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一家出了八位数学家,家里发生了什么?

一枚硬币、一条滑轨、一根水管、一根琴弦,怎么连到同一个家族?从家谱出发,用八幅图与可计算的例子,认识伯努利家族八位数学家在概率、微积分、流体、振动和数学传播上的贡献,穿插他们真实的人生故事。

一家出了八位数学家,家里发生了什么?

先把四样东西放在桌上:一枚硬币、一段小球滑轨、一根水管、一根琴弦。

它们看上去不太像一家人。

可如果问得细一点——抛硬币的比例为什么会稳定?哪条轨道下滑最快?水流加速时压力怎样变?琴弦为什么有不同音高?——你就会在数学史里反复遇到同一个姓:伯努利。

这个姓不只属于一位数学家。常见的数学史家谱里,三代人中有八位特别值得认识:有人为概率找到了可靠的根据,有人把新生的微积分变成解难题的工具,有人把工具带进流水、振动、光与机械,也有人通过期刊和书信让知识继续传播。

他们当然也会为名声争执,会对孩子的职业指手画脚;但要理解这个家族为什么重要,首先要看他们究竟给数学和科学添了什么。

先看家谱:八位分别是谁?

先放一张“认人地图”。不必背名字,读到重名时回来找就行。

伯努利家族亲缘树:雅各布一世、尼古拉斯与约翰一世是兄弟,尼古拉斯一世是中间一支的儿子,约翰一世一支延续到丹尼尔、约翰二世及其两个儿子 图 1:沿线向下读,向右缩进一级就是下一代。蓝框编号标出本文的八位数学家,灰框只帮助连接亲缘。这是简化家谱,不是全部子女名单;“一世、二世、三世”用于区分同名人物,不是王位顺序。尼古拉斯一世与丹尼尔是堂兄弟,不是父子或叔侄。单独打开家谱。

所谓“八位”,是本文选取的这组常见数学史人物,不是说这个家族一共只有八个研究数学的人,也不是八个人的成就完全相同。

一、这家人的祖传生意,本来不是数学

先别把他们想成一个几百年来都在黑板前生活的家族。

伯努利家的祖辈来自安特卫普,因宗教迫害离开故乡,后来辗转落脚巴塞尔。到了雅各布和约翰的父亲尼古拉斯这一代,家里经营的是香料生意,父亲也参与当地公共事务。

这位父亲为孩子规划的道路,相当实际。

哥哥雅各布一世(Jacob / Jakob Bernoulli,1655—1705)被安排学习哲学和神学;比他小十二岁的约翰一世(Johann Bernoulli,1667—1748),十五岁时还真的在香料生意里干过一年。

问题是,两个人都没有沿着安排走到底。

雅各布拿到了神学资格,却一直在研究数学与天文学;后来即使有教会职位向他招手,他也没有改回原来的路线。约翰对经商既不喜欢,也没表现出父亲期待的本领,最后获准去大学——学医学。

于是,这个家出现了很有意思的一幕:哥哥学神学,弟弟学医学,两个人却把精力放在了一起读数学论文上。

这些经历可由雅各布传记和约翰传记交叉核对。数学不是家族一开始就安排好的接班事业,恰恰是两个孩子偏离规划后走出来的路。

二、雅各布一世:让“多试几次就知道了”有了数学根据

认识①雅各布,先别看墓碑,先看硬币。

一枚公平硬币只抛十次,出现七次正面,奇怪吗?并不奇怪。但如果抛一百万次,仍有七成正面,我们就该认真怀疑“公平”这个前提了。

做多少次实验,观察到的比例才值得相信?这不是一句“次数够多就行”能回答的问题。

雅各布的重要贡献,是在独立、成功概率固定的重复试验中,证明样本中的成功比例会以概率意义趋近真实概率,并给出定量讨论。这是后来称作大数定律的重要早期成果。他的《猜度术》在 1713 年、去世八年后出版;侄子尼古拉斯一世参与了出版工作。历史背景见雅各布传记。

