积分中,他显示了超人的能力。在这部著作中有对代数方程或超越方程都适用的实根近似值求法——此方法的一个修正,现在被称作牛顿法。

《通用算术》包括牛顿从1673年到1683年讲演的内容。在其中,有方程论方面的许多重要成果,例如:实多项式的虚根必定成双出现;求多项式根的上界的规则;以多项式的系数表示多项式的根的n次幂之和的公式;给出实多项式虚根个数的限制的笛卡儿符号规则的一个推广及许多其他内容。

作为《光学》这部著作的附录发表的《三次曲线》,用解析几何的方法研究三次曲线的性质。在他给出的三次曲线分类中,牛顿列举了三次曲线可能的78种形式中的72种。其中最吸引人、也最难的是:正如所有二次曲线能作为圆的中心射影被得到一样,所有三次曲线都能作为曲线的中心射影而得到。这一定理在1731年发现其证明之前,一直是个谜。

自然,牛顿的最伟大的著作是他的《原理》,其中,第一次有了地球和天体主要运动现象的完整的动力学体系和完整的数学公式。事实证明,这在科学史上是最有影响、荣誉最高的著作。有趣的是,这些定理虽然也许是用流数法发现的,却都是借助古典希腊几何方法熟练地证明的。

在相对论出现之前,整个物理学和天文学都是以牛顿在这部著作中作出的有一个特别合适的坐标系这种假定为基础。在《原理》中,有许多涉及高次平面曲线的成果和一些引人入胜的几何定理的证明。

牛顿从来没有被在那个时候的数学家中流传的各种各样的数学竞赛题的任何一个难住过。针对莱布尼兹提出的一个问题,他解决了求一族曲线的正交轨线的问题。

牛顿是一位熟练的实验家和一位优秀的分析家。作为一个数学家,他几乎在全世界也要算是历史上最伟大的。他对物理问题的洞察力和他用数学方法处理物理问题的能力,都是空前卓越的。人们能找到由有能力的鉴赏者对他的伟大给予的高度评价,像莱布尼兹这样作了杰出贡献的人也说:“在从世界开始到牛顿生活的年代的全部数学中,牛顿的工作超过一半。”拉格朗日对牛顿的作用和影响也有过评语:说他是历史上最有才能的人,也是最幸运的人,是因为宇宙体系只能被发现一次。

自然和自然的规律沉浸在一片黑暗之中,他的成就被英国诗人波普用诗表达:

上帝说:生出牛顿来,一切都变得明朗。

与这些颂扬相反,牛顿对他的工作有自己的谦虚的评价:“我不知道世间把我看成什么样的人,但是,对我自己来说,就像一个在海边玩耍的小孩,有时找到一块比较平滑的卵石或格外漂亮的贝壳,感到高兴,在我前面是完全没有被发现的真理的大海洋。”在尊重他的前辈的成果方面,他曾作过这样的解释:如果他比别人看得远些,那只是由于站在巨人的肩上。

曾有这样的报道:牛顿常常把24小时中的18或19个小时用于写作, 并且他有超人的集中注意的能力。 有几个有趣的故事, 也许不足凭信,说的是他如何聚精会神、忘记一切。例如,有个故事说,一次他请一些朋友吃饭,他离席去拿一瓶酒,可是他跑回房间竟然把取酒这事忘了,而穿上白衣,进了祈祷室。

另一次,牛顿的朋友斯图克利博十请他吃鸡肉饭。牛顿出去了一会儿,但是,桌子上已经放好盖着的盘子,里面是烹调好的鸡肉。牛顿忘记吃饭这事,而超过了时间,斯图克利把鸡吃了,然后再把骨头放在盖着的盘子里。牛顿回来后,发现只剩下骨头了。他说:“亲爱的:我竟然忘了我们已经吃了饭。 ”

还有一次,他从格兰瑟姆骑马回家时,下了马步行,牵着它上城外的斯皮特门山。牛顿不知道马在上山时滑脱了,到了山顶,准备再上马时,才发现手里只剩下个空缰绳。

我们每天做的事情不是“微分”就是“积分”

把一张饼一口一口的吃完,或者,把一个瓶子一点一点的注满水,这是任何一个小孩子都会做的事情,不同的是,家长很少向孩子解释这其实就是一个微分或者积分的过程。微积分的原理其实就是这么简单。

