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1701055839 但是约翰的解法建立在费马的最小作用量原理上,确实指出了这个问题的解决方向。其他人认为约翰更应该得到这项荣誉。一部重要的数学原始资料的编辑大卫·尤金·史密斯(David Eugene Smith)写道:“一般都认为,变分法起源于让·伯努利(就是约翰)对最速降线的解决。”史密斯的论据围绕着这样的事实:约翰“在一般变分法较简单的问题上,提出了在大体上即使不精确但也是很全面的观点。”(21)
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1701055841 数学史家斯图尔特·霍林代尔(Stuart Hollingdale)立场更坚定:“正是让·伯努利引导欧拉研究了变分法。”(22)
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1701055843 这里的一个麻烦在于:问题的焦点是,大家说的是约翰的哪个解法——形势再次不明朗了。J·J·奥康纳(J. J. O’Connor)和E·F·罗伯特森(E. F. Robertson)为一个数学史网上论坛写过一系列关于伯努利兄弟的文章,他们争辩说:约翰后来找到了一个巧妙的解法,该解法利用了布鲁克·泰勒(Brook Taylor)的一个成果,发表于1718年(23)。史密斯认为不是这样的,“这种直接的解法在莱布尼兹和约翰于1696年往来的几封信里都提到过,也在莱布尼兹发表在《博学学报》5月号上关于悬链线问题的评论里提到过。”
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1701055845 史密斯承认“这个解法直到1718年才发表,那时雅克(即雅各布)和莱布尼兹都已经去世了。”但他争辩说:“很显然,有人认为这是事实,他们相信让剽窃了他哥哥雅克,为的是使他哥哥关于获得了又一个解法的声明落空。让自己声称之所以延迟发表他的第二个解法,是遵照了莱布尼兹在1696年给他的劝告。”(24)
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1701055847 作为反驳,霍林代尔辩解道:“然而在欧拉涉足这个课题前,还没有通用的解法。”(25)换句话说,伯努利兄弟用这种方法只解决了某些特殊问题,如最速降线。欧拉在1732年左右开始研究这个领域,他更热衷于找到一个通用的理论。但是,我们今天看到的这项成果的形式是另一位伟大的数学家约瑟夫-路易斯·拉格朗日(Joseph-Louis Lagrange)提出来的。
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1701055849 在变分法的起源上,拉格朗日怎么看?史密斯认为:“在变分法的开创工作上”,他(拉格朗日)强调“让扮演的角色和雅克同样重要”(26)。
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1701055851 我们追溯得太远了。好了,让我们接着开始的话题讲。
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1701055853 霍林代尔加进了一个有趣的观点:“物理学家以及18世纪的科学家把‘最小作用量原理’作为自然科学研究的指导性原则加以应用,有力地推动了变分法的发展。”(27)
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1701055855 具有讽刺意味的是,这个原理也有强大的理论支持。欧拉说,“既然宇宙的构造和最睿智的造物主的作品是最完美的,那么宇宙中发生的事没有不符合最大值或最小值法则的。”(28)看到这里,人们的脑海里再一次浮现出约翰对费马最小作用量原理的运用。
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1701055857 无论如何,当伯努利兄弟发现摆线也是最速降线问题的答案时,他们既惊讶又高兴。约翰在他的文章中写道:“带着欣赏,我们敬佩惠更斯,因为他首先发现,一个重质点沿着一条普通的摆线下降时,无论它从摆线的什么地方开始下降,所用的时间都是一样的。但是,当我告诉你就是这个摆线,也就是惠更斯的等时曲线,恰恰就是我们要求的最速降线时,你一定会惊呆的!”后来,他再一次提起了这个想法:
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1701055859 惠更斯的等时曲线与我们的最速降线出人意料地一致,在下结论之前,我抑制不住想表达这个惊喜……因为,正如自然习惯于用最简单的方式超前发展,这里它也用一个曲线发挥了两种作用,尽管在任何其他的假设中,两条曲线将是必需的,一条是等时摆动的,另一条是最快下降的。比如,如果下降物体的速度不随高度(下降通过的)的平方根而随它的立方根变化,那么,最速降线的表达式将是代数式,而另一方面,等时曲线(就将是)超越式的(29)。
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1701055861 在雅各布关于最速降线论文的最后,他列出了可以用他的方法解决三种其他问题,第三个是“找出不同的等周形”。这个问题的起源可以追溯到古希腊以前的时期。从根本上来说,它寻求找到给定周长的平面封闭曲线中哪种图形的面积最大。雅各布构思了一个复杂的例子,并指名道姓地向约翰发出挑战。他甚至悬赏50杜卡特,如果约翰能在年底或6个月后解决这个问题,就可以得到这笔钱。
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1701055863 现在,雏鹰真的开始展翅高飞了。
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1701055871 1697年,约翰提出了一个解法,并宣布应该获得奖金。然而,他没有考虑到等周形问题的变更形式,因此只提供了一个不完整的解法,所得的微分方程少了一阶。雅各布见此很高兴,把他的弟弟无情地批评了一番。
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1701055873 E·A·费尔曼(E. A. Fellman)和J·Q·弗莱肯斯坦(J. Q. Fleckenstein)在《科学传记辞典》(Dictionary of Scientific Biography)中写道:“这是两兄弟疏远并公开不合的开始,也是变分法的诞生之时。”(30)(但这是变分法诞生的另一种方式)
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1701055875 约翰对雅各布等周形问题的分析,在1701年2月通过法国数学家皮埃尔·伐里农(Pierre Varignon)递交给巴黎科学院。1701年5月,雅各布把他的解法寄给《博学学报》。后人将他的解法与约翰的解法相对比,清楚地表明雅各布的解法更胜一筹。不幸的是,对这个特别的胜利,雅各布却不能为之狂喜。约翰的解法装进了一个密封的信件里,不知什么原因,这封信直到1706年4月才被打开,而这时雅各布死了差不多一年时间。
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1701055877 这是因为甚至在那时约翰就意识到了这个真理吗?他从来没有承认是这样。很久以后——他哥哥已去世,他吸收了布鲁克·泰勒(Brook Taylor)的成果(《增量法》,1715年)——他提出了一个针对等周形问题的巧妙解法。1718年提出的这个方法包含了一些变分法的现代观念,欧拉和拉格朗日将会继续发展这些观念。但是,很奇怪的是,这个解法让人想起了雅各布的解法和风格(31)。
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1701055879 这项荣誉应该归于约翰吗?也许更确切的说法是:由于他们极度好争论,两人都有贡献,这贡献可能是雅各布最初的解法引起的。
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1701055885 数学恩仇录:数学家的十大论战 一直到死
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1701055887 1705年,雅各布死了,这使两兄弟之间奇怪的关系产生了新情况。雅各布的众多兴趣中,有一个课题是概率。从1684年到1690年,他在这上面花费了大量精力。虽然两兄弟大部分的数学成果都发表在杂志上,特别是在《博学学报》上,但是雅各布在他生命的最后两年,致力于一本概率论课本的撰写。这本书就是《猜想的艺术》(Ars Conjectandi,The Art of Conjecture)。
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