浅谈悬链线
【摘要】神奇的數e出現了,就寫在蜘蛛絲上面。在薄霧的清晨,讓我們觀察昨夜織成的蜘蛛網,具黏性的絲,負載著小水珠的重量,彎曲成一條條的懸鏈線,水珠沿著曲線排成美麗的項鍊。當晨曦穿透霧氣,照射在蜘蛛網上,閃耀著彩虹色的亮光,就像一盤奪目的珍珠,榮耀歸功於e。──法布爾
法布爾(Fabre,1823~1915)是法國著名的昆蟲學家,他說:「在昆蟲的世界裡,可以激發我所有的思想與靈感。」這份「熱情」(passions)推動著他研究昆蟲的生活與行為,並且寫出《昆蟲記》之不朽名著,因而被後人尊稱為「昆蟲詩人」或「昆蟲學界的荷馬(Homer)」。
他觀察到的蜘蛛網項鍊(圖一),就是上述那段話的由來。
問題的提出
固定項鍊的兩端,在重力場中讓它自然垂下(圖二),問項鍊的曲線方程式是什麼?
這就是著名的「懸鏈線問題」(the hanging chain problem)。在1690年由賈可比‧貝努利(Jakob Bernoulli, 1654~1705)公開提出來,向數學界挑戰,徵求答案。在微積分初創時期,它正好可用來考驗微積分的威力。這是一段有趣而又極具啟發性的歷史,值得我們重溫一遍,細細品味。
在大自然中,除了懸垂的項鍊與蜘蛛網的水珠項鍊外,我們還可以觀察到吊橋上方的懸垂鋼索(圖三),以及兩根電線桿之間所架設的電線(圖四),這些都是懸鏈線(catenary)。
由大自然引導出來的數學,讓我們覺得「有土、有根」,並且沾染、散發著「就在身邊的親切感」。
亞里斯多德與伽利略的錯誤
大家都看過海豚躍水的表演(圖五),以及石頭(或砲彈)飛過天際的現象,並且知道它們的軌跡都是拋物線(parabola),這是超乎歐氏幾何的曲線。基本上,歐氏幾何只研究由直線與圓所交織出來的圖形世界。
亞里斯多德的錯誤
然而古希臘偉大哲學家(百科全書般的人物)亞里斯多德(Aristotle,384~322 B.C.),他卻認為石頭飛過天空的軌道應如圖六所示,因為根據他的「有機目的觀」的物理學與哲學,地面上的「自然運動」(natural motion)是直線,所以石頭飛出去是直線,掉下來也是直線並且垂直地面。
這個錯誤兩千年後才由伽利略(Galileo, 1564~1643)加以修正,並且得到軌跡的正確方程式為二次函數 y=ax2+bx+c,這不必用到微積分就可以求出來。事實上,伽利略不懂微積分,那時微積分還未真正誕生。
伽利略的錯誤
伽利略比貝努利更早注意到懸鏈線,但是「螳螂捕蟬,黃雀在後」,他也犯了錯誤:他猜測懸鏈線為拋物線。從外表看起來(圖二),懸鏈線的確很像拋物線,然而實際上並不是!惠更斯(Huygens, 1629~1695)在1646年(當時17歲),經由物理的論證,得知伽利略的猜測不對,但正確的答案這個時候他也求不出來。這是大自然的一個深刻秘密,只有微積分可以揭開它。
兩點啟示
首先是,檢驗錯誤易,建立真理難,即「理未易明,善未易察」。其次是,偉大的人物可能犯偉大的錯誤。因此,我們要時時警覺到費因曼(Feynman, 1918~
1988)所說的「科學就是懷疑專家會有錯誤」,更進一步要如笛卡兒 (Descartes, 1596~1650)之持「系統地、方法地懷疑」的態度。
科學哲學
這些啟示正好就是,在現代科學哲學中,波柏(K. Popper, 1902~1995)所提倡的「否證論」(Falsification theory)之出發點。否證論的要旨是:無論我們觀察了多少隻的白色天鵝,都沒有證明「凡是天鵝都是白色的」這個「理論」,但只要出現一隻黑天鵝,就否證了該理論。換言之,我們雖然無法證明一個科學理論是對的,但是我們可以透過批判討論(critical discussions)找出理論的錯誤所在,逼使胡說八道現原形,甚至否證、推翻它,將科學理論不斷地推陳出新。科學的進展是,成功踏著錯誤前進。
在這個觀點之下,科學方法就是「嘗試改誤」(trial and error),從錯誤中學習。特別地,前人的錯誤經驗,對後人更具有啟發性與教育價值。可惜,這幾乎都被我們的教育忽略了,而只講授成功的典範。
微積分馴服懸鏈線
伽利略的錯誤與惠更斯的無能為力,真正的理由是缺乏微積分工具,要馴服懸鏈線就必須用到微積分!