我们已经看到,数学研究的许多新的、广泛的领域是在17世纪开辟的,使得这个时期成为数学发展中最富有成果的时期。无疑,其中最值得注意的成就是接近该世纪末牛顿和莱布尼兹作出的微积分的发明。有了这个发明,创造性的数学相当普遍地发展到一个高级的水平,使初等数学的历史基本结束。

微积分的概念具有深远的影响,几乎可以这样说:今天,如果一个人没有这方面的知识,就不能说他很好地受过教育。

有趣的是:在大学课程中通常的讲授次序是先微分后积分,而在历史上,积分的概念比微分的概念先产生。

积分的概念最初是由于它在与求某些面积、体积和弧长相联系的求和过程中起作用而引起的。以后,微分是联系到对曲线作切线的问题和函数的极大值、极小值问题而产生的。再往后,才注意到:积分和微分彼此作为逆运算而相互关联。

虽然我们讲的主要部分在17世纪,但是,我们须从古希腊和公元前5世纪开始。

先回忆一下芝诺悖论。

我们应该如何假定一个量?它是无限可分的,还是由非常多的极微小的不可分的部分组成的?第一个假定,对我们大多数人来说,似乎比较合理,但是,第二个假定在发现新事物过程中很有用,这使它表面上的一些荒谬之处显得不那么重要。

事实上,在古希腊时代,数学推理的不同学派,有的用这个假定,有的用那个假定。在这两种假定中都会遇到某些逻辑上的困难。

公元前5世纪,由埃利亚哲学家芝诺想出的四个悖论明显地暴露这种困难。这些对数学发展有深刻影响的悖论断言:不管我们假定量是无限可分的,还是由许多极微小的不可分的部分组成的,运动都是不可能的。

对于芝诺悖论,曾有人给出许多解释,并且要说明它们与普通直觉的信念相抵触并不难。

不管芝诺的动机是什么,其结果是;希腊证明几何中从此就排除了无穷小。还有欧多克斯的穷竭法。

在微积分历史中出现的最初的问题涉及计算面积、体积和弧长。在关于它们的论述中,我们可以找到上面讲到的关于量的可分性的两个假定的论据。

苏格拉底的同时代人安提丰,是对圆的求积问题最先做出贡献的一个人。据说,安提丰提出了这样一个概念:随着一个圆的内接正多边形的边数逐次成倍增加,此圆与多边形的面积的差最终将被穷竭。因为我们能作出与任何给定的多边形面积相等的正方形,所以就能作出与该圆面积相等的正方形。

这个论断当时立即受到批驳,其理由为:它违背了:“量是无限可分的”这一原则,因此,安提丰的程序永远不能穷竭此圆的全部面积。

尽管如此,安提丰的大胆论断包含著名的希腊穷竭法的萌芽。穷竭法通常以欧多克斯命名,并且,也许能被看作是柏拉图学派对芝诺悖论的解答。

这方法假定量的无限可分性,并且以下述命题为基础:如果从任何量中减去一个不小于它的一半的部分,从余部中再减去不小于它的一半的另一部分等等,则最后将留下一个小于任何给定的同类量的量。

阿基米德宣称:在任一多边形底上的棱锥的体积是等底等高棱柱体积的三分之一。关于德谟克利特我们知道得很少,他多半未能给出此定理的严格证明,因为一个棱柱能被分成全是三角形底的棱柱的和,而后这种棱柱又可被分成三个两两等底等高的三角形棱锥,由此得出:德谟克利特问题的关键在于证明,两个等底等高的棱锥有相等的体积。此定理的证明是后来由欧多克斯用穷竭法推出的。

德谟克利特是怎样得到这个最后结果的呢?