我们用现代二项分布,算一个具体例子:仍是各次独立的公平硬币,把“偏得比较远”规定为正面比例不高于 40%,或者不低于 60%。

独立公平硬币抛十次、一百次和一千次时正面比例的精确二项分布,标出百分之四十与六十的偏离边界及两端的合计概率 图 2:先横向看正面比例,再比较三幅图怎样向 50% 附近集中。边界及外侧的柱子都计入“至少偏离 10 个百分点”;纵轴分别缩放,不能跨图比较柱高。10 次时该概率约为 75.39%,100 次时约为 5.689%,1000 次时约为 (2.73\times10^{-10})。这些是枚举二项分布得到的精确概率再取近似,不是挑一条幸运模拟轨迹,也不是雅各布当年的原始算例。

大数定律不承诺比例每一步都更接近 50%,更不承诺“前面反面多,后面就得补正面”。它解释的是:在模型成立时,大样本比例出现固定幅度偏差的可能性会趋近于零。现代版本及条件可参看概率教材中的大数定律。

这条桥梁很重要:它连接了“我们不知道真实概率”和“我们可以收集数据估计它”。抽样、统计推断后来发展出的完整理论当然不全是雅各布一人完成的,但这块基础不能绕过他。

他的另一份遗产是伯努利数。它们出现在《猜度术》关于幂和的讨论中:怎样不逐项相加,就算出 (1^m+2^m+\cdots+n^m)?

比如平方和可以写成 (n(n+1)(2n+1)/6)。重要的不只是这一条熟悉的公式,而是不同次幂的求和多项式之间出现了可以统一组织的系数。伯努利数后来在分析与数论中反复出现;不能把每个低次幂和公式都说成由他首次发现。

他还研究无穷级数、曲线和微分方程。概率、级数、几何,是这个家族第一代搭起的几条主干,不只是“哥哥教过弟弟”这么简单。

三、约翰一世:把微积分从新符号,变成解难题的本领

②约翰向哥哥学数学时,微积分还是一门新学问。读懂莱布尼茨的论文,再把它用于别人解不出的曲线和运动问题,本身就是重要工作。

约翰的贡献包括微分方程、积分方法与曲线研究。更容易看出它们分量的,是他在 1696 年公开提出的最速降线问题:从同一个高处起点,由静止滑到同一个低处终点,哪条光滑轨道最快?

同一出发点和终点的摆线、圆弧与直线竞速,图中保留根据无摩擦重力模型计算的完成时间 图 3:复用本站摆线文章的原图 2。三条轨道使用相同的起终点、重力和释放条件;质点只滑动,不计转动、摩擦与空气阻力。动画的共同时间轴按理想模型计算,不是为了让摆线获胜而人为调速;下滑时间与静态轨道始终保留。播放一次后停留,系统减少动态效果时直接显示结果。单独打开,刷新可重播。

直线最短,为什么仍会输?因为路程不是唯一变量。先陡降的曲线能让质点尽早获得速度,再用较高速度走后面的路。

约翰不只猜中了一段摆线。他采用了一条很漂亮的解题路线:把竖直平面切成许多薄层,每一层里近似看作速度固定,再借用光的折射与最短时间思想,寻找穿越各层的最佳路线。让层越来越薄,就通向连续曲线。

这里是把局部的方向选择连成整条路线的时间最优。它与哥哥雅各布的解法、后来双方讨论的带约束极值问题,一起成为变分法发展的重要前史。MacTutor 专题给出了解法与历史;一般方法还要等欧拉、拉格朗日等人继续推进,不能把今天的变分法整套归给约翰。

他也参与了悬链线的求解:一根均匀柔绳只在重力下悬挂,为什么不恰好是一条抛物线?想细看这两条曲线,可以读下垂的线怎样连接桥梁与电网。

约翰还是新方法的传播者。洛必达向他付费学习微积分,1696 年出版的《无穷小分析》大量依赖这些课程;今天所说的洛必达法则,也有约翰的关键贡献。1694 年通信中的报酬与传播约定,以及后来发现的课程抄本,见哈佛收录的通信研究。洛必达并非完全不懂数学,这也不能简化为“买走一个公式”。

