数学之美(13)——从坚“整”不渝到伽利略的困惑

庞加莱曾经说过:能够做出数学发现的人,是具有感受数学中的秩序、和谐、对称、整齐和什么美感的人。

在数的海洋里,总有些规律令人沉迷。

坚“整”不渝

雅克布·伯努利是瑞士著名的数学家,他的主要发现有对数螺线。

对数螺线是一根无止尽的螺线,它永远向着极绕,越绕越靠近极,但又永远不能到达极。据说,使用最精密的仪器也看不到一根完全的对数螺线,这种图形只存在数学家的假想中。也许正是这神奇的形状,让苏格兰博物学家和数学家汤普森语出惊人:地球上所有动物和植物只有通过数学才能理解!

对数螺线1


向日葵中对数螺线

对数螺线在自然界中最为普遍存在,以后若去动物园可瞧仔细了:象鼻、羊角、鹦鹉的爪子等也都是成等角螺线形的。圆网蛛能织出这种曲线,许许多多贝壳动物身上都有这种曲线。鹰以对数螺线的方式接近它们的猎物;昆虫以对数螺线的方式接近光源;用天文望远镜观察到的星云中也有螺线形状的!


羊角化石

难怪法布尔会惊叹:“几何,以及面积上的和谐,支配着一切。几何存在于松果鳞片的布置中,也存在与圆网蛛的黏胶丝上;蜗牛的螺旋上升斜线里有几何,蜘蛛网的念珠里有几何,行星轨道里也有几何;几何到处存在,不管在原子世界里还是在无限辽阔的宇宙中,几何都是非常高明的!”

伯努利对这些有趣的性质惊叹不止,竟留下遗嘱要将对数螺线画在自己的墓碑上,并附词“纵使改变,依然故我”(eadem mutata resurgo)。可惜雕刻师误将阿基米德螺线刻了上去。

除了这些不变之外,伯努利还发现了一个不变的规律。伯努利对自然数乘方和的公式应用十分自如,在研究过程中,他曾经发现下面的问题:

无论n为何自然数,式子


纵使改变,依然故我

总是整数!

伽利略的苦恼

在我们的印象中,数学家们都是无所不能的,他们睿智、冷静又富有逻辑性,好像没有瑕疵。

可是每个人都会有苦恼,伽利略就是其中一位。

我们知道,完全平方数在自然数中是沧海之一粟,我们看下面的对应关系

1, 2, 3, 4, 5……n

1, 4, 9, 16, 25, n^2

上面的对应关系又表示自然数与完全平方数是一一对应的,是一样多的。这就是伽利略的困惑,他提出了前人没有提出过的比较无穷大小的问题,揭开了人们认识“无穷”的序幕。

关于“无穷”我们下次再详细谈它,欢迎留言交流~~

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