普鲁塔克提供了一个线索,他引述德谟克利特在把一个锥体看作由无穷多个平行于底的截面组成时曾经遇到的一个疑难。如果两个“相邻”截面的面积不一样,则立体的表面被近似地分成一系列小阶梯。在这里我们有一个涉及量的可分性的假定,它是已经考虑过的两个假定的某种中间物。因为,在这里,我们假定锥体的体积是无限可分的,即可分成无限多个不能再分的极薄截面,但是这些截面是可数的。德漠克利特当时可能这样论证:如果两个等底等高的棱锥被平行于底的平面所截,且以同样的比例分其高,那么,形成的对应截面是相等的。所以,两个棱锥包含同样的无限多个相等的平面截面,因而必定具有相等的体积。

但是,在古人中,阿基米德做出了穷竭法最巧妙的应用,并且他的方法最接近于现行的积分法。阿基米德在其对某些面积和体积的论述中,得出了我们的初等微积分课本中出现的若干定积分的等价物。

穷竭法是严谨的,然而是不能得出成果的。换句话说,一旦知道了一个公式,穷竭法就能提供证明它的灵巧工具;但是,这方法对结果的最初发现不起作用。在这方面,穷竭法很像数学归纳法。但是,阿基米德是怎样发现用穷竭法很灵巧地证明那些公式呢?

上面这个疑问,直到1906年,海伯格在君士坦丁堡发现阿基米德的一篇长期失传的论文《方法论》的手抄本,才理出个头绪来。那是阿基米德给埃拉托色尼的一封信。这手抄本是在一个重写羊皮纸文件中发现的,那是在10世纪写上的,后来在13世纪被洗去而用于宗教上的经文。幸亏第一次原文的大部分还能被修复。

阿基米德方法的基本概念是这样的:为了找所求的面积或体积,把它分成很多窄的平行的条和薄的平行的层,并且把这些片挂在杠杆的一端,使它平衡于容积和重心为已知的一个图形。

这就像用天平来“称量”体积或面积。啊,这是一个多么巧妙的思路!

据说,这就是阿基米德在《方法论》中求球体体积公式的途径。但是,他的数学良知不允许他把这样一种方法认作是证明,因此他又用穷竭法给出了严格的证明。我们看到:把一个量当作由大量极微小部分组成的,这个没有严格根据的思想,在平衡法中获得了多么大的成果!现在,我们可以用现代的极限方法,使阿基米德的平衡法完全严格化,成为和现代积分法本质上相同的东西。

无论如何,这种知道答案,再想办法论证,也是一种很好的方法。积分的理论,在阿基米德的值得注意的成就之后,在一个相当长的时期,没有多大发展。大约到1450年,阿基米德的著作才通过在君士坦丁,于1540年出版。几年之后,又有了第二种译本。但是,一直到大约17世纪初,我们才见到阿基米德的概念的进一步发展。

法兰特斯地方的工程师斯蒂文和意大利数学家瓦莱里奥,这两位现代数学的早期作者所用的方法可以和阿基米德的方法相比。他们两位都试图直接取极限。

在发展与积分相联系的无穷小概念的较早的现代欧洲人中,应该特别提到开普勒。

为了计算行星运动第二定律中包含的面积和在他的论文中讨论的酒桶容量的体积,开普勒不得不借助于某种积分程序。但是,开普勒如同别的同时代人一样,对严格地使用穷竭法缺乏耐心,而为省事,随意地采用了阿基米德只认为是启发式的程序。于是,开普勒把圆周当作有无限多边的正多边形。如果这些边的每一条被取作顶点在圆心的三角形的底,则圆的面积被分成无限多个其高等于圆的半径的窄三角形。

由于每一个这样的窄三角形的面积等于其底和高乘积的一半,从而推出:圆的面积等于其圆周和半径乘积的一半。他继而又推出:球体的体积等于其表面积和半径乘积的三分之一。尽管从数学严格性的观点看,这样的方法要不得,但是,它们以很简单的方式得出了接近正确的结果。直到今天,人们还经常看到物理学家和工程师们使用这样的“微元”法,而让专业数学家去作严格的极限处理。并且,几何学家常在一个参数的曲线或曲面族中使用 “相邻的” 点、 “相邻的” 曲线和曲面这种方便的概念。

我们再看看卡瓦列利。卡瓦列利的论文写得罗嗦、不清楚,难于明确地知道所谓“不可分元”是什么。

所谓卡瓦列利原理:

1.如果两个平面片处于两条平行线之间,并且平行于这两条平行线的任何直线与这两个平面片相交,所截二线段长度相等,则这两个平面片的面积相等。

2.如果两个立体处于两个平行平面之间,并且平行于这两个平面的任何平面与这两个立体相交,所得二截面面积相等,则这两个立体的体积相等。

卡瓦列利原理是计算面积和体积的有价值的工具,并且,其直观基础可用现代的积分学容易地给出。把这些原理当作直观显然地接受下来,我们就能解决许多通常需要高深得多的积分技术才能解决的量度问题。

