歐拉
萊昂哈德.歐拉(Leonhard Euler, 1707 - 1783),生於瑞士,是人們公認的,十八世紀最優秀的天才數學家。他的父親是牧師保羅.歐拉(Paul Euler)。保羅希望萊昂哈德能從事神職工作,而萊昂哈德亦順從他的意思,修讀神學及希伯來語。
但是,曾經教授老歐拉數學的伯努利(Bernoulli),意識到數學界將會失去一個奇才,於是便勸保羅允許萊昂哈德放棄神職工作而去鑽研數學。這才使到數學進入一個新紀元。
萊昂哈德.歐拉不久便離開瑞士,到柏林和聖彼得堡去了。在1727年,他發表了他的首篇論文:有關船桅定位的論文。
當時的當權者極需要學者去解決應用數學問題。歐拉在俄國沙皇處開始他的數學生涯。隨後到了柏林,最後又回到俄國女皇那裡渡過其餘下的歲月。
歐拉有令人難以置信的直覺和記憶力。據說他能夠在腦海裡列出一大堆完整無缺的算式而毋須寫在紙上。故被譽為『分析的化身』。有一趟,他的兩位學生在做一個極複雜的計算,可是他們的答案在第50個位有所偏差。歐拉將整個計算心算了一遍,結果找出了那個錯誤。
歐拉被譽為能解決任何問題的人。有一次,有個哲學家兼無神論者狄德羅(Denis Diderot)意圖令俄國人變成無神論者。俄國女皇葉卡捷琳娜請曾修神學的歐拉中止他的主意。於是便出現了一場神學辯論。歐拉在女皇及群臣之中宣佈:
『先生,,因此上帝存在;請回答!』
由於狄德羅不諳代數,無法與這位全歐洲最偉大的數學家辯駁,於是憤而離開俄國,返回巴黎。歐拉又重新研究神學,並提出了幾個關於上帝本性及人的靈魂的模擬證明。
一個更為燴炙人口的問題,便是『哥尼斯堡(K>o>nigsberg)七橋問題』。這城市建在普雷格爾河邊(如圖)。
當地的居民便想道:『我們可否設計一個行程,能穿越所有七條橋而毋須重複走過一座橋?』但是他們試了很多次都失敗了。於是他們便請歐拉為他們找出一條成功的路線。歐拉也找不出這條路線,但他卻成功地證明了不可能有這樣的一條路線。
他巧妙地將地圖簡化,把陸地記為點,河流則記為線(見圖)。一點連有奇數條線的叫『奇數點』,而一點連有偶數條線的叫『偶數點』。他論證說,為了進行一次成功的旅程,一個點應連有偶數條線。原因是:一個人必須由一座橋進入而以另一條橋離開,除非該陸地是起點或終點。在旅程開始時,那人衹需用一條橋離開;旅程完結之時,亦僅用一座橋讓他進入。也就是,在起點與終點不同的情況下,有兩點是奇數點。當起點與終點相同,則所有點均是偶數點。
歐拉於是作出結論:對於任何網絡,如果所有點都是偶數點,或只有兩點是奇數點,那麼才可以『一筆畫』。在哥尼斯堡的情形,四點都是奇數點--三點連有三條線,和一點連有五條線。就是這樣,歐拉以這個簡單而絕妙的方法圓滿地解決了七橋問題。
七橋問題不但激發歐拉去尋找一條關於任何網絡的基本定理,還導致一個數學分支的產生--拓撲學(topology)。這條基本定理就是『歐拉網絡公式』:
V + R - L = 1
其中V代表網絡中交點/頂點的個數,L代表網絡中連線的條數,R代表區域數(即圍成部分的數目)。
例如右方的『火柴人』,明顯可見,V = 6,L = 6,R = 1(因只有一個圓形)。代入歐拉公式,6 + 1 - 6 = 1。
至於有關的證明則從略。
『eix = cos x + i sin x』,或者是『eip + 1 = 0』,是否似曾相識呢?又或是反問:甚麼是e?這條著名的,巧妙的方程便是『歐拉方程』(Euler's Equation)。
它的巧妙之處,在於將算術最重要的 1 和 0,歐氏幾何學中的 p(下次詳談),複數的根本 i 和自然對數 e 五大種數共冶一爐。在此,本人先簡略介紹 i 和 e。
i 的定義:i2 = -1 (切記:不是 i = (-1)的平方根)。
i 的基本特性:| i | = 1;arg(i) = p/2。
e 的定義:[1+(1/x)]x,x趨向無限大。
e 的基本特性:如果 f(x) = ex,f'(x) = ex = f(x);如果 f(x) = loge x,f'(x) = 1/x。
以下便是『歐拉方程』的證明:
歐拉的成就當然沒有這麼少,但礙於篇幅及本人的知識,故無法盡錄。
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