我們知道,微積分經過兩千年的醞釀,到了十七世紀後半葉,才由牛頓(Newton, 1642~1727)與萊布尼慈(Leibniz, 1646~1716)兩人獨立地發明。牛頓在1660年代發明,但直到1711年才發表;萊布尼慈在1670年代發明,在1684年就發表,比牛頓還早公諸於世。
微積分基本上是要探求曲線的切線與曲線所圍成的面積這兩個問題。它們的解決都必須經過「無窮步驟」,才能得到答案,落實於取極限或無窮小的演算。換句話說,微積分是道道地地的「無窮之學」(the science of infinity),這是微積分之所以深刻、困難與迷人的理由。
牛頓與萊布尼慈的微積分,最主要的內涵是:建立微分法的系統演算規則並且看出微分與積分的互逆性。
微分法的正向演算(即由f(x)求出f'(x)),解決了求切線、求極值、求速度、加速度以及一切變化率的問題。
微分法的反向演算(即由f'(x)求出f(x)),解決了兩千年的求積分之難題以及運動現象的里程問題等等。
更要緊的是,面對大自然變化萬千的現象,利用「物之理」與微分法,我們可以將一條未知曲線(或一個未知函數),網在一個微分方程式之中,再利用「積分法」(即反微分法),解開網子,求得未知曲線(或未知函數)。這和我們在中學時代,利用代數方程式網住未知數x,再求解方程式的手法完全一樣。 微分法是人類苦練兩千餘年才得到的寶劍,削金斬鐵,銳利無比。當賈可比‧貝努利在1690年提出「懸鏈線問題」後,隔年(1691年)萊布尼慈、惠更斯(當時他已62歲)與約翰‧貝努利(Johann Bernoulli, 1667~1748,賈可比‧貝努利之弟)都利用這一把利器,求得正確的答案:
【】 (1)
其中e為神奇的數
【】
這就是法布爾所說的「榮耀歸功於e」之由來。
此地我們用了較後來才出現的現代數學術語與記號來表達,下面我們也要按此要領,先建立懸鏈線所滿足的微分方程,然後再求解之。
數學模型
考慮如圖七呈平衡靜止的懸鏈線。假設它的密度與粗細都是均勻的,令y軸通過它的最低點P0,並且s表示從P0到變動點P(x,y)的弧長,w0表線密度(即單位長度的重量)。再令P0點與P點的張力分別為T0與T,它們都切於懸鏈線。作用於弧段s之力,除了T0與T之外,還有向下的ws,這是弧段的重量。 0
因為弧段s是靜止的,故作用力是平衡的,即x軸與y軸方向的合力都是0。因此
Tcosθ=T0,Tsinθ=ws (3)後式除以前式得到 0
tanθ=ws/T0(4)因為 dy/dx=tanθ,並且令αw=/T,所以 00
dy/dx=as(5)為了消去s,上式對x作微分,並利用曲線弧長公式,我們得到
【】 (6)
這是一個二階微分方程,我們還有兩個天然的初期條件
y(0)=y0, y'(0)=0(7)
上述(6)與(7)兩式就是懸鏈線y=f(x)這個未知函數所滿足的方程式。 求解微分方程
我們求解(6)與(7)兩式。令P=dy/dx,則(6)式變成
【】 (8)分離變數後再積分,得到
【】為了求算左項之積分,作三角代換p=tanψ,則dp=secψdψ且【】。於是