这基本上是开普勒求半轴长为a和b的椭圆面积之程序。

假定卡瓦列利原理成立并始终如一地使用它,可以简化在中学立体几何课程中遇到的许多公式的推导。此程序已被许多教材作者采用,并且在教学法的角度上受到了人们的拥护。

女儿是一个“素数”

在把一个外国人的名字翻译成中文的时候,不同的译者会有不同的结果,尽管有一些翻译名字的工具书可以参考,但是,由于这些工具书缺乏权威性,所以给读者造成一点点混乱并不奇怪,不过,把费马这样的著名数学家的名字搞乱了,似乎不太应该。我在网上随机查了一下,“费马”有将近3万项搜索结果,而“费尔马”有1万项搜索结果,够乱的吧。

至少可以这样说,就世界上的大部分正在进行的事务来说,“混乱”是一种常态,“有序”是“特例”,这也可以算作是一个“公理”吗?

不管怎么说,我们还是先回到我们现在的主题:费马。

说到费马,我先交待一件事情。由于信息不太畅通或者其他原因,经常会发生这样的事情:一项科学成果几乎同时被两个或几个人研究出来。在笛卡儿和费马之间也发生了这样的事情,这就是发明解析几何的优先权之争。后世的学者,尤其是科学史的学者,在这个问题上争论不休。

这在生活中非常普遍,所以人们使用“专利”来管理这类事情。可是,对于很早以前人们的数学成就的评价就不是那么简单,这主要是因为大家缺乏一个统一的标准。事实上,世界上很多的争吵都是源于缺乏一些公认的权威、统一的标准所致。

法律是一种“标准”,符号也是一种“标准”,标准可以节约大量的社会劳动。

好了,笛卡儿和费马的解析几何之争是怎么回事呢?我知道你已经不耐烦我东拉西扯地说一些比较远的话题了,你急于想知道笛卡儿和费马到底怎么了。在笛卡儿系统地阐述现代解析几何基础的同时,另一位法国数学天才费马也注意到这门学科。费马要求承认是他发明解析几何的理由是:

他在1636年9月给罗伯瓦的一封信中说到,他有这个概念已经七年了。在他死后发表的论著《平面和立体的轨迹引论》中,记载了这项工作的一些细节。在这里,我们见到了一般直线和圆的方程,以及关于双曲线、椭圆、抛物线的讨论。在一部1637年前完成的、关于切线和求面积的著作中,费马解析地定义了许多新的曲线。笛卡儿只提出了很少几种由机械运动生成的新曲线,而费马则提出了许多以代数方程定义的新曲线。这些曲线现在还被称作费马的双曲线、抛物线和螺线。

费马还和别人一起提出了后来被称作阿涅泽的箕舌线的三次曲线;这曲线是以阿涅泽的名字命名的,她是一位多才多艺的妇女,是杰出的数学家、语言学家、哲学家,她还患有夜游症。

这样,在很大程度上,笛卡儿从一个轨迹开始,然后找它的方程;费马则从方程出发,然后来研究轨迹。这正是解析几何的基本原则的两个相反的方面。正如前面说的,这就好像两个人从相对的方向走到一个共同的地方。

费马的著作用的是韦达的记号,因此,与笛卡儿的较为现代的记号相比,有点像古文。

费马在1601年8月17日出生于图卢兹附近,在1665年1月12日死于卡斯特尔或图卢兹。他的墓碑,原来在图卢兹的奥古斯丁教堂,后来移到当地的博物馆;在墓碑上写着上述的死的日期和死时的年龄:五十七岁。 事实上, 不同的作者对费马的出生年有不同的说法, 从1590年到1608年不等。

费马是一个皮革商的儿子,童年是在家里受的教育。三十岁,他得到图卢兹地方议会辩护士的职位,相当于律师。在那里,他谦虚谨慎地干他的工作。他在当律师时,把自己大量的业余时间用于数学研究。虽然他一辈子发表的著作不多,但他和同时代的许多第一流数学家有科学上的通信联系,并且以这种方式给他的同行以相当大的影响。他以那么多的重要贡献丰富了那么多的数学分支,以致曾被称作17世纪最伟大的法国数学家,而这个伟大的数学家还是一个业余数学家。

