數學界第一大家族是怎麼吵架的?聊聊伯努利們的兩次經典pk!

2021-01-08 五分鐘學數學

這塊土地被萊茵河穿過與黑森林接壤,這裡是球王費德勒的故鄉——地傑人靈的瑞士城市巴塞爾。早在17世紀這裡就是歐洲大陸的政治文化重鎮,坐擁著當時歐洲一流的巴塞爾大學。那個時代的微積分在牛頓和萊布尼茨的調教下正蓬勃發展,天時地利造就了歐洲第一數學家族伯努利家族,而約翰伯努利和雅各布伯努利無疑是其中的翹楚,但數學的疆場上只容得下一個王者。伯努利vs伯努利的戰爭就這樣拉開了序幕!

作為第十子的約翰比雅各布小12歲,不得不說約翰走上數學的道路是受了哥哥的影響。但隨著約翰的羽翼豐滿,兩人在數學上的研究從互相幫助的良性關係變成了劍拔弩張的競爭。

雅各布

在兩點之間掛一條繩子或鐵鏈形成的曲線方程是什麼?雅各布發問了。並得到了惠耿斯,尼布萊茨,約翰伯努利的回答,他們都成功地用微積分證明懸鏈線是一條雙曲懸鏈函數,這成了兄弟矛盾激化的導火索。哥哥的問題不僅被弟弟破解了,約翰還在與友人的信中宣稱:雅各布執著的認為懸鏈線是一種拋物線,這大錯特錯。超越方程與代數方程簡直有天壤之別,雖然我們不知道雅各布是否犯了這樣的錯誤,但伽利略曾經錯誤地認為懸鏈線是一條近似的拋物線。

伽利略

之後約翰放了一個大招,僅在重力下,物體從點A降到點B的各種曲線中,哪條曲線經歷的時間最短?這就是最速降線問題。早在伽利略時期他老人家就知道直線是最短並非時間的曲線並猜測圓弧是最速降線,可惜他老人家又錯了。即便偉大如伽利略,也是凡人也會犯錯。悄悄告訴你吧,伽利略還曾認為圓周運動是慣性運動呢!

約翰巧妙地利用了費馬原理將力學問題變成了光學問題,通過械能守恆定律和斯涅爾定律解決了這一難題。相比於約翰的簡潔,雅各布的解法很是繁瑣。簡單來說他先假設有一條最速降線f(x),下降曲線就可以表示為最速降線f(x),與一個端點值為0的擾動μ(x)的和。雖然看似條件變多,但數學的神奇就在於最終的結果並不依據於μ(x)的選取。約翰嘲笑哥哥解法的笨拙,並認為自己的方法最佳,但實際上約翰的方法並不具有普適性。而雅各布的解法大巧不工,在其後的數學歷史上被凝練為變分法,並在漢密爾頓方程,拉格朗日力學,統計物理,最優控制理論中大放異彩。

雅各布bonul

這場兄弟戰爭在1705年,被雅各布單方面叫停了,這一年雅各布死於痛風,並把巴塞爾大學教授的位置留給了他的弟弟約翰。但約翰心中的火焰並未被熄滅,他轉而將天賦異稟的兒子丹尼爾作為假想敵。這導致了丹尼爾為了避開父親的研究選擇了數學和物理的結合部,並在流體力學方面成為一代宗師。

丹尼爾伯努利

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    概率論中的伯努利試驗與大數定理也是他提出來的。雅各布·伯努利1654年12月27日生於瑞士巴塞爾,1705年8月16日卒於同地.。雅各布 · 伯努利出身於一個商人世家。他畢業於巴塞爾大學,1671年獲藝術碩士學位,後來遵照父親的意願又取得神學碩士學位,但他卻不顧父親的反對,自學了數學和天文學.。
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    其中,瑞士的伯努利(也譯作貝努力)家族最為突出。伯努利家族原籍比利時安特衛普,1583年遭天主教迫害遷往德國法蘭克福,最後定居瑞士巴塞爾。伯努利家族3代人中產生了8位科學家,出類拔萃的至少有3位;而在他們一代又一代的眾多子孫中,至少有一半相繼成為傑出人物。伯努利家族的後裔有不少於120位被人們系統地追溯過,他們在數學、科學、技術、工程乃至法律、管理、文學、藝術等方面享有名望,有的甚至聲名顯赫。
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    雅各布·伯努利(Jakob Bernoulli‎,1654-1705),伯努利家族代表人物之一,瑞士數學家。1678年和1681年,雅各布·伯努利兩次外出旅行學習,到過法國、荷蘭、英國和德國,接觸和交往了許德、玻意耳、胡克、惠更斯等科學家,寫有關於彗星理論(1682年)、重力理論(1683年)方面的科技文章。1687年,雅各布在《教師學報》上發表數學論文《用兩相互垂直的直線將三角形的面積四等分的方法》,同年成為巴塞爾大學的數學教授,直至1705年8月16日逝世。
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