欧拉回忆,约翰让他自己读较难的书,读不懂的地方每周日下午来问。这段教学经历见欧拉传记。发现方法、解出问题、把方法教出去,三件事约翰都做过。

兄弟俩后来为成果和声望闹翻,确实是这段历史的一部分。但如果只剩争吵,我们就会错过他们真正推动的变化:微积分开始能处理“整条曲线应该怎样选”这样的问题。

四、尼古拉斯一世:把概率带进法律,也提出一个难倒直觉的游戏

③尼古拉斯一世(Nicolaus I Bernoulli,1687—1759)不是约翰的儿子,而是雅各布与约翰另一位兄弟的儿子。

他既跟叔伯们学数学,也学法律,1709 年的博士论文讨论把概率用于法律问题。这意味着,概率研究正在走出骰子和赌桌,进入现实中的不确定判断;并不意味着法律判决可以简单化成一个概率数值。

他后来到帕多瓦任教,研究几何与微分方程,再回巴塞尔教授逻辑与法律。他对正交轨线、黎卡提方程等问题的工作,也属于早期分析学的发展。这里的“正交轨线”,下一节就用一张图解释。

相比那两位爱公开交锋的长辈,他的不少成果藏在通信里。他的传记提到,与蒙莫尔往来的信件中,就有后来叫作圣彼得堡悖论的问题。

我们用一版现代化、容易计算的规则来玩:

抛一枚公平硬币,各次独立。一直抛到第一次出现正面为止。第一次就出现,给你 2 元;第二次才出现,给你 4 元;第三次才出现,给你 8 元;以后每推迟一次出现,奖金再翻倍。

第一次正面出现在哪次这种结局的概率奖金概率 × 奖金
第 1 次1/22 元1 元
第 2 次1/44 元1 元
第 3 次1/88 元1 元
第 4 次1/1616 元1 元
……………………

你会发现,每一种结局对期望奖金的贡献,都是 1 元。

假如游戏允许无限次抛掷,而且主办方真的能支付任何大的奖金,把这些贡献加起来,期望奖金就是无穷大。

但如果有人要你先交一套房子的钱,才准你玩一局,你大概不会因为那个“无穷大”就立刻点头。

这不是数学算错了,而是“钱数的期望”没有直接回答“这场风险对我值多少钱”。

后来,堂弟丹尼尔从财富的效用入手:对只剩十元的人和已经拥有一百万元的人,多一元钱的意义,并不相同。他提出的效用思路成为风险理论的重要一环。

这里也不能说“效用一出,所有问题都解决了”。具体愿付多少,仍取决于财富、采用的效用模型,以及现实中的支付上限。无上限的理想游戏,与一个真能开门营业的赌场,不是同一回事。

家里的接力很有意思:哥哥辈研究怎样从偶然中找规律,侄子提出一个刺破直觉的游戏,堂弟再追问,人到底怎样衡量风险。丹尼尔的研究背景见传记;巴塞尔大学伯努利—欧拉中心还列出了他风险论文的译本与后续研究。

五、尼古拉斯二世:寻找“处处直角相交”的曲线

④尼古拉斯二世(Nicolaus II Bernoulli,1695—1726)是约翰一世的儿子、丹尼尔的哥哥,与上一节的堂兄不是同一人。

他曾协助父亲处理牛顿与莱布尼茨争议中的通信;但他的学术工作不只是替父亲回信。他研究过一类很具体的几何问题:给定一族曲线,能不能找另一族曲线,使它们每次相交都成直角?

这叫正交轨线问题。他的论文目录中,有 1716 年研究与一族双曲线直角相交的曲线,以及 1718、1720 年关于轨线与正交轨线的文章;另有微分方程研究。《科学家传记辞典》条目列出了这些论文。

先别碰双曲线,用一个更简单的教学例子:

同心圆与过圆心的直线处处垂直相交,在点一逗号一处用切线和半径方向标出直角 图 4:先选一条圆,再选一条过圆心的直线。它们在交点处的切线方向互相垂直;图中 P 点特别画出这个直角。横纵轴同尺度,坐标无量纲。同心圆例子用于解释“正交轨线”的含义,不冒充尼古拉斯二世论文中的双曲线构型。

圆族写成 (x^2+y^2=C),(C) 是各个圆不同的常数。求导可得圆的切线斜率 (y’=-x/y);在方向斜率有限且非零时,与它垂直的方向斜率就是 (y/x),对应过原点的直线。