对孩子强调这点是有益的,因为在孩子将来的一生里,无论做什么工作,保持对科学的兴趣可以使孩子的生活充实而且健康。

的是对现代数论的奠 在费马对数学的多种多样的贡献中,最杰出基。在这个领域中,费马有非凡的直觉和能力。最初吸引费马注意数论的,也许是梅齐利亚克1621年翻译的丢番图《算术》的拉丁文译本。费马在此领域的许多贡献就写在他的梅齐利亚克译作手抄本的页边上。1670年,在他死后五年,这些笔记由他的儿子萨穆埃尔编入《算术》新版(印得不大仔细)发表。许多由费马宣布的未被证明的定理,后来已被证明是正确的。

关于费马,我从来没有准备给孩子讲太多,这主要是因为费马的主要贡献是在数论领域,这对于10岁的孩子还是太抽象了一点。不过,我并没有完全排除数论中的一些比较浅显的概念的熏陶,这种时候,我总是在和孩子玩的时候顺带说上一两句。

有一次,记得是一个星期五的晚上,通常这一天孩子要晚睡一会,这是她撒娇耍赖的时间,孩子躺在她的小床上,缠着我说话。于是我说:“你知道吗,你是一个素数。”

孩子马上问:“什么是素数?”这是我早就预料到的。

“素数吗,就是只能被1和自身整除的数。”

“那么,我怎么成了素数?”

“因为,决定你自己命运的只有那个1和你自己,那个1就是自然灾害什么的, 法律上叫不可抗力,如果不算那个1,剩下的就是你自己了,你自己决定你自己的命运。所以,我说你是一个‘素数’。”

“嘻嘻——我是一个素数,我是一个素数——”女儿撒娇地重复着这句话。

“告诉爸爸,3是什么数?”我趁热打铁地问。

“素数。”

“那么11——”

“素数。”

“21——”

孩子想了想,“不是素数。”

我又连续说了几个两位数的数字,女儿回答差不多都对了。我想今天就到此为止吧。

女儿掉过脸去睡了,闭上眼睛之前还没忘了说:“晚安,爸爸也是一个素数——”

素数,往大了说,是数论里面很重要的内容;往小了说,分解质因数就用得着。后来,有一段时间女儿还特别喜欢在纸上玩素数筛子的游戏。

费马在数论上有里程碑式的贡献。

除了对数论的贡献,费马还是概率论的开创者之一。

前面说过,帕斯卡与费马的通讯联系为概率论奠了基。它是从所谓得分问题开始的:“在两个被假定有同等技巧的博弈者之间,在一个中断的博弈中,如何来确定赌金的划分,已知两个博弈者在中断时的得分及在博弈中获胜所需要的分数。”费马讨论了一个博弈者A需要2分获胜,另一个博弈者B需要3分获胜的情况。这是费马对于此种特殊情况的解,因为,显然最多四次就能决定胜负。

帕斯卡和费马在他们1654年的有历史意义的通信中考虑到有关得分问题的其他问题,例如,当博弈者超过两个时,或两个博弈者的技巧参差不齐时,赌金该如何划分。帕斯卡和费马的这个工作开数学概率论之先河。

概率论是引人入胜的,很难想像的,并且有些令人惊异的是,概率论初期的著作大部分讨论赌博问题。数学家们居然有能力发展这样一门学科——数学概率论,它证明的理性的定律能被应用于纯属机遇的场合。这门学科远不是不实际的:没有概率论,保险公司的决策就没有了科学的依据。事实上,我们每个人每天所作的各种各样的决定都涉及概率问题。

孩子的脑海里一定要有一个坐标系

在我听说过的数学家当中,笛卡儿睡懒觉是出了名的,这样说有欠公允,笛卡儿实际上不是在床上睡觉,而是在床上思考。

我第一次和女儿这样说的时候她就很惊愕地看着我,以为我说错了。

“在这一点上面,好像和你不同,是吧?”

