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1665年伦敦瘟疫时期的牛顿遇见数学 [复制链接]

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剑河上的牛顿桥

年,牛顿如愿以偿,成为剑桥大学三一学院的学生。牛顿如饥似渴,古希腊哲学家柏拉图、亚里士多德以及同时代哲学家和科学家笛卡儿、伽桑狄、霍布斯、波义耳、伽利略、开普勒等的著作如甘泉般滋润着他的心灵,为他提供丰富的思想养料,并促进他的独立思考。年,他在自己撰写的题为《哲学的若干问题》的小册子中写道:“柏拉图是我的朋友,亚里士多德亦是我的朋友,但我最好的朋友是真理!”

刚进剑桥的时候,牛顿的数学知识少得可怜。大二时,他在剑桥大学附近的集市里买到一本有关占星术的书,但书中的数学内容使他如坠五里云雾。为此,他想从一本三角学著作开始学习数学,但由于缺少几何知识,他还是裹足不前。或许是在他的恩师、刚刚担任三一学院卢卡斯数学教授的巴罗先生的建议下,他开始阅读《几何原本》。从此,他逐渐走进数学世界。前辈数学家的著作为他学习和研究数学创造了良好的条件。年,他的校友、国王学院毕业生奥特雷德出版《数学之钥》;年,荷兰数学家舒腾编辑出版《韦达数学全集》;年,舒腾又出版笛卡儿《几何学》的拉丁文版(年再版);年,牛津大学萨维利几何学教授沃利斯出版《无穷算术》。

自然哲学之数学原理()

牛顿不断从这些数学著作中获取灵感,有理数指数情形的二项式定理就是其中的典型一例。沃利斯在《无穷算术》中获得了一系列曲线

下的面积(在[0,x]上),它们分别为

我们今天有了二项式定理和定积分知识,很容易得到上述结果。但是,牛顿上大学以前,对正整数情形的二项式定理一无所知,虽然帕斯卡早在年就写好了《论算术三角形》,但该书的出版却是在帕斯卡去世之后的年。但观察沃利斯的结果,牛顿马上就发现了面积表达式中的规律(按照升幂的顺序):

·各项系数的符号交错出现;

·各项系数的分母为奇数1,3,5,7,…;

·第二项系数的分子为等差数列1,2,3,4,…;

·各项系数的分子依次对应于为11的乘方的各位数,即对应于以下数表中每一行:

1

11

……

·若第二项系数的分子为n,则以后各项系数的分子分别为

牛顿马上将上述规律类比到以下曲线下的面积:

分别得到

牛顿又把上述规律类比到更多的曲线,如

在得到上述规律之后,牛顿马上得出原函数的无穷级数表达式:

一般地,牛顿得到

这样,牛顿在数学史上首次将二项式定理推广到一般有理数指数的情形。如果说帕斯卡为正整数指数幂情形下的二项式定理划上了句号,那么,牛顿则完全超越了他的前辈,书写了二项式定理的崭新篇章。牛顿二项式定理在数学上是如此重要、如此著名,以致在牛顿去世之后,有好事者猜测该定理会被刻在他的墓碑上(事实上并没有)。

伦敦瘟疫

丽塔.格雷尔油画“大瘟疫”

年4月,牛顿获得了学士学位。正当牛顿踌躇满志、继续向剑桥大学三一学院研究员的目标迈进之际,一百公里以外的伦敦爆发瘟疫的坏消息不断传来。瘟疫从伦敦城的外围迅速蔓延到了市中心,每周的死亡人数不断攀升。丹尼尔.笛福说得好:“瘟疫像一场大火,如果起火的地方只有几座房屋受牵连,那就只会烧毁几座房屋;如果是在单幢房,或者按我们的叫法是在孤房里烧起来,那就只会烧毁那座起火的孤房:但如果是在一座建筑密集的市镇或城市里烧起来,到了紧急关头,火势越来越猛,那它就会在这整个地方蔓延开来,然后将所到之处吞噬殆尽!”到夏天,疫情肆虐达到了顶峰,不仅使整座伦敦城笼罩在死亡的阴影中,而且对伦敦周围地区构成了巨大的威胁。关闭学校、返乡隔离的通知下达到了剑桥大学的每一个学院。