在 P 点 ((1,1)),两个斜率是 (-1) 和 (1),乘积为 (-1);碰到水平或竖直方向,则直接按几何意义判断,不能硬除以零。

重要的是,这把“怎样画一条曲线”变成了“它每一点该朝哪个方向走”的微分方程。尼古拉斯一世也研究过相关问题;这不是某一个伯努利独占的题目,而是一群数学家发展分析工具的现场。

1725 年,尼古拉斯二世与丹尼尔一同赴圣彼得堡,约八个月后因病去世,只有三十一岁。研究生涯虽短,他仍留下了具体的曲线与方程工作,而不只是“丹尼尔早逝的哥哥”这个身份。

六、丹尼尔:把流水、琴弦和风险放到可以计算的框架里

⑤丹尼尔(Daniel Bernoulli,1700—1782)年轻时也被父亲安排经商、学医学,最后拿到的博士学位研究呼吸的力学。医学中的血流、压力和运动,反而与他的数学物理兴趣接上了。

他在圣彼得堡与欧拉一起工作的时期,开展了大量流体、振动和力学研究。要记住他的贡献,可以抓住下面三条线。生平与研究背景见丹尼尔传记。

1. 流体:水变快了,能量从哪里来?

《流体动力学》(Hydrodynamica)于 1738 年出版,研究水从容器流出、压力、泵和水流机械等问题。丹尼尔的重要工作,是把流动问题与能量观点连接起来。

我们用现代课本的简化形式看一个例子。水平管内,水作稳态流动,近似不可压缩,忽略黏性损耗,比较同一流线上的两处,中间没有泵或涡轮做功。

水平管道截面积从二平方厘米变成一平方厘米,速度由每秒一米增至二米,压力由一百千帕降为九十八点五千帕,分三步核对流量和机械能 图 5:先看截面积,再用“面积×速度”核对每秒通过的水量,最后比较压力变化。水密度取 (1000\ \mathrm{kg/m^3})。速度从 1 增到 (2\ \mathrm{m/s}),动能密度增加 1500 Pa,对应压力降低 1.5 kPa。管形仅示意,不按实际截面比例绘制;数字是教学构造,不是真实测量。

因为每秒流过的体积相同,面积减半,速度就要加倍。又因为两处高度相同:

\[p_1+\frac12\rho v_1^2 =p_2+\frac12\rho v_2^2.\]

(p) 是压力,(\rho) 是水的密度,(v) 是速度;下标 1、2 标记两处。压力与动能密度的单位都可以写成 Pa,后者也等于 (\mathrm{J/m^3})。

所以,流速从 1 变 2,不是水凭空多了一份能量,而是压力项和动能项之间有收支关系。高度不同要加上重力势能项;有损耗、泵或其他条件变化时也要重新建模。不能把它缩成一句到处适用的“快就压低”。现代条件和推导见OpenStax 大学物理教材;这里不是声称丹尼尔原书已经采用今天这套全部符号。

他还在书中讨论以微粒运动解释气体压力的早期思想。那是气体动理论发展中的一块重要路标,不等于现代统计物理已经全部建立。

2. 振动:一根琴弦,可以同时做几种简单运动

一根两端固定的琴弦,并不只能画出一个弯。它可以出现不同振型,也可以把振型叠加起来。

第一振型沿整根弦放下半个波长,第三振型则放下三个半波长。同一根理想弦上的波速相同,波长缩成三分之一,频率就变成三倍。节点是这个振型中始终不动的位置,不是照片里恰好经过平衡位置的点;现代模型可参看OpenStax 的驻波与振型解释。

一米长的理想琴弦分别画出基频五十赫兹的第一振型、频率一百五十赫兹的第三振型,以及两者在同一时刻的叠加形状 图 6:先看第一幅的一个波腹,再看第二幅的三个波腹,最后逐点相加得到第三幅。同一位置的上下位移相加,不是把两根弦接起来。理想均匀、张紧、两端固定的小振幅弦,长度取 1 m,第一振型频率取 50 Hz,第三振型为 150 Hz;图画同一时刻,位移用 mm,三图同尺度,横纵单位不同所以外形不是实物比例。

