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约在1659年时,荷兰数学家和物理学家克里斯蒂安·惠更斯(1629—1695)寻求找到这样一条曲线:沿着曲线,一个物体在重力的作用下,从曲线上的任一点开始下降,都会花同样的时间到达曲线底部。他用几何方法显示该曲线是一条摆线,于是,惠更斯运用这个观念设计了一个走时准确的摆钟。这种设计有时被称为等时线或等时曲线。伽利略在早些时候提出过用钟摆制作时钟的观点,莱布尼兹在这个问题上也做过一些数学方面的基础工作。
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1690年,在微积分的基础上,雅各布在《博学学报》上发表了他对等时问题的分析。通过对这种下降速度不变的曲线建立微分方程,他解决了这个问题。他向大家展示,这种曲线是摆线。大体上,他运用分析的方法证明了惠更斯的结论。这篇论文之所以重要还有一个原因:积分(integral)这个重要的微积分术语第一次出现了。
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在等时问题上的成功,雅各布倍感自豪,他在这篇论文里接着提出了一个相关的问题:在高度相同的固定两点之间悬挂一条易弯曲但没有弹性的线,求所得曲线的形状。对这个问题的推算至少可以追溯到15世纪的莱昂纳多·达·芬奇。伽利略考虑过这个问题,并猜测该曲线是抛物线。
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雅各布发表论文后13个月,1691年6月的《博学学报》上出现了好几种关于该问题的解法。答案是一种被称为悬链线的曲线,它们的作者是莱布尼兹、惠更斯——还有约翰。前面有一段引自雅各布的引文,他称之为“Additamentum ad Problema Funicularium”。文中,他声称在弟弟给出该问题的答案后,他进一步研究了该问题的一些变化形式,如绳子厚度和重量不均时的情况,这些问题他都解决了(2)。我们将会看到,雅各布的引文对原问题不是一个严格的解答,该引文有几种不同的解释。
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约翰强调他能够解决这个悬链线问题,而他的哥哥——也是他的老师——却不能。这是1691年的事。大约27年后的1718年,约翰在给他的同行兼朋友皮埃尔·雷蒙德·德·蒙莫尔(Pierre Remond de Montmort)的一封信中,道出了后来他和哥哥的关系状况。信中谈到他13年前死去的哥哥,用语轻蔑。从这里,我们能看到他们兄弟之间因永无休止的竞争而导致的紧张关系。很显然,蒙莫尔先生之前一直以为雅各布解决了悬链线问题,但约翰不以为然。他写道:
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我哥哥的努力没有结果。而我却幸运得多,因为我找到了(我这样说不是吹嘘——我为什么要隐瞒真相呢?)完全解决它的技巧,并把它简化为只是对抛物线做出一些修正。的确,我花了整整一晚上来钻研它而没有休息片刻……但在第二天早上,我满怀喜悦,跑到我哥哥那里去,他还在痛苦地思索如何解开这个戈尔蒂之结。他茫无头绪,老是像伽利略那样认为悬链线是一种抛物线。打住!打住!我对他说,不要再用试图证明悬链线是抛物线来折磨你自己了,因为这完全错了……这两条曲线完全不同,一条是代数的,另一条是超越的……但是,后来你(蒙莫尔)断定我哥哥找到了解决这个问题的方法,这让我很吃惊……我问你,你真的这样认为?如果我哥哥解决了这个问题,他会很乐意帮助我,使我不和惠更斯先生及莱布尼兹先生一起出现在解决者的名单中——这样做使我放弃了以首先解决者的身份单独出现在舞台上的荣誉(3)。
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约翰实际上已经看到了两种解决方法间的重要不同之处。
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对于抛物线,在笛卡儿坐标系中标准方程最简单的形式是
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这显然是一个代数方程。对于悬链线,约翰表明它是超越方程:
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不久之后,约翰求出了风帆线(4)的微分方程。他不是那种能在私底下享受快乐的人,于是到处宣扬他的成就。
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面对两兄弟各自的声明和反诉,梳理出背后的事实是我们从一开始就面临的困难,实际上我们已经遭遇到这样的困难了。尽管约翰声称他已经解决了悬链线和风帆线问题,这也得到了一些作者的支持(5),但其他人对他这两项声明都有争论。比如,备受尊敬的数学史家W·W·鲁斯·波尔(W. W. Rouse Ball)争辩说,这两项成就的荣誉都应该归于雅各布。波尔主张,雅各布对风帆线问题的解答,以及对莱布尼兹给出的悬链线图形的证明都是正确的,都是他最伟大发现的一部分。(6)另外,有资料显示:雅各布的方法在后来被证明更有用,比如在吊桥和高压塔等建筑的设计中(7)。正如我前面提到的,雅各布1691年的论文包括了对悬链线问题变化形式的处理,并进一步将其推广,这表明他确实对这些原始问题有一些理解。
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弗洛里恩·卡约黎(Florian Cajori)对这场混乱给出了一种可能的解释,他认为雅各布喜欢不作解释地发表解答,而约翰则会另外给出它们的原理(8)。
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好了,问题有些明朗了。这一次很可能是约翰竭力想摆脱小弟弟的角色,于是宣扬自己的成就,或许还有所夸张。在这个问题上,约翰坚持认为他比雅各布更早找到解法,而且解法更好,又有谁能阻止他这样做呢?
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莱比锡大学的数学教授鲁迪格·希勒(Rudiger Thiele)说,两位数学家的父亲的消极态度对兄弟两人的个性产生了不幸的影响。然而,希勒教授认为作为小弟弟的约翰受害尤其深重。随着年岁渐长,约翰养成了极度自负的性格,以此弥补他早年所受到的伤害。他竭尽所能去争取名誉,但他总是发现自己活在哥哥的影子中。于是,他尝试着夸大自己的重要性。
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希勒教授甚至认为,约翰的性格问题事实上让他难以正常评价他自己的数学成就(9)。说到这两兄弟所取得的广泛成就,荣誉应该归谁,希勒指出,在他们相互交往的早期,兄弟俩亲密合作,所以有时很难区分出他们各自的贡献(10)。我前面提到的悬链线和风帆线的解决,可以用这个解释来说明。《大英百科全书》(Encyclopedia Britannica)声称约翰的数学贡献在数量上超过了他哥哥的贡献(11),希勒认为约翰说了太多假话(Unwahrheiten),以至于确实是他自己该得的名望别人都不承认了(12)。
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但他乐此不疲。1701年,约翰写信给他的父亲:“我从来没有收到过父亲的信,这件事说明你更喜欢哥哥们,而对我没有感情。我真的不值得像我的兄长们那样被关心么?……如果你能告诉我他们是怎么从你那里赢得这种信任和感情的——这是你没有给我的,我将非常感激。因为我的父亲不允许我过自己想过的生活,我已经将自己置于神的引导下。所以,请你不要来巴塞尔带走我的名誉,并说你与之毫无关系。”(13)
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