回到故乡

乌尔索普村牛顿家的房子

牛顿收拾行囊,回到了故乡——林肯郡的乌尔索普村(今属格兰瑟姆市)。牛顿家的房子是他祖父于年购得,给生于斯长于斯的牛顿留下了许许多多童年和少年时代的回忆。母亲在第二次婚姻中给他增添了同母异父的一个弟弟和两个妹妹。十四岁时,继父(一位牧师)亡故,母亲带着三个孩子回到乌尔索普。彼时,牛顿在离家八英里的格兰瑟姆文法学校读书,但母亲却希望牛顿能够好好务农,承担持家重任,并不可思议地让他中途辍学!对农事了无兴趣的他,身上哪有一星半点的农夫基因?每到周末,母亲就让一位老仆人陪伴他去格兰瑟姆的市场上出售一些农作物,并购买一些生活必需品。但他压根儿就不适合做买卖。有时牛顿偷偷溜回学校宿舍,有时会蹲在篱笆边,忘我地看书。他还在一场暴风雨中,做了一次测量风力的实验。在叔父(曾经的剑桥高材生)的关心之下,他才回到格兰瑟姆的课堂,并以就读剑桥大学为目标。

避疫期间

昆丁.布雷克插画作品:苹果树下牛顿

我们可以想象,避疫期间的牛顿,活动范围不会很大,和家人的交流也不会很多,基本上就在自己家里读书、静思、写作。大疫关闭了大学校园,却关闭不了牛顿的精神世界!

在避疫的两年时间里,牛顿在数学、光学和力学领域取得了重要突破。在微积分方面,牛顿于年构想了“流数术”。我们今天所说的函数,被牛顿称为“流量”(注意,不是我们今天所说的手机“流量”哦);函数的导数,被牛顿称为“流数”。“流数”的概念似乎源于物理学中的速度概念——“流量”流动的速度就是“流数”。牛顿通过在表示“流量”的字母上方加一点来表示该流量的“流数”。假设“流量”是,则其“流数”为

显然,牛顿所求的“流数”就是我们今天所说的“导数”。牛顿将上述比“初生量的初始比”或“消失量的终极比”。由于牛顿没有严格的极限概念,所以上述求流数的方法并不严谨,以致日后受到贝克莱大主教的激烈批判。另外,由于返校后没有及时发表他的“流数术”,导致日后他与莱布尼茨之间无休止的微积分发明权之争。

构想了“流数术”之后,牛顿将它应用于求曲线的切线和曲率。我们相信,在乌尔索普老家,牛顿关于微积分的思考远远不止“流数术”,因为他同时也在思考:如何根据“流数”来求“流量”。在“流数术”的应用过程中,牛顿很可能还悟出,前辈数学家眼中风马牛不相及、需要采用不同技巧才能加以解决的求切线问题、求最大值和最小值问题,都可以统一采用同一种分析方法;求切线问题和求面积问题所需要的不过是互逆的两种运算而已。近两个世纪之后,在遥远的东方,中国数学家李善兰在学习微积分之后,不禁发出如下赞叹:

由是,一切曲线、曲线所函面、曲面、曲面所函体,昔之所谓无法者,今皆有法;一切八线求弧背、弧背求八线、真数求对数、对数求真数,昔之视为至难者,今皆至易。呜呼!算术至此观止矣,蔑以加矣!

微积分是数学史上最重要的发明,它使数学这门古老的学科插上了腾飞的翅膀,使其以前所未有的速度向前发展;同时,它为人类认识世界、解决不同知识领域中的难题提供了一把万能钥匙。微积分能够帮助我们更深刻地理解什么是“积微成著”,什么是“水滴石穿”,什么是“失之毫厘,谬以千里”,什么是“一寸光阴一寸金,寸金难买寸光阴”,什么是“一沙一世界,一花一天堂,双手握无限,刹那是永恒”。

如果把人的成就比作“流量”,那么他经过每一瞬间“ο”之后,这“流量”的增量与这个“ο”的比值,正刻画了人生的“流数”,即一个人进步的速度。

牛顿在乌尔索普的第二项重要发现是太阳光的分解。从亚里士多德时代开始人们就一直相信,太阳光是纯粹的单色光。年,牛顿从附近集市上买来三棱镜,并进行光学实验——后来成了科学史上最著名的实验之一。通过暗室中的三棱镜实验,他惊奇地发现,太阳光被分解成了红、橙、*、绿、蓝、靛、紫七种不同颜色!我们完全可以想象,牛顿的书房不知不觉成了他实施科学探究的实验室。

德国邮票上的牛顿与三棱镜实验

牛顿的第三项发现因苹果落地的故事而广为人知:在乌尔索普的一棵苹果树下,一只苹果从树上掉下来,激发了牛顿关于万有引力的灵感。当然,也有人怀疑故事的真实性,包括19世纪著名数学家德摩根;但更多的人都相信故事是真实发生过的:在那宁静的乡间,习惯于在苹果树下思考问题的牛顿,突然听到一只苹果落在地上发出声响,因而思索苹果落地的原因,最终彻悟宇宙的普遍规律。如果换一个人,换一个时间,一个生活在5G时代、对自然界的秘密毫无好奇心的庸人在苹果树下用苹果手机刷着

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