【疯狂数学家】帕斯卡:他和笛卡尔什么仇什么怨?竟然无视笛卡尔的养生忠告?
布莱士·帕斯卡于1623年出生于法国,比笛卡尔年轻27岁。我们中学学到的压强,就是他的贡献。
帕斯卡与笛卡尔和费马生活在同一时期,他与费马一起创建了概率论的数学原理,但有没有他,实际上费马都能独立完成。但他在几何学方面的贡献,可以与笛卡尔相提并论。
帕斯卡是一个神童,早熟,但身体很不好,是一个病秧子。他在很小的时候就表现出了对几何学的兴趣,他在没有阅读任何数学书的前提下,在幼年的时候就独立证明了“三角形的内角和等于两个直角和”。
他的父亲看到这一幕后,激动地都快哭了,认为自己养了一个数学家,将他当成了全村人的希望,于是立马将《几何原本》给了儿子。帕斯卡如饥似渴地阅读这本书,实际上,这本书对于任何一个孩子来讲都是天书,至少不是那么讨人喜的,而帕斯卡却将它当成了一本漫画书、小人书,觉得很有趣,当成了自己的一个玩具。
帕斯卡的姐姐在后来提到,她的弟弟在接触《几何原本》之前就独立证明了欧几里得提出来的前32个命题。但这点是值得怀疑的,帕斯卡的姐姐撒了谎,或说夸大了弟弟的天才。
在帕斯卡16岁之前,他证明了几何学中的一条最美妙的定理。幸运的是,这条定理任何人都能看懂。
两条相交的直线,k与l,在两条直线上各取三个不相同的点,比如,k上取ABC三点,l上取XYZ三点。然后,我们将这些点交叉连接起来,连接方式如下:AY、XB、BZ、YC、XC、ZA。这样,我们就多出了六条直线,然后,这些点对中的每一组联成的两条线交于一点,我们就又得到了三个点,而帕斯卡证明了,这三个点处于同一条直线上。
在帕斯卡《关于圆锥曲线的短论》的著作中,里面有不少于400个关于圆锥曲线的定理,这本书没有出版过,而且很显然,已经遗失了,但不久之后的莱布尼茨曾看过它的抄本,在它的著作中也有提及。
与古希腊人不同的是,帕斯卡研究的几何不是度量的几何,而是画法几何或投影几何。在它的几何中,线段的长度和两直线之间的夹角在证明中都无足轻重。
后来,笛卡尔拜访了帕斯卡一家,俩人就很多地方进行了讨论,但很显然,二人之间并没有惺惺相惜的感觉。笛卡尔拒绝承认《关于圆锥曲线的短论》是由一个16岁不到的孩子写的,甚至笛卡尔还认为,帕斯卡有关大气压的结论是从自己那里嫖去的。
据帕斯卡的妹妹说,笛卡尔与自己的哥哥互相嫉妒。
临走之时,看着帕斯卡虚弱的身体,笛卡尔给了一些忠告,比如让这位体弱多病的年轻人学自己的样子,每天躺到11点才起来,还给他制定了一些食谱,除了牛肉汁之外什么都不要吃。但是帕斯卡显然无视了这些看似善意的忠告,因为他出自笛卡尔之口。
你在教我做事?
笛卡尔的话,我一个标点符号都不信!
后来笛卡尔受瑞典女王克里斯蒂娜之邀,前往瑞典与女王探讨哲学,女王很勤快,每天很早起来,笛卡尔为此不得不放弃自己“每天在床上躺到11点才起来”的习惯,不久之后,他因为天气原因染了病,于不久后去世。
帕斯卡非常嫉妒笛卡尔,他甚至请求将自己于1642年发明的第一台加减法机械计算机献在“世界上最伟大的女王”的脚下。在信中,帕斯卡说了很多谄媚之词。然而,帕斯卡的这种“癞皮狗行为”并没有打动克里斯蒂娜。或许是这位瑞典女王觉得,自己已经折腾死了笛卡尔,不好意思再折腾死另一个人。再者,帕斯卡身体本来就虚弱,估计被瑞典的风一吹就挂了。
1654年11月23日,据记载,在这一天,帕斯卡与死神擦肩而过。有人说他过了三年的放荡生活,但实际上可能并非如此。他将自己的注意力从数学与哲学转移到了生活上。这一天,他驾驶着一辆马车,马突然向前冲了出去,马车的绳索断了,马跑了,而帕斯卡则留在了原地。
自此之后,帕斯卡在自己的胸前贴了一个护身符,他感觉是上帝拯救了他,让他幸免于难。或许,这次意外也可以说是上帝的一次警告,让他重回道德。
之后的几年,帕斯卡与费马合力奠定了概率论的数学理论,俩人之间经常通信。他们对问题的正确解答仅在细节上有所不同,在基本原理上却是一致的。当时有一个职业赌徒梅雷骑士向帕斯卡提出了关于点数的问题。
比如说,两个赌徒在掷骰子,只有当其中一人获得所需的一定点数之后才算获胜,如果他们在一局结束前离场,请问,该如何分配赌注呢?
