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最速降線問題(4)

數學史家E·T·貝爾說:“詹姆斯·伯努利(就是雅各布·伯努利)的非凡價值在於——他認識到,從無數曲線中選出一條有給定的最大值和最小值的曲線,這是一種不能用微分解決的新問題,需要發明新方法。這就是變分法在數學上的起源。”

變分法是某種廣義的微積分。它尋求找到給定的有固定值的方程的軌跡、曲線、曲面。在物理問題中,變分法通常用來求最大值和最小值。

儘管貝爾認為雅各布是這種形式微積分的開創者,但這個說法值得商榷——爭論似乎困擾著伯努利家的一切,這是又一個例子。著名學者莫里斯·克萊因同意貝爾的說法,他說,雖然兩種解法被證明都有些超前,但在這方面,雅各布的解法更甚。

但是約翰的解法建立在費馬的最小作用量原理上,確實指出了這個問題的解決方向。其他人認為約翰更應該得到這項榮譽。一部重要的數學原始資料的編輯大衛·尤金·史密斯(David Eugene Smith)寫道:“一般都認為,變分法起源於讓·伯努利(就是約翰)對最速降線的解決。”史密斯的論據圍繞著這樣的事實:約翰“在一般變分法較簡單的問題上,提出了在大體上即使不精確但也是很全面的觀點。”

數學史家斯圖爾特·霍林代爾(Stuart Hollingdale)立場更堅定:“正是讓·伯努利引導尤拉研究了變分法。”

這裡的一個麻煩在於:問題的焦點是,大家說的是約翰的哪個解法——形勢再次不明朗了。J·J·奧康納(J. J. O'Connor)和E·F·羅伯特森(E. F. Robertson)為一個數學史網上論壇寫過一系列關於伯努利兄弟的文章,他們爭辯說:約翰後來找到了一個巧妙的解法,該解法利用了布魯克·泰勒(Brook Taylor)的一個成果,發表於1718年。史密斯認為不是這樣的,“這種直接的解法在萊布尼茲和約翰於1696年往來的幾封信裡都提到過,也在萊布尼茲發表在《博學學報》5月號上關於懸鏈線問題的評論裡提到過。”

史密斯承認“這個解法直到1718年才發表,那時雅克(即雅各布)和萊布尼茲都已經去世了。”但他爭辯說:“很顯然,有人認為這是事實,他們相信讓剽竊了他哥哥雅克,為的是使他哥哥關於獲得了又一個解法的宣告落空。讓自已聲稱之所以延遲發表他的第二個解法,是遵照了萊布尼茲在1696年給他的勸告。”

作為反駁,霍林代爾辯解道:“然而在尤拉涉足這個課題前,還沒有通用的解法。”換句話說,伯努利兄弟用這種方法只解決了某些特殊問題,如最速降線。尤拉在1732年左右開始研究這個領域,他更熱衷於找到一個通用的理論。但是,我們今天看到的這項成果的形式是另一位偉大的數學家約瑟夫-路易斯·拉格朗日(Joseph-Louis Lagrange)提出來的。

在變分法的起源上,拉格朗日怎麼看?史密斯認為:“在變分法的開創工作上”,他(拉格朗日)強調“讓扮演的角色和雅克同樣重要”。

我們追溯得太遠了。好了,讓我們接著開始的話題講。

霍林代爾加進了一個有趣的觀點:“物理學家以及18世紀的科學家把‘最小作用量原理’作為自然科學研究的指導性原則加以應用,有力地推動了變分法的發展。”

具有諷刺意味的是,這個原理也有強大的理論支援。尤拉說,“既然宇宙的構造和最睿智的造物主的作品是最完美的,那麼宇宙中發生的事沒有不符合最大值或最小值法則的。”看到這裡,人們的腦海裡再一次浮現出約翰對費馬最小作用量原理的運用。

無論如何,當伯努利兄弟發現擺線也是最速降線問題的答案時,他們既驚訝又高興。約翰在他的文章中寫道:“帶著欣賞,我們敬佩惠更斯,因為他首先發現,一個重質點沿著一條普通的擺線下降時,無論它從擺線的什麼地方開始下降,所用的時間都是一樣的。但是,當我告訴你就是這個擺線,也就是惠更斯的等時曲線,恰恰就是我們要求的最速降線時,你一定會驚呆的!”後來,他再一次提起了這個想法:

惠更斯的等時曲線與我們的最速降線出人意料地一致,在下結論之前,我抑制不住想表達這個驚喜……因為,正如自然習慣於用最簡單的方式超前發展,這裡它也用一個曲線發揮了兩種作用,儘管在任何其他的假設中,兩條曲線將是必需的,一條是等時擺動的,另一條是最快下降的。比如,如果下降物體的速度不隨高度(下降透過的)的平方根而隨它的立方根變化,那麼,最速降線的表示式將是代數式,而另一方面,等時曲線(就將是)超越式的。

在雅各布關於最速降線論文的最後,他列出了可以用他的方法解決三種其他問題,第三個是“找出不同的等周形”。這個問題的起源可以追溯到古希臘以前的時期。從根本上來說,它尋求找到給定周長的平面封閉曲線中哪種圖形的面積最大。雅各布構思了一個複雜的例子,並指名道姓地向約翰發出挑戰。他甚至懸賞50杜卡特,如果約翰能在年底或6個月後解決這個問題,就可以得到這筆錢。

現在,雛鷹真的開始展翅高飛了。

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