女儿想了想说:“他其实没有睡懒觉。”

“不过,在这一点上,更主要的还是因为时代不同,”我不放心地进一步解释,“也由于身体条件的原因,当然,还有学校在因材施教的问题上有着全然不同的理解。”

“笛卡儿是西方近代哲学奠基人之一。他的哲学与数学思想对历史的影响非常深远。人们在他的墓碑上刻下了这样一句话:‘笛卡儿,欧洲文艺复兴以来,第一个为人类争取并保证理性权利的人。’这样的赞誉使你想到了什么?”

“爸爸,我不懂。”

“没关系,很多问题人们毕其一生都不能完全弄懂,这是一个极限问题。”

“什么是极限问题?”孩子开始刨根问底。

“哦,”我想了一下说,“好比有一个特别大的果园,你可以把你的篮子装满,也还可以帮助别人装满他们的篮子,但是,你没有办法把果园里的果子全摘完。就是说,你在不断地接近摘完的极限,但是,你永远不能到达极限。”我想尽快结束这个讨论,回到笛卡儿的主题上来。

“不过,我们这里主要是谈论笛卡儿的数学,等你再长得大一点,我们肯定有讨论哲学的机会,比如说等你上初中一年级的时候,你可以看看书架上《苏菲的世界》这本书,对于一个10岁的孩子来说,那本书你现在还不会看懂。 ”

“好了,我们还是回到我们的主题吧,我还是觉得笛卡儿对人类的贡献更主要的还是在数学方面。”

“笛卡儿,1596年出生于法国离图尔不远的地方。他八岁进拉弗莱什的耶稣会学校。在那里,他养成了——最初是由于他虚弱的身体——早上睡懒觉的习惯。后来,笛卡儿说,他的大部分成果出自早上休息的那段适宜沉思的时间。8年以后,笛卡儿离开了学校,不久就到了巴黎。如果没有对科学的兴趣和极高的自制能力,很可能会在四处漂泊的时间里慢慢地燃尽生命的蜡烛。还好,笛卡儿不是这样的人。”

“笛卡儿的思想很勤奋——”女儿抓住时机总结。

“对!他在巴黎和梅森、迈多治一起研究数学。到巴黎5年之后,从1617年起,他在奥朗日的莫里斯亲王的军队里当了几年兵。在离开军队之后,他花了四五年工夫外出旅行,到过德国、丹麦、荷兰、瑞士和意大利。然后,他回到巴黎住了两年,在那里他继续进行数学研究和哲学探索,还一度从事光学仪器的制造。随后,他又在荷兰很强盛的时候迁到了荷兰,在那里生活的二十年中,他从事哲学、数学和自然科学的研究。他的主要成果就出在那里。”

“荷兰有郁金香——”

“是的,笛卡儿的科学成就就像郁金香那样美丽。”我真的希望孩子看到郁金香的时候会自然地想到笛卡儿,希望她把笛卡儿和美丽建立一种联系。

“1649年,他勉强地接受克利斯蒂娜女王的邀请到了瑞典。这次旅行非常不幸,几个月后,在1650年初,他因患肺炎死于斯德哥尔摩。那个时候,肺炎是一种非常可怕的疾病,就像今天的癌症和艾滋病一样,很难有人能够逃脱它的魔掌——在荷兰的头四年,笛卡儿写《世界体系》,开始对宇宙作物理的考虑。但是,当笛卡儿听到伽利略受到教会的谴责时,为了谨慎起见,把这部著作抛开了,后来再也没有机会完成它。很快,他转过来写一部关于一般科学的哲学论著,标题是《更好地指导推理和寻求科学真理的方法论》, 有时候人们把这本书简称为《方法论》,该书有三个附录,即《折光》、《气象学》和《几何学》。这本书连同附录发表于1637年。笛卡儿对解析几何的贡献,就在第三个附录中。”

“附录还这么重要!”女儿很少看书的附录,除了英语课本,英语课本的附录有生词表。

“《几何学》是著名的《方法论》的第三个附录,在整个著作中大约占100页,不要笑,这确实是一个很长的附录,它本身又分为三部分。 ”

“哪三部分?”