这个问题翻译一下,其实就是算每个赌徒在赌局的给定阶段赌赢的概率。我们假设每个赌徒赢一个点数的概率相等,那么这个问题就变得非常简单了。举个例子,赌徒掷三个骰子,有多少次能出现2个1点和1个6点呢?
要找出一件指定事情发生的概率,或找出能够发生一个完全指定的事件有多少种方法,就需要用到组合分析这个数学工具了。回到上面那个例子,我们知道掷三次骰子的全部数目,也就是6的三次方,即216,也知道2个1点和1个6点出现方式的数目,我们可以称为n,在这个例子中,n=3.那么我们所求的概率就是3/216.
当时的赌徒们之间流行一种玩法,游戏规则是由赌徒们连续掷四次骰子,如果其中没有6点出现,则赌徒赢,如果出现了一次6点,则庄家赢。当然,前提条件是骰子的质量均匀,掷出任何一点的概率是一样的。
这样的游戏玩下去,只要玩久了,庄家就是永远的赢家。
有些人可能会一脸懵逼啊,凭感觉,好像赌徒和庄家赢的概率都是一样的,怎么可能庄家是赢家呢?
我们一起来算一下,连续掷四个骰子,可能性就是6*6*6*6=1296种,站在赌徒的角度,如果他要赢,这四个骰子中就不能出现一个六点,那么每个骰子的可能性就是五种,四个骰子加起来就是5*5*5*5=625种。用赌徒赢的所有可能性除以骰子的所有可能性=625/1296=0.4822,也就是48%。那么庄家赢的可能性就是1-48%=52%。
好,我们可不可以站在庄家的角度来算概率呢?当然是有的。
请注意,这个玩法的规则是连续掷四个骰子,而不是一次性掷四个骰子,这里面有区别吗?当然有,而且区别很大,如果是连续性,那么当赌徒掷第一个骰子的时候,发现是6点,那么他就没必要去掷接下来的三个骰子了,因为第一个骰子就已经表明,庄家赢了。
对于庄家来讲,他要赢的情况无非分成了四种情况:第一个骰子是6点,第二个骰子是6点,第三个骰子是6点和第四个骰子是6点。我们只要将这四种情况加起来,就是庄家赢的概率。
第一个骰子是6点的可能性:1/6,这没什么问题吧。
第二个骰子是6点的可能性:5/6*1/6
第三个骰子是6点的可能性:5/6*5/6*1/6
第四个骰子是6点的可能性:5/6*5/6*5/6*1/6
我们将上面四种情况加起来,约等于52%,而赌徒赢的概率就是1-52%=48%,与从赌徒角度算概率是一样的。
庄家与赌徒赢的概率,两者相差4%,但是不要小看这小小的4%,如果时间足够长,这4%就能给庄家带来源源不断的财富。
将组合分析与概率论中的问题相联系,帕斯卡在这过程中大量运用了算术三角形。
什么是算术三角形呢?
就是这样一张图:
其中头两行以后的任一行中的数是由上面一行中的数得到的,即把上一行数中两端的1抄下来,再从左到右把相邻的数两两加在一起,就得到了下一行中的数;这样5=1+4,10=4+6,10=6+4,5=4+1。第n行中1以后的数是从n个独立的东西中选出1个,2个,3个……的不同选择方法的数目。
第n行中数也就是(1+x)^n按二项式定理展开的系数。当n=4的时候,我们代入一下就得到(1+x)^4=1+4x+6x²+4x³+x^4,虽然在帕斯卡之前就有人知道它了,但它通常用帕斯卡的名字命名。在我国,这个三角形以南宋数学家杨辉的名字命名,被称为杨辉三角形。
不久之后的莱布尼茨非常关注帕斯卡的研究,他创立微积分的最初灵感就来源于帕斯卡三角形,他的可进行乘除和开方运算的计算机也是对帕斯卡加法器的改进。帕斯卡三角形是针对两个变量的二项式系数,莱布尼茨则将其推广到任意多个变量上。
尽管帕斯卡整天躺在床上,一副要死不死的样子,但他的头脑转得非常快,比如他是最早发明计算机的人,准确来说是一种机械装置,这种计算机只能做加减法,使用起来比较简单,只要摇摇手柄就好了,但效率不高,速度还不如一些人的心算呢。
同时期的莱布尼茨通过改进机械,对这种计算机进行了改良,但依旧效率不高。
1662年8月19日,帕斯卡去世,享年39岁。
不知道如果帕斯卡听从了笛卡尔的建议,每天在床上躺到十一点再起来,会不会有助于他的健康。但我们可以肯定,就算是死,帕斯卡也不用笛卡尔来教他做事。
下期:笛卡尔