萊布尼茲 (Gottfried Wilhelm Leibniz,1646-1716)

20世紀知名英國思想家伯特蘭.羅素(Bertrand Russell)讚譽萊布尼茲是「千古絕倫大智者」。

萊布尼茲雖然投身政治圈,卻喜歡研究數學,對於哲學、法律、歷史、地質、邏輯、力學、光學、政治也都有重要貢獻。 在他的協助下成立了德國科學院和柏林科學院。

1646年生於德國的薩克森州萊比錫 (Leipzig),父親是萊比錫大學的倫理學教授,在萊布尼茨6歲時去世,留給萊布尼茲一座私人圖書館。1661年,15歲進入萊比錫大學就讀,主修哲學和數學,1663年取得學士學位。1666年,20歲的萊布尼茲出版一本哲學著作《論組合的藝術》(De Arte Combinatoria)。1667年21歲在紐倫堡(Nuremberg阿爾特多夫(Altdorf) 大學得到哲學博士學位論文〈De Casibus perplexis in Jure〉(論法學中的難題)採用數學的思考方式來分析法律和哲學之間的關係。

1672~1676年以外交官身份派駐法國巴黎,剛到巴黎就認識荷蘭物理學家、數學家惠更斯(Christiaan Huygens),惠更斯送他一本剛出版的關於單擺的著作在惠更斯指導下開始研讀高等幾何學。惠更斯建議萊布尼茲閱讀比利時數學家聖文森特(Saint-Vincent))關於級數求和的著作,並有了一些自己的發現。惠更斯也給他帕斯卡(Pascal) 的著作,從中學到了無窮小論證法、不可分割法以及重心的求法,啟發他研究微積分。這期間 萊布尼茲發現離散有限的差和分,並以此為基礎發展了連續無窮多個無窮小的積分。

1673年萊布尼茲訪問英國皇家學會並展示他所設計的但未完成的計算器,帕斯卡發明的第一部齒輪計算器只能做加減法運算,但是萊布尼茲的計算器可以做四則運算。萊布尼茲的計算器引起了巴黎科學院和倫敦皇家學會極大的興趣,為此,萊布尼茲被選為巴黎科學院院士和倫敦皇家學會會員,他所製成的計算器樣品送到倫敦展出。這一年他開始認真研究微積分,並引入一些微積分符號。1675年在他的一份手稿首次出現積分符號 $\int f dx$。

萊布尼茲發展二進位算術系統,系統中只有0或1,現代積體電路中的邏輯匣就是二進位設計。萊布尼茲分別於1701年和1703年發表論文《數字科學新論》(Essay d'unne nouvelle Science des Nombres)和《論只使用符號0和1的二進位算術,兼論其用途及它賦予伏羲所使用的古老圖形的意義》(Explication de l'arithmétique binaire),說明 0、1二進位運算的用途,認為「二進位乃是具有世界普遍性的、最完美的邏輯語言」。

1676年萊布尼茲回到德國,於漢諾威(Hanover)擔任地方政府的顧問和圖書館館長,長達四十年之久。雖然萊布尼茲是律師與外交官, 但是他對於哲學、法律、歷史、地質、邏輯、力學、光學的學問都有濃厚的興趣。由於他的奔走鼓吹,並獲得腓特烈一世的支持,柏林科學院於1700年成立,首任院長就是萊布尼茲

1684年萊布尼茲在雜誌《Acta Eruditorum》發表〈求極大小值及切線的新方法〉,這是關於微分學的第一篇論文,也是數學史上第一本公開發表的微積分學著作。在這篇文章中,他引進了微分式,給了微分式的四則運算公式,並說明求極值的條件是 dv=0,求反曲點的條件是 ddv=0。
微分式的四則運算:
d(u
±v)=du±dv
d(uv)=v du+u dv
d($\frac{u}{v}$)=$\large\frac{v du-u dv}{v^2}$
1686年在雜誌《Acta Eruditorum》發表〈論一深度隱藏的幾何學及無窮小與無窮大的分析〉,積分符號 $\int$ 正式踏進數學史。
1693年在雜誌《Acta Eruditorum》發表微積分基本定理,從曲線的切線性質進行求積的問題。

萊布尼茲在與牛頓激烈爭辯誰是微積分創始人之後,萊布尼茲被世人冷落,晚景淒涼。 雖然萊布尼茲是英國皇家學會和柏林科學院的終身會員,1716年他逝世後這兩所學會都沒有舉辦追悼儀式。萊布尼茲的葬禮在德國的漢諾威舉行,和他淵源很深的英國國王喬治一世也選擇了不去參加,竟然只有萊布尼茲的秘書一個人送葬。在下葬後的半世紀裡竟然沒有人為其立碑。 一直到1765年,萊布尼茲的手稿被整理陸續出版,被扭曲半個世紀的真相大白,原來萊布尼茲的成就不亞於牛頓,微積分也是兩個人各自發展並無相互抄襲。1985年,德國政府設立了萊布尼茲獎,獎金高達250萬歐元,遠遠超諾貝爾獎,2012年頒發基礎物理學突破獎之前是世上獎金最高的科學成就獎。

關於微積分的研究,萊布尼茲牛頓的共同點:
(1) 提供代數的方法,不讓幾何的方法專美於前。
(2) 創造微積分成為新的計算方法。
(3) 以微積分解決了變率、切線、極值和求面積的方法。

關於微積分的研究,萊布尼茲牛頓的差異:
(1) 萊布尼茲著重無限小微分 dx,牛頓
以不嚴謹的幾何直觀利用$\lim\limits_{\Delta x\to 0}{\frac{\Delta y}{\Delta x}}$來求函數切線。關於無窮小量趨近於0的問題,萊布尼茲和牛頓都無法嚴謹證明,這引發數學第二次危機直到1850年代德國數學家卡爾·魏爾斯特拉斯(Wilhelm Weierstrass) 以ε-δ語言嚴格定義極限。
(2) 萊布尼茲研究微分是想了解曲線的切線,作為純數學的應用,他的微積分符號仍然沿用至今。牛頓研究微分是為了解決物理力學上問題,他的微積分符號目前已經不再通用了。

1850年德國漢諾威出版了萊布尼茲書信全集,有一封1683年萊布尼茲寫給羅必達(L'Hôpital)的私人信件,發現萊布尼茲早已經發展了三階行列式的計算規則,用來解三元一次聯立方程式,這個計算規則後來稱為克拉瑪公式。

 

參考資料:數學發展史 王懷權 著  協進圖書公司出版


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