“第一部分包括对一些代数式几何的原则的解释。你还记得希腊人是怎么看线段的吗?”我没指望孩子回答,马上接着说,“对于希腊人来说,一个变量相当于某线段的长度,两个变量的乘积相当于某个矩形的面积,三个变量的乘积相当于某立方体的体积。三个以上变量的乘积,希腊人就没法处理了。显然,希腊人还没有处理多于三维的多维概念的能力。”

“笛卡儿不这么考虑,他认为:与其把x²看作面积,不如把它看作比例式:1:X=X:x²的第四项,从而,只要X是已知的,x²就可以用适当长度的线段来表达。这样,只要给定一个单位线段,我们就能用线段的长度表达一个变量的任何次幂或任意多个变量的乘积;而当变量的值被指定时,我们就能用欧几里得工具确实地作出那么长的线段来。”

“我一点都不懂。”女儿开始抗议。

“这个问题对于你这样的10岁的孩子来说显得很绕脑子,确实是这样,但对于成年人来说,还是很容易理解。那么让我换个说法,比如,你把X看成3,那么1:3和3:9确实是相等的,这就好比说,我允许你玩游戏的时间延长三分之一和允许延长九分之三的时间是等值的。好,现在你同意笛卡儿的观点了吧。”

“噢——”女儿似懂非懂,嘴唇动了一下。

“我知道你接下来会马上问我一个问题,当然,我很高兴你这种穷追不舍的精神。你的问题是:为什么古希腊人和笛卡儿的看法会有那么大的不同,他们究竟谁对?”

我在回答这个问题之前稍稍停顿了一下,以便女儿更集中注意力,同时也为了使女儿知道,我下面要告诉她的是很重要的事情。

“古希腊人是从几何入手的,自然会将一个数的乘方看成是一个图形的面积。对于笛卡儿来说,他是从算术的角度看待乘方的,所以,一个数的乘方仍然代表一个具体的数,而一旦可以看成一个具体的数,就完全可以把它看成是一个线段的值。”

我随手在纸上画了一个坐标,在纵轴刻度3的地方重重点了一下,然后我问:“3的平方在哪里?”

女儿指了指刻度9那个地方。

“对了。”

“还有其他答案吗?”

“有——”女儿拿过笔来很快地在横轴刻度3和竖轴刻度3的交点处点了一下,“在这里。”

“那么,你再继续想想,如果一个人的出发点不同,或者是观察问题的角度不同,得出完全不同的结论是不是就很正常了?”女儿点点头,似乎明白了什么,“显然,这是再正常不过的事情了。我记得你在大约三年级的时候就学过盲人摸象的寓言故事,其实也就是说的这个道理。”

“那么,现在,我们来回答古希腊的学者和笛卡儿他们之间谁对谁错的问题。”

“都对。”

“对了,你的回答是对的,我已经知道你会这样回答,他们都是对的, 但他们都不全面。 ”

“他们都没到达极限。”女儿活学活用得很快。

“x²意味着面积只是x²所包含的全部意义中的一个特殊的例子,而做为一个线段来看待,也同样是全部含义当中的另外一个特例,它还可以有其他的特例,而且还会很多很多,而所有这些特例加在一起,或者用数学的术语说x²的集合就是x²的全部意义。”

“集合就是全部。”

“是,你知道集合的符号怎么写吗?”我在纸上写下了集合的符号。

“嘻嘻——像是一个躺着的麦当劳招牌。”

这个孩子什么时候能忘了麦当劳呀,我心里暗想。

“作为解析几何的开端,笛卡儿最感兴趣的是:对按运动学定义的曲线求出这样的关系式。如果你学习了解析几何的知识,你就可以用解析几何的关系式来描述你的那艘遥控快艇在咱们小区水景的水面上飞驰而过的轨迹,你会一边操纵遥控器,一边在身边的水泥地上用一个小石子随手写下一个用符号代表的式子。那将是一件多么惬意的事情呀——”

“据说,古希腊人解决了一些特定的简单的运动轨迹问题。但是,没有解决一般问题,笛卡儿的解析几何能解决更为普遍的问题,这充分显示了新方法的优越性,也更具有抽象性。正如你已经知道的,越有抽象性的东西,越具有普遍性。据说,他之所以发明解析几何,正是由于试图解决更普遍的问题。比如笛卡尔的代数方法正是后来求切线方法的雏形,笛卡儿求切线的方法叫‘圆法’,后来牛顿就是以笛卡儿‘圆法’为起跑点而踏上研究微积分道路的。”

