走近數學界的莎士比亞:歐拉和他的“世界最完美公式”

走近數學界的莎士比亞:歐拉和他的“世界最完美公式”

Leonhard Euler(1707年4月15日 - 1783年9月18日)是瑞士出生的數學家,他的發現極大地影響了數學和物理學領域。也許最著名的歐拉發現是歐拉身份,它表明了基本數學常數之間的關係,通常被稱為數學中最美麗的方程。他還介紹了一種用於編寫今天廣泛使用的數學函數的符號。

早期生活

Leonhard Euler出生於瑞士巴塞爾。他是新教牧師保羅斯歐拉和瑪格麗莎布魯克的第一個孩子。1708年,也就是歐拉出生一年後,全家搬到距離巴塞爾幾英里的郊區裡恩。歐拉和他的兩個妹妹一起在Riehen的牧師中長大。在歐拉幼兒時期,他從父親那裡學習數學,他對數學很感興趣,並在學習成為神學家的同時,與著名數學家雅各布伯努利一起學習。大約在1713年,歐拉開始在巴塞爾的拉丁文法學校上學,但學校並沒有教授數學,所以歐拉上了私人課程。

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大學

1720年,歐拉進入巴塞爾大學僅僅13歲 - 這一成就在當時並不少見。在大學期間,他與雅各布·伯努利的弟弟約翰·伯努利(Johann Bernoulli)一起學習,他每週給歐拉解決數學問題並鼓勵他閱讀高級數學教科書。伯努利甚至提出每個星期天下午回答歐拉的數學問題,儘管他太忙了,不能給他私人課程。1723年,歐拉完成了哲學碩士學位,並開始研究神學,正如他的父母所希望的那樣。然而,歐拉對神學並不像他對數學那樣興奮。他獲得了父親的許可,可能會在伯努利的幫助下學習數學。歐拉於1726年在巴塞爾大學完成學業。1727年,他提交了巴黎科學院大獎關於在船上最佳放置桅杆的條目。一等獎獲得者是船舶數學方面的專家,但之前沒有見過船的歐拉獲得了第二名。

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學術生涯

歐拉在俄羅斯聖彼得堡的科學院獲得了學術任命。他於1727年搬到那裡並一直待到1741年。儘管歐拉的職位最初涉及教授生理學的物理和數學,但他很快就被任命為該學院的數學物理系。在那裡,歐拉通過不同的職位晉升,1730年成為物理學教授,1733年成為數學高級主席。歐拉在聖彼得堡創造的發現使他在世界上聲名鵲起。歐拉在1733年與畫家的女兒卡塔琳娜·格塞爾結婚。這對夫婦共有13個孩子,其中5個倖存至成年。1740年,歐拉被普魯士國王弗雷德裡克二世邀請到柏林幫助建立該市的科學院。他於1741年搬到柏林,並於1744年成為該學院的數學主任。歐拉在柏林仍然多產,在他25年的任期內寫了大約380篇文章。

對數學的貢獻

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歐拉的一些最值得注意的貢獻包括:歐拉身份:eiπ+ 1 = 0.歐拉身份通常被稱為數學中最美麗的等式。該公式顯示了五個數學常數之間的關係:e,i,π,1和0.它在數學和物理學中有廣泛的用途,包括電子學。數學函數表示法:f(x),其中f代表“函數”,函數的變量(此處為x)括在括號內。這種表示法今天被廣泛使用。

後來的生與死

到1766年,歐拉與弗雷德裡克二世的關係惡化了,並且應凱瑟琳大帝的邀請回到了聖彼得堡學院。他的視力下降,到1771年,歐拉完全失明。然而,儘管有這個障礙,歐拉繼續他的工作。最終,他在抄寫員和他自己令人印象深刻的記憶和心理計算技能的幫助下完成了他的總研究的一半而完全失明。1783年9月18日,歐拉死於聖彼得堡的腦出血。在他去世後,聖彼得堡的學院繼續出版歐拉的多產作品約50年。

歐拉在數學領域取得了許多重要的發現。雖然他可能以歐拉身份而聞名,但他是一位多產且有成就的數學家,他的貢獻影響了圖論,微積分,三角學,幾何學,代數,物理學,音樂理論和天文學。

為什麼歐拉公式被稱為世界上最完美的公式了?

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歐拉公式的巧妙之處在於,它沒有任何多餘的內容,將數學中最基本的e、i、π放在了同一個式子中,同時加入了數學也是哲學中最重要的0和1,再以簡單的加號相連。高斯曾經說:“一個人第一次看到這個公式而不感到它的魅力,他不可能成為數學家。” 雖然不敢肯定她是世界上“最偉大公式",但是可以肯定它是最完美的數學公式之一。

理由如下:

1、自然數的“e”含於其中。 自然對數的底,大到飛船的速度,小至蝸牛的螺線,誰能夠離開它?

2、最重要的常數 π 含於其中。 世界上最完美的平面對稱圖形是圓。“最偉大的公式”能夠離開圓周率嗎? (還有π和e是兩個最重要的無理數!)

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3、最重要的運算符號 + 含於其中。 之所以說加號是最重要的符號,是因為其餘符號都是由加號派生而來。減號是加法的逆逆運算,乘法是累計的加法……

4、最重要的關係符號 = 含於其中。 從你一開始學算術,最先遇見它,相信你也會同意這句話。

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5、最重要的兩個元在裡面。零元0 ,單位1 ,是構造群,環,域的基本元素。如果你看了有關《近世代數》的書,你就會體會到它的重要性。

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6、最重要的虛單位 i 也在其中。 虛單位 i 使數軸上的問題擴展到了平面,而在哈密爾的 4 元數與 凱萊的 8 元數中也離開不了它。 之所以說她美,是因為這個公式的精簡。她沒有多餘的字符,卻聯繫著幾乎所有的數學知識。 有了加號,可以得到其餘運算符號; 有了0,1,就可以得到其他的數字; 有了 π 就有了圓函數,也就是三角函數; 有了 i 就有了虛數,平面向量與其對應,也就有了哈密爾的 4 元數,現實的空間與其對應; 有了 e 就有了微積分,就有了和工業革命時期相適宜的數學。

歐拉的驚人成就並不是偶然的。他可以在任何不良的環境中工作,經常抱著孩子在膝上完成論文,也不顧較大的孩子在旁邊喧譁。歐拉在28歲時,不幸一支眼睛失明,過了30年以後,他的另一隻眼睛也失明瞭。在他雙目失明以後,也沒有停止過數學研究……


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