欧拉的这个著名公式探秘了多面体的秘密

遇见数学
2024-05-17 19:46河南教育领域创作者,活力创作者
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欧拉在普鲁士宫廷研究多面体,提出多面体欧拉公式并证明,该公式对任意多面体成立。欧拉因视力问题仍坚持研究,作品涉及多个数学领域。多面体欧拉公式最初证明有缺陷,后由勒让德给出首个基于概念的证明。
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就我所知,之前还没有人发现过这条通用的立体几何性质。——欧拉
故事要从普鲁士腓特烈大帝的宫廷轶事说起。在二十五年里,瑞士数学家莱昂哈德·欧拉(Leonhard Euler)一直是腓特烈大帝宫廷的常客。他在 1741 年被腓特烈大帝聘请到柏林科学院当数学学科的带头人。
起初,一切都很顺利,欧拉甚至还常常从自己的院子里摘些草莓给腓特烈大帝。不过,自从“七年战争”(1756—1763)中俄国占领柏林后,这二人的关系便很快陷入了僵局。那时,腓特烈大帝开始对科学院的运营细节产生兴趣,因此几乎天天会看到欧拉。欧拉越来越觉得这位国王小气、粗俗;而腓特烈大帝呢,这位优雅的作曲家和演奏家则认为欧拉不谙世事——更准确地说,觉得他短浅庸俗。于是,欧拉毫不犹豫地接受了俄国叶卡捷琳娜女皇的邀请,于 1766年回到了俄国的圣彼得堡科学院。他在去柏林之前,曾是那里的数学学科带头人。此后,他再也没有离开过圣彼得堡。
欧拉拥有神奇的心算能力。曾经有两位学生为某个复杂求和计算结果的第五十位小数争执不下,欧拉轻而易举地用心算算出了正确答案。法国物理学家弗朗索瓦·阿拉戈(François Arago)对此的评论是:“他悄无声息地计算着,如同人生来就会呼吸,老鹰天生就会翱翔。”
在随后的日子里,尽管欧拉的视力越来越糟糕,但他仍不断取得丰富的数学成果。他是有史以来最高产的数学家,出版或发表了数以百计的著作和论文,总计有数万页之多,他的全集出版工作至今尚未完成。欧拉的作品涉猎范围非常广,如素数的纯粹性、音乐中的和声、三角形的几何性质,以及微积分、机械学,乃至光学、天文学、声学、对船舶航行的研究等实用领域。就像应用数学家皮埃尔 - 西蒙·拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)后来热情洋溢地对他的学生所说的:
研读欧拉吧,研读欧拉吧。他是我们所有人的导师。
1750 年 11 月 14 日,当欧拉还在柏林时,他给克里斯蒂安·哥德巴赫(Christian Goldbach)写了一封信。哥德巴赫是他在圣彼得堡时的同事,同时也是一位传奇的数学发烧友。就像一个世纪后的德·摩根和哈密顿那样,这两位先生也保持通信很多年,分享彼此最新的数学研究进展。如今,哥德巴赫主要因他提出的那个至今尚未被攻克的猜想而被人提及,该猜想指出:
每个大于 2 的偶数,都可以由两个素数之和表示。
比如:
10=5+5,20=13+7,30=19+11,40=23+17
欧拉的信是关于多面体(一种由平面围成的立体图形)的,比如,立方体是由六个正方形围成的,正方棱锥是由一个正方形和四个三角形围成的。

人们研究多面体的历史十分悠久,至晚可以追溯到古埃及金字塔的建造,那大约是公元前三千年的事情了。古希腊人则钟情于正多面体,就像立方体那样,所有的面都是相同的正多边形(例如正方形),且每个角都由那些多边形以相同的排列组成。正多面体如今也常常被称为柏拉图立体,因为柏拉图(Plato)在他的《蒂迈欧篇》(创作于约公元前 400 年)中讨论过它们。欧几里得(Euclid)在《几何原本》(创作于约公元前 300 年,是流传最广的数学著作)中,向人们展示了如何构造它们,并证明了只存在以下五种正多面体。
■ 正四面体,由四个正三角形围成;
■ 立方体,也叫正六面体,由六个正方形围成;
■ 正八面体,由八个正三角形围成;
■ 正十二面体,由十二个正五边形围成;
■ 正二十面体,由二十个正三角形围成