“历史上少有的通才”莱布尼茨与他的数学世界

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“历史上少有的通才”莱布尼茨与他的数学世界

原创 遇见数学 遇见数学 2024-02-25 16:18 河南


莱布尼茨，「遇见数学」Midjourney下绘制

17 世纪戈特弗里德·威廉·莱布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz）在数学的宏伟历史长河中有着着举足轻重的地位。这位多才多艺学者的成就不只数学领域，在哲学、逻辑学、法学、语言学和技术发明等领域也有着独特的贡献。作为历史上少有的通才，莱布尼茨留下了丰富的知识财富，对后世有着持久的影响。

在本文中，我们将一起探索莱布尼茨的数学世界，快速了解他在微积分、代数和几何等领域的突出贡献。

提出了函数概念

莱布尼茨于 1692 年至 1694 年间首次明确地引入了“函数”这一概念，为现代数学语言奠定了重要基石。虽然在当时，函数的思想已经在三角函数和对数的使用中隐约显现，但莱布尼茨是第一个正式用函数来阐释由曲线生成的几何性质，包括横坐标、纵坐标以及曲线的切线、弦线和垂线等。他的这一定义开启了函数从纯几何描述向更加抽象数学概念的转变。到了 18 世纪，这一概念的演变已经超越了几何学的范畴，以更通用的数学工具存在。

精算学与形式逻辑的奠基人

莱布尼茨同样是精算科学的奠基人之一，他对养老金的购买价格和国债的清偿这些实际问题进行了深入的计算。

他的数学造诣与他在形式逻辑的研究紧密相连，而这方面的探索也在他的著作中得到了展现。

机械计算器的早期发明者

莱布尼茨无疑是一位真正的创新者。作为机械计算器的早期发明者之一，他的这一发明彻底改变了人类处理数字的方式。


仿制的莱布尼兹步进计算器收藏于德意志博物馆。由 User:Kolossos - recorded by me in de:Technische Sammlungen der Stadt Dresden (with photo permission)，CC BY-SA 3.0

莱布尼茨关于计算工作的观点还体现在下面这句名言当中：

“优秀的人们不应像奴隶一样在计算中浪费时间，如果使用机器，这些工作完全可以委托给其他人。”

线性方程组的解法

莱布尼茨以一种独到的方法处理线性方程组，他将线性方程组的系数排列成一个数组（这在现代被称为矩阵），并且通过余子式计算行列式（现称为莱布尼茨公式）来解决方程组。这种基于行列式解决线性方程系统的方法是莱布尼茨在 1684 年所发现，该研究为行列式的理论奠定了基础。克拉默在 1750 年发表的研究克拉默法则，实际上也在他的研究之内。

值得注意的是，虽然莱布尼茨的工作为矩阵理论的发展奠定了基础，但“矩阵”的概念在莱布尼茨的时代并未完全形成，这个词是在 19 世纪由詹姆斯·西尔维斯特引入，而矩阵理论的系统化发展则主要发生在 19 世纪和 20 世纪。另外，日本数学家关孝和也独立于莱布尼茨发现了行列式。

几何学的贡献

莱布尼茨公式和 π 的美妙关系

“圆，最简洁的表示方法便是用这个交替相加相减的级数。” ——莱布尼茨

在莱布尼茨的几何学贡献中，有一项与 π 有关的公式尤为引人注目：

莱布尼茨的这个公式提供了一个令人惊叹的方式来理解和计算 ，这是几何与分析数学交汇的一个绝佳示例。



虽然这个级数以其简洁的形式著称，但要达到较高精度，就需要计算更多的项。具体来说，要使 π/4 的计算精度达到小数点后六位，就要计算大约一千万个级数项。这一事实揭示了级数求和在数值分析中的挑战，以及寻找更快速收敛级数的重要性。

对直线定义的更深入思考

莱布尼茨在试图证明平行公设的同时，也对直线的定义进行了深入的思考。虽然大多数数学家将直线定义为两点之间最短的直线，但莱布尼茨认为这只是直线的一个属性，而不是定义。

他把切线定义为连接曲线上无限接近的两点的直线，这段无限小的距离可以用两个相邻变量值之间的微分或差来表示。这种通过引入切线，对直线的理解和定义，人们得以精确地分析并描述动态变化过程，为微积分的发展提供了重要的基础。

微积分的共同创立者

微积分作为数学的重要工具，其创立归功于两位数学巨擘：莱布尼茨和牛顿，这两位数学家在 17 世纪分别独立地构建了微积分的基础理论。

莱布尼茨的贡献在于提出了微积分中若干核心原理，如链式法则、乘积法则和商法则，这些至今仍构成微积分课程的教学基础。他的方法基于无穷小量的概念，这些量虽然接近零但不等于零，可以进行四则运算，因缺乏严谨的数学定义和证明，这在当时的数学界引起了广泛的辩论。直到 20 世纪 20 年代，数学家亚伯拉罕·罗宾逊通过非标准分析的创立，为莱布尼茨关于无穷小量的直觉理解提供了坚实的数学基础。



在莱布尼茨的日记中，我们可以追溯到他的一个微积分中的关键性突破，发生在 1675 年 11 月 11 日，当时他利用积分法计算了函数 y = f(x) 下的区域面积。

他引入的符号—积分符号 ∫（源自拉丁文“summa”的长形‘S’）和微分的 d（源自拉丁文“differentia”）—已成为全球数学符号的标准。值得注意的是，尽管莱布尼茨的微积分理论成果是在 1684 年才首次公开发布的。

在 1693 年的论文《Supplementum geometriae dimensoriae》中，莱布尼茨通过图示清晰地展示了积分和微分之间的反向关系，这个关系后来被精确地定义为微积分的基本定理。

值得一提的是，苏格兰数学家詹姆斯·格雷戈里最早以几何方式发现了这个定理，艾萨克·巴罗则证明了该定理的一般形式，而牛顿则发展出了支持微积分理论的理论框架。

随着莱布尼兹采用形式化方法和新符号进行的发展，这一概念变得更加明晰。微分中的乘法规则至今仍被称为"莱布尼茨定律"。此外，一个描述如何以及何时在积分符号内取微分的定理，被称为莱布尼茨积分规则。

拓扑学上的先驱

莱布尼茨是首位使用‘analysis situs’这一术语的学者，该词在拉丁语中意味着“位置的分析”，后来演化成今天所说的拓扑学。

莱布尼茨认识到了数学中形状和位置关系的重要性，特别是它们在空间变换下的不变性。在 1674 年，他在给克里斯蒂安·胡根斯的信件中最早提出这个想法，强调了形状和空间之间关系以及它们在变形时的不变特性，这正是现代拓扑学研究的核心思想。

然而，莱布尼茨的这些早期构想未能即时发展成为成熟的理论框架。尽管如此，他的研究所散播的概念种子，在 19 世纪中叶随着拓扑学的正式发展而开始萌芽。我们可以说，莱布尼茨的思想间接地为拓扑学的诞生提供了理论基础。

结语

莱布尼茨的贡献不仅只是在数学领域，还跨越了哲学、历史、政治等许多领域，他的思想和发现对整个西方文化产生了深远的影响。他的微积分理论，以及对拓扑学和哲学的贡献，使他成为一位真正的多个科学领域天才，研究成果和思想至今仍在启发和影响着我们的世界。

参考资料

https://en.wikipedia.org/wiki/Gottfried_Wilhelm_Leibniz
https://en.wikipedia.org/wiki/Leibniz_formula_for_π