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数学家的思维曲线 精选

已有 8143 次阅读 2009-12-18 08:57 |个人分类:数学|系统分类:科普集锦

 
 
 
柯南道尔在《三个大学生》里描述了人在用心时的踱步:  
“很好。现在,索莫斯先生,如果您愿意,我们想在庭院里走走。”
 
天色越来约暗,三个窗户的灯光从楼上照着我们。
 
“您的三只小鸟全都回窝了,”福尔摩斯抬头看着上面说。“喂!那是什么?好像有一个坐立不安呢。”
 
是那个印度人,他黑魖魖的轮廓突然出现在窗帘上。他正在屋里急促地来回踱步。
 
……
 
“……为什么他总在房间里走来走去呢?”
 
“那没什么。很多人在用心的时候都是那样的。”
 
借福老师的话,我们引出数学家的思维曲线。那大概也是众多思想者的足迹,不过是数学家发现的。下面的材料是数学史家Howard W. Eves整理的,见《数学圈》第二卷(Mathematical Circles Squared, MAA Spectrum Series)。
 
许多学者发现,有规则和节奏的踱步能集中精神,刺激思维活动——就是说,“双腿是思想的车轮”。许多大数学家也都是这样的,例如Poincare,他喜欢一边不停地踱步,一边在头脑里做数学。等问题彻底考虑清楚了,他才一口气写出来,几乎没有涂改。他工作时,周围的噪声也充耳不闻。凯莱(也许还有欧拉)也是这样做数学的。庞加勒的某些论文还保留着这种“急就章”的痕迹。
 
显然,踱步最方便的地方就是自己安逸而不受干扰的书房。不过,如果在寻常的书房里踱步,踱步的曲线或路径,一定满足某些非常确定的要求。我们来考察一下这种思维曲线的要求。  
1 曲线刚好在一个矩形范围内,这是常有的事情。根据是,夹在家具中的空间通常是矩形的,或者很容易变成矩形。
 
2 曲线是闭合的。这是显而易见的。
 
3 曲线应该是平面的。这一点没必要,不过是有道理的。因为产生非平面曲线很难,而且一个人在有规律、有节奏踱步时,不会想到一会儿爬上一会儿跳下。
 
4 曲线应该是连续的。当然,这在极限范围内是不必要的。不过它也很容易满足。因为大致说来有两种不连续性:  
a 曲线的无限分支导致的不连续。房间的维度和连续特征排除了这种不连续的可能。  
b 曲线间断导致的不连续。如果有那样的间断,从人体生理原因看,它必然小于一个人的最大跳越距离。而且,因为突然的跳越违背了有规律、有节奏的踱步,我们实际上必须令这种间断小于人的正常步子的长度。而现在的情形是,曲线是闭合的,因而,除非小心翼翼地度量每一个步子,踱步者不太可能在走完一圈之后,刚好到达一个间断点,然后跳过它走下一步。因此,走的曲线越长,那种间断的距离越小,最可能的事情就是使它变得连续。  
5 曲线应该有连续的一阶导数(除了个别可能的无穷大)。踱步的规则和节奏排除了突然的转折。转折肯定是光滑的,从而曲线必然有连续的一阶导数。
 
6 曲线的曲率不应该超过某个数值,如2.5英尺的圆周的曲率。显而易见,任何大的曲率都会使曲线太“尖”,不适合有规律、有节奏的踱步。
 
7 曲线必须至少含有两个拐点。这是因为,如果曲线总是朝着一个方向弯曲,会令人眼晕的。而含有相反曲率的闭合曲线当然必须包含偶数个拐点,这正是我们说的。
 
8 曲线的对称性对踱步有好处,因为对称有助于规则和节奏。
 
很幸运,我们在数学中找到了一条能满足以上所有要求的曲线——它确实是一条理想的激发思维的曲线。现在,我们就把伯努利的双纽线作为完美的思想曲线呈现给大家。
 

它就是大名鼎鼎的伯努利双纽线,方程很简单。

 





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