第二优美的数学公式

百科   2024-11-07 07:21   北京  

这是一个简单到小学生都能很快理解,又深刻到衍生出新的数学分支的公式。它的意义深远,甚至连它的发现者欧拉都未曾料到。

它就是被称为第二优美的数学公式——欧拉多面体公式V-E+F=2

它表示多面体的顶点数、棱数和面数存在一个简明的数量关系。

我们可以拿一些多面体来验证它。

它如此简单,以至于欧拉发现它时,惊讶于从古希腊开始,两千年来,无数伟大的数学家们,竟然都错过了它。

1750年,身处柏林的欧拉给在圣彼得堡的好友哥德巴赫写信,说自己发现多面体不同面之间的交线,一直没有明确的名字,于是就将其命名为“”。没想到这一小小的举措,却成为后来一个宏大理论的第一块基石。

他接下来又阐明了自己的发现:一个顶点数为V、棱数为E、面数为F的多面体满足V-E+F=2。

然而,欧拉真的是这个公式的最早发现者吗?

这个问题在历史上出现过争议,而竞争者就是解析几何之父——笛卡尔

笛卡尔早于欧拉约一百年,他在世时并未发表过关于多面体的数学内容。当他在瑞典六十年一遇的严寒中感染肺病去世后,他的随身物品被好友(法国大使沙尼)运回巴黎,并转交给自己的姐夫(克莱尔色列),结果船只在塞纳河失事,装载着笛卡尔笔记和手稿的行李箱被河水冲走。幸运的是,三天后人们找到了这个箱子,里面的论文被悬挂晾干。之后它的拥有者将其陆续发表,并允许其他学者查阅原件。

莱布尼茨就是对笛卡尔笔记感兴趣的数学家之一,一次他到访巴黎,抄录了笛卡尔笔记中关于多面体的部分内容,这份笔记现在被称为《立体的基础理论》

莱布尼茨到访八年后(1684年),克莱尔色列去世,笛卡尔未发表的笔记(包含《立体的基础理论》)也随之失踪。

在接下来的两个世纪,莱布尼茨的抄本也遗失了。

直到1860年,一位研究笛卡尔的学者(富歇·德·卡雷伊),从莱布尼茨的书信中知道他曾经有过一个抄本,来到汉诺威皇家图书馆搜寻抄本,虽然经整理的文件中没有找到。然而他却发现一个无人问津的壁橱中,有一堆落满灰尘的论文,其中居然就有莱布尼茨的抄本!

原来笛卡尔发现了多面体顶点数V、面数F和平面角数P之间,存在一定的关系。

他写下了这个公式:P=2F+2V-4

平面角数与棱数是2倍的关系并不难发现,所以一度有学者认为,笛卡尔早于欧拉发现了多面体公式,这个第二优雅的公式应该冠名为笛卡尔公式

但后来人们意识到,欧拉对这个公式,有一个更为本质性的认识,那就是他引入了“棱”这个概念。他在0维对象(顶点)、1维对象()和2维对象()之间建立起了联系。

正因为这一深刻发现,才使得欧拉多面体公式能继续推演,庞加莱等人将欧拉的公式推广到了任意维的对象上,最终成了拓扑学的重要定理。

而笛卡尔的平面角,不能与“棱”相提并论,因此笛卡尔终究还是与它失之交臂。

欧拉凭借非凡的洞察力,为多面体理论树立起了两千年来的第一座里程碑。关于这个公式的证明,以及衍生出来的构造数学对象的规则,影响了接下来两百年无数数学家的命运。

欧拉不愧为是所有人的老师!



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