丹尼尔提出,用简单谐振动的叠加理解弦的复杂运动。这把“看起来乱动的一根弦”,变成了一组可以分别研究的简单运动:各振型的频率、振幅,再加上相位。

这种分解对后来的数学物理非常重要,也与傅里叶怎样把温度拆成波形成呼应。但当年关于一般初始形状能否这样展开,仍有争论;不能说丹尼尔已经完成今天所有傅里叶展开的严密理论。

3. 风险:同样一元钱,对不同财富的人意义不同

回到前面的圣彼得堡游戏。丹尼尔把问题从“平均能拿多少钱”推进到“财富变化带来多少价值”,是期望效用思想的重要早期工作。

他研究的不是一句模糊的“人会害怕风险”,而是试着用具体规则衡量财富增加的价值,再按不同结果的概率加权。这条线后来进入经济学与风险理论;它与流体、振动一起,显示出他善于为物理和现实问题建立可计算模型的本领。

用他讨论的对数效用来举例,财富从 100 变成 200,与从 1000 变成 2000,效用的增量相同:重视的是翻倍的比例,不是绝对多出的钱数。这是一种具体模型,不是说每个人都必须如此评价财富。

父子间确实有令人遗憾的争执:1734 年共同获奖后关系破裂,后来又有流体著作的优先权风波,见丹尼尔传记与约翰传记。但丹尼尔的科学地位,不是由这场冲突赋予的,而是由这些研究支撑的。

七、约翰二世:光怎样传播,船上的机械怎样工作?

⑥约翰二世(Johann II Bernoulli,1710—1790)是丹尼尔的弟弟。他研究数学物理、热与光,也把方法用到海事与机械问题。

只说“四次获得巴黎科学院奖”太抽象,不妨看《科学家传记辞典》列出的获奖作品:

文献目录所列年份研究题目在问什么
1736光的传播怎样用物理和几何模型解释光的传递?
1737船锚锚的构造与作用怎样分析?
1741绞盘船上用于牵引、卷绳的机械怎样工作?
1743磁体怎样解释磁体的性质与作用?

这不是四项现代定律的清单,而是四份实际研究题目。他的光学模型也不能当作今天的电磁波理论,更不能把后来傅里叶的热方程归到他名下。

他的意义,是继续把分析和几何用于物理、机械问题。1748 年,他接任父亲在巴塞尔的数学教席,还通过教学、学术通信与出版父亲全集,维持了这个研究传统。MacTutor 传记记录了这些工作。

八、约翰三世:除了研究,数学也需要编辑、计算与资料

⑦约翰三世(Johann III Bernoulli,1744—1807)是约翰二世的儿子,十九岁已在柏林科学院任职。

他的工作涉及天文学、概率、方程理论和循环小数。MacTutor 传记也记载了他的天文任职与实际困难:不能把有天文职位,直接写成作出了划时代的观测发现。

“循环小数”听上去像小学知识,里面却藏着数论问题:为什么会循环?周期多长?它与分母有什么关系?

一除以七的长除法余数循环:从余数一出发,依次得到数字一四二八五七,并在六步后回到余数一 图 7:从余数 1 开始,每次乘 10,再除以 7。读右边的新余数,下一行就从它继续。六步后余数回到 1,后面的操作与数字也会原样重复,所以 (1/7=0.\overline{142857})。这张图解释他的研究领域,不是说 (1/7) 的循环由他发现,更不是复刻他的某篇证明。

如果一个分数的除法不终止,余数却只能从有限几个数中选,余数迟早会重复。研究再往前走,就要追问不同分母对应多长的周期、有什么结构;这里不把基础例子包装成约翰三世的独创定理。

他还有一项应当单独承认的贡献:1776—1789 年编辑数学期刊,参与知识交流与资料传播。他保存的家族书信后来流入斯德哥尔摩科学院,为研究这一家人的工作留下重要材料。