“什么是切线?爸爸——”

女儿是生平第一次听到“切线”这个词儿。

“一般的定义是:过圆直径的一端垂直于直径的直线。”我马上用更通俗的语言给他解释,“你可以简单地理解有一个圆球,就算是你放在床下的那个皮球吧。”

孩子很快跑去把那个皮球拿过来。

“你把它放在桌子上。”

孩子把皮球放到桌子上,不让它滚动。

“对于你的那个皮球来说,桌子面就是皮球的切线。”

女儿弯下腰,仔细地看了看。

待孩子直起腰,我接着说:“现在懂了吧——”

其实,所有的数学问题在生活中都可以轻而易举地找到他们的含义,所不同的是,我们在生活中并不用数学语言来描述他们,所以,对于很多人来说,数学就像天书一样的难以理解。很多老师不太善于解决这个问题,这导致一个直接的后果就是学生对数学敬而远之。

笛卡儿《几何学》的第三部分涉及高于二次的方程的解法。我没有和女儿提及,我担心女儿“消化”不了。它用到现在所谓笛卡儿符号规则,即确定一个多项式具有的正根和负根的个数的最大限额的规则。不过,多项式我还是经常和孩子说起。

多项式就是有加减号连接的代数式。我经常把生活中的其他事情用多项式来表示,比如:令a等于勤奋,b等于机遇,那么,a+b=成功,就是一个多项式。

在《几何学》中,笛卡儿确立了用前几个字母代表已知数,用末后的字母代表未知数的习惯用法,X是倒数第三个字母,我们总是用它来表示未知数。说到用X表示未知数,后来还遭到大数学家莱布尼兹的批评,他认为这个X很容易和乘号混淆。确实是这样,我记得我就提醒过孩子写乘号要特别注意。现在,每当我看女儿作业的时候也会为此分心不少,不过,到目前为止,人们并没有改变这个符号的意思。

笛卡儿还引进了我们现在的指数系统——例如,a³,a⁴,等等,其实就是字母或数字右上角的那个像个小犄角的标志,比起韦达表示幂的方法有很大改进。他还认识到在数学里字母可以表示任何量,正的或负的。

解析几何这门学科达到我们现在课本中熟悉的形式是一百多年后的事。坐标、横坐标和纵坐标,这几个术语,像今天在解析几何中那样使用,是莱布尼兹——后面我们还会专门讲述莱布尼兹的故事——于1692年出的主意。

关于笛卡儿的解析几何思想的最初一闪念,有几个传说。其中一种说,它出现于笛卡儿的梦中。

在1619年11月10日圣马丁节前夕,在多瑙河畔扎营的时候,他做了三个异常生动并且连贯的梦;笛卡儿后来说这几个梦改变了他生命的整个进程。他说,这梦向他揭示了“一门了不起的科学”和“一项惊人的发现” , 从而使他的生活目的明朗化并决定将来献身于什么事业。 笛卡儿从不明确地说明这了不起的科学、这惊人的发现是什么;但是,人们相信:那就是解析几何,或代数在几何学中的应用,并且,进而把所有科学归结为几何学。18年后,他在其《方法论》中阐述了他的某些思想,使得人们确信他所梦见的“科学”就是解析几何。

我曾经和女儿说过,我也希望她能做点这样的梦,我说:“但是,你首先要日有所思才行——”

另一种传说能与牛顿看见苹果落地的故事相媲美,说的是笛卡儿最初一闪念是在他注视一只苍蝇在天花板的一角爬行时出现的。

我有一次和女儿聊天的时候说:“我知道你上课的时候经常走神,你曾经亲口告诉我说,你半节课都在看一只在教室里飞的苍蝇,那个时候,你想到了什么?笛卡儿想到的是:只要知道苍蝇与相邻两墙的距离之间的关系,就能描述苍蝇的爬行路线。”

我的女儿有一个很大的问题就是她不能够较长时间地集中注意力。在女儿刚回到我身边的时候,那时候她8岁,我就带她去北京市儿童医院,一番诊断测试之后,医生告诉我说:孩子有多动症,感觉统合也失调,主要是小时候“爬”得不够,这是孩子注意力不能集中的主要原因。好长一段时间里令我非常沮丧。