图:Jakob Emanuel Handmann 画,1753 / 巴塞尔美术馆(公有领域)
莱昂哈德·欧拉
Leonhard Euler1707–1783 · 生于瑞士巴塞尔 · 瑞士
双目失明之后,他的产量反而涨了上去——1775 年平均每周一篇论文
「这样一来,我分心的事就少了。」
—— 右眼近乎失明后的自述,广泛流传于同代人的转述,措辞有多个版本
欧拉的父亲是巴塞尔近郊的牧师,本打算让儿子接自己的班。这位牧师年轻时在巴塞尔大学听过雅各布·伯努利的课,因此家里最早的数学课是他自己教的。
十三岁进大学之后,事情发生了变化。教初等数学的是约翰·伯努利——雅各布的弟弟,当时欧洲最好的数学家之一。他不肯单独给学生开小灶,但答应欧拉每周六下午来家里,把这一周读不懂的地方一次问清楚。
欧拉后来说,这是他得到过的最好的安排:没人替他把书读了,但每一次卡住都有人给他解开。
把物理从图形里搬进公式
1727 年他去了圣彼得堡。彼得大帝新建的科学院正在从欧洲各地招人,丹尼尔·伯努利已经在那里,替他留了位置——虽然报到时给他的头衔挂在医学与生理学部门。
1736 年的《力学》是一次改朝换代。牛顿的《原理》是用几何写的:每一个结论背后是一张图、一组相似三角形、一段比例论证。这套写法漂亮,但不可推广——换一个稍微复杂点的问题,图就画不出来了。欧拉把同样的内容改写成微分方程,从此力学题目变成解方程,而解方程是可以按部就班往下做的。
此后半个世纪,他几乎把当时能碰的物理问题碰了一遍:刚体绕定点转动的方程与欧拉角(今天航天器姿态控制和电脑图形学还在用)、细长杆受压屈曲的临界载荷(今天叫欧拉屈曲,土木工程的标准公式)、月球运动的摄动理论、光学仪器的设计、船舶的稳性、乃至音乐的音程理论。
其中影响最深远的两件,一件是 1744 年的变分法——要求一个积分取极值,就得到一个微分方程,这条路后来长成了最小作用量原理;另一件是 1757 年他给流体写下的运动方程。
失明之后
1738 年他右眼近乎失明。腓特烈大帝在柏林时管他叫「独眼巨人」。1766 年回圣彼得堡后,左眼的白内障手术起初有效,随后并发症让他几乎全盲。
产量没有下降,反而上升了。他有惊人的记忆力——据说能把维吉尔的《埃涅阿斯纪》整本背下来,并说出每一页的第一行和最后一行是什么——失明之后,他在脑子里做完整的计算,再口述给助手和儿子。1775 年,他平均每周产出一篇数学论文。
一生留下八百多篇论文与著作,收进《欧拉全集》要占六十到八十卷。有人估算,十八世纪数学、物理、力学、天文与航海领域的全部产出里,大约四分之一到三分之一出自他一人之手。
拉普拉斯对后辈的忠告是一句话:读欧拉,读欧拉,他是我们所有人的老师。
那些记号
今天写物理时用的很多符号,是他定下来的:函数记作 、自然对数的底记作 、虚数单位记作 、求和记作 、圆周率用 (不是他首创,但是他用开的)。
这不只是省事。给一个概念一个稳定的记号,等于承认它是一件独立的东西,可以被搬来搬去、代进别的式子里。「函数」这个概念之所以成为分析学的中心,正是从 1748 年那本《无穷分析引论》开始的。
1783 年 9 月 18 日下午,他与家人吃过午饭,正和莱克塞尔讨论刚发现不久的天王星的轨道,突然倒下。孔多塞在法兰西科学院的悼词里写了一句流传至今的话:他停止了计算,也停止了生活。
代表方程
欧拉公式
把指数函数接到三角函数上的那一步。物理里凡是转圈的东西——单摆、交流电、光波、量子态的相位——写成 都比写成正弦余弦省事得多,因为微分只是乘一个常数。取 就得到那个把 、、、1 和 0 串在一起的恒等式。
理想流体的运动方程
1757 年他把牛顿定律写给了流体:左边是一小团流体的加速度(第二项是它自己被自己搬运造成的,方程的非线性就出在这里),右边是压强梯度与重力。第二行说不可压缩流体不能凭空多出来。加上黏性就是纳维-斯托克斯方程,它的光滑解是否总存在,至今是七个千禧年难题之一。
伟大发现
出处
正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。
- 1.欧拉《力学,或用分析方法阐述的运动科学》第一卷(1736),欧拉档案 E15
- 2.欧拉《柯尼斯堡七桥问题的解》,《圣彼得堡科学院评论》第 8 卷第 128 页(1741,写于 1736),欧拉档案 E53
- 3.欧拉《寻求具有极大或极小性质的曲线的方法》(1744),欧拉档案 E65
- 4.欧拉《无穷分析引论》第一卷(1748),欧拉档案 E101
- 5.欧拉《流体运动的一般原理》,《柏林科学院论文集》第 11 卷第 274 页(1757),欧拉档案 E226
- 6.欧拉《固体或刚体的运动理论》(1765),欧拉档案 E289
- 7.孔多塞《欧拉先生颂词》,法兰西科学院(1783)——「他停止了计算,也停止了生活」一句的出处