不是每位数学家都必须贡献一条家喻户晓的定理。研究、计算、编辑和保存资料,影响的形式并不相同,也不该为了家族整齐,就把每个人都写成同等分量的开创者。

九、雅各布二世:水流、弹性和弹道,不只是研究方向的标签

⑧雅各布二世(Jacob II Bernoulli,1759—1789)是约翰三世的弟弟。先学法律,再转向数学物理;他也曾申请伯父丹尼尔身后的教席,在包含抽签的任命程序中落选,后来赴圣彼得堡。

他的生命只有二十九年,但不是只留下一个早逝故事。《科学家传记辞典》的著作目录可以把他的研究落到具体问题:

代表工作具体在研究什么为什么是数学物理问题
1782 年《论弹性的信》物体变形与弹性用数学描述形变与力学行为
《静水力学考察》静止液体的力学问题水不流动,也有压力与平衡可研究
1788 年水流经过可动管的论文流水与可动管之间的运动、反作用管与水相互作用,不能只盯水的速度
弹道仪理论及对欧拉撞击论文的阐释测试弹丸运动、理解弹丸撞板把运动、碰撞与可分析的机械过程联系起来

最后两个问题,可以与丹尼尔那根水管对照:上一节把管子当作固定不动的背景,雅各布二世的可动管研究却要把管子也纳入运动系统。这不是说今天的全部动量分析都由他创立,而是在说明他实际研究的对象比一个“流体力学”标签更具体。

他与欧拉家联姻,1789 年在涅瓦河游泳时意外溺亡,见MacTutor 传记。短暂的人生限制了研究的延续,但不应遮住已经完成的工作。

十、八位数学家,究竟传下去了什么?

到这里,可以再回看一下认人地图:

图中编号人物主要贡献与工作
①雅各布一世大数定律的早期证明,伯努利数、级数与曲线研究
②约翰一世微积分、微分方程、最速降线与悬链线,教学传播
③尼古拉斯一世概率与法律、圣彼得堡问题、轨线与微分方程
④尼古拉斯二世正交轨线、曲线与微分方程的具体论文
⑤丹尼尔流体的能量观点、气体动理论先声、振动叠加、期望效用
⑥约翰二世光传播、船锚、绞盘与磁学研究,教学和全集出版
⑦约翰三世天文与数学研究,数学期刊编辑、书信资料保存
⑧雅各布二世弹性、静水力学、可动管中水流、弹道与撞击研究

这不是一张“天才基因得到证明”的表。

从这些传记与通信里,我们真正看得见的,是数学怎样传递:一个孩子不用独自面对所有难书,旁边有能教他的哥哥;一位青年遇到不懂的问题,可以在周日下午敲老师的门;一个人去世,侄子和后辈继续整理他的手稿。

这条接力留下的不只是姓氏,而是一种做学问的方式:把眼前的现象,变成可以提问、可以计算、可以证明,也可以继续被修正的问题。

尾声:连墓碑上的曲线,也值得分清楚

最后留一个有数学内容的小故事。雅各布一世喜欢对数螺线,希望墓碑上刻着它,再写上 Eadem mutata resurgo——大意是“虽经改变,我仍以原样再起”。结果后人刻成了阿基米德螺线。

为什么这不是“看着差不多就行”?

阿基米德螺线的半径每圈加四,对数螺线的半径每圈翻倍,沿同一射线比较一五九与一二四的差异 图 8:先看中心向右的虚线,再读曲线连续三次穿过它时的半径。上图是 1、5、9,每圈加 4;下图是 1、2、4,每圈乘 2。两图分别缩放,数字为无量纲教学构造,不是墓碑描摹;曲线按方程计算,只画有限两圈。

对数螺线的缩放与旋转之间有精确对应,这才是他看中的自相似性质。故事之所以有意思,不只是“数学家连墓碑都被刻错”,也因为顺着这个小错误,我们又认识了两个不同的数学对象。

错刻记述及实物照片见MacTutor 墓碑专题与琳达·霍尔图书馆介绍。本文配图为原创计算绘制,没有转载照片。

参考资料与史实说明

本文以八人的学术工作为主线,没有虚构对白。历史贡献与现代教学例子分别说明;图中的概率、坐标、流量、振型与除法步骤均可重新计算。具体论文题名与年份按以下人物条目及所附书目核对,不把现代教材公式当作当年原文。

本文由作者按照 CC BY 4.0 进行授权