学习欧拉吧,在任何意义上,他都是我们所有人的大师( 四 )


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学习欧拉吧,在任何意义上,他都是我们所有人的大师

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他先向我们展示了这一等式: 接着说明了这条公式的几何含义:如果 γ 是负数,我们将得到一个椭圆;如果 γ=0,则会出现一条抛物线;如果 γ 是正数,则是一条双曲线 。然后,他将整个论证过程扩展到三维的二次曲面上,并对一共出现的 7 种情形进行代数研究,在此过程中他发现了双曲抛物面 。
引论中另一个有趣的话题就是“整数分拆”(Integer partition) 。如莱布尼茨致伯努利的信中所述,将一个正整数表示为若干个正整数的和共有几种方案?
令 p(n) 表示无序拆分的方案个数——例如 p(4)=5,对应于下面五种拆分方案: 4,3+1,2+2,2+1+1, 1+1+1+1。
由此,我们可以绘制一个数值表,但是如何得到 p(200) 的划分数为3972999029388呢?
为了找到 p(n) 的值,我们不如使用欧拉在引论中所用的五边形数定理,通过迭代得出 :


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直到现在,这仍是得到 p(n) 最有效的方法 。
在引论中有所记载,关于“整数分拆”有一个奇妙的结论 。当拆分成的数都是奇数时,例如在这样情况下,整数 9 有八种拆分方案:?


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当拆分成完全不同的数时,同样是 9,也恰好有八种拆分方案:?


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欧拉运用“母函数”(Generating function)证明,对于任何数字,拆分成的数都是奇数的方案数,等于拆分成完全不同的数的方案数,这是一个有趣且意想不到的结论 。
在欧拉于1750年致哥德巴赫的一封信中,他提及了当时的另一个研究领域 。他一直在观察立方体及棱柱之类的简单多面体,并发现简单多面体的顶点数(V)、面数(F)、边数(E)之间始终存在一个关系式 F-E+V=2:


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▲ [遇见] 2020数学台历
例如,上图的正六面体有 6 个面,8 个顶点和 12 条棱,则有 6 + 8 = 12 + 2,这一关系对于任何以平面为边界的实体都成立 。这一定理曾被误认为是笛卡尔发现的,但后来人们并未找到笛卡尔为了推导出它使用的术语和动机:实际上,是欧拉引入了边的概念 。但是,欧拉的证明不够完整——40年后,代数学家和数论学家勒让德(Legendre)给出了完整的证明 。
欧拉最受欢迎的畅销书是《致一位德国公主的信》(Letters to a German Princess) 。欧拉一直是一位思路清晰的写作者,这是当他应邀为安哈尔特·德绍公主函授基础科学课程时撰写的一系列杰作 。这卷书囊括了200多封欧拉的书信,与科学相关的话题论及重力、天文学、光、声音、磁、逻辑学等方面 。他写了为什么天空是蓝色的,为什么月亮升起时看起来更大,为什么山顶寒冷(甚至在热带地区也是如此),以及“人与动物的导电”等等 。此书堪称有史以来最好的科普书之一 。


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▲ 1769年版《致一位德国公主的信》第一卷封面(图自维基)
1755年,欧拉完成了他在柏林创作的最后一本关于微积分学的巨著《微积分概论》 。这本书包含了所有最新的研究成果,其中很多理论的诞生都要归功于欧拉 。书中根据函数的基本概念介绍了微积分——毋庸置疑,正是欧拉引入了 f(x) 函数的记法。除此之外,他还引入了 ∑(求和符号),i(-1的平方根)和 e(自然对数的底数)等符号,尽管“π”最初由威廉·琼斯(William Jones)于 1706 年提出,但却是经过欧拉的倡导才得以广泛流行 。1768 年至 1770 年间,他在微分研究的基础上继续深入,发表了三册有关微积分的论文 。
重返圣彼得堡1766 年,59 岁的欧拉应叶卡捷琳娜二世之邀回到圣彼得堡,在经历了与腓特烈大帝相处的诸多不快后,这一邀请令他备感宽慰 。多亏了开明的女皇,圣彼得堡的情况大有好转,欧拉在那里也得到了皇室规格的招待 。他继续满怀热情地工作,很快就在纯粹几何学上获得了可喜的成果:在任意三角形中,都有三个特定点 。第一个是垂心——从三角形的各个顶点向其对边所作的三条垂线的交点;第二个是重心——三角形的三条中线的交点;第三个是外心——三角形外接圆的圆心 。通过坐标计算,欧拉证得了一个相当漂亮的结论:这三个点始终位于一条直线上(后人称之为三角形的欧拉线),并且重心恰好位于另外两点距离的三分之一处 。