【】從而
【】由y'(0)=0知,當x=0時,p=0,故c1=0。因此
【】
將p移至右邊,平方,化簡,得到
dy/dx=p=1/2(e-e)
作積分,得到
y=1/(2a)(eax+e-ax)+c2
為了簡潔起見,我們調整坐標系,使得y(0)=y0=1/α,於是c2=0,從而 y=1/(2a)(eax+e-ax) (9)
這就是懸鏈線的方程式,它是一個超越函數(transcendental function),而拋物線y=ax2+bx+c只是一個代數函數(algebraic function),兩者的難易度、深淺度相差非常大(參見圖八)。
今日我們定義函數
coshx=1/2(ex+e-x)
sinhx=1/2(e-e)分別稱為雙曲餘弦函數與雙曲正弦函數。因此,(9)式可以改寫成
y=1/a cosh(ax) (10) x-xax-ax2
數學發現的狂喜
微積分發明後,在歐陸瑞士的貝努利家族,因為勤於跟德國的萊布尼慈通信,所以是第一批學會微積分的人。利用微積分工具,約翰解決了懸鏈線問題,反倒是提問題的哥哥賈可比沒有解出來。為此,約翰嘗到發現的狂喜,即使是經過27年後,勝利的甜蜜滋味仍舊躍然紙上。
事情是這樣的:因為約翰一直對外宣稱是他而不是賈可比求得答案,有一位同事提出質疑,所以約翰寫信說明這件事。他在1718年(此時賈可比已過世十三年)寫道:
你說我的哥哥賈可比提出(懸鏈線)問題,這是對的,但這並不意謂著他也求得答案,不是嗎?事實上,他根本沒有算出答案。當他在我的建議下,提出這個問題時(我是第一個想到此問題的人),我們兩人都不會求解。對於求解不出這件事,我們同感苦惱、絕望。直到萊布尼慈先生在1690年經由《萊比錫》(Leipzig)雜誌p.360,透露消息說,他已求得答案,但暫時不公布,預留時間給其他分析學家,也有發現的機會。這鼓舞了我們兄弟兩人,重新思考這個難題。
我哥哥的努力並沒有成功,而我比較幸運,因為我找到了求解此問題的技巧(這樣說並不是「老王賣瓜」,我何必隱藏或歪曲真相呢?)…第二天早晨,我的內心充滿著狂喜,急忙去找哥哥,發現他仍然在跟他的「戈登結」(Gordian knot)苦鬥,沒有勝利的跡象,因為他總是和伽利略犯同樣的錯誤,把懸鏈線想成是拋物線。我對他說:停!停!不要再折磨自己,不要嘗試去證明懸鏈線就是拋物線,因為這根本是錯誤的。
懸鏈線問題的解決,有苦有樂,並且標誌著新發明的微積分之偉大勝利,它比美於五年後在1696年約翰所提出著名的「最速下降線問題」(the
brachistochrone problem),這是另一個美麗的數學發現故事(以後有機會再
介紹)。關於數學的苦樂,現代法國布爾巴基(Bourbaki)學派的數學家魏爾(A. Weil)說得更明白,他說:
每位真正的數學家都曾經歷過一種清澄的狂喜,陣陣歡欣的情緒一波接著另一波,像奇蹟般地產生…,這種感覺可能延續幾小時,甚至幾天。一經體驗過這種飛揚的純喜,你就會熱切期待再次得到,但這無法隨心所欲,除非也許是你必須透過頑強的、辛苦的工作。
大自然按最小原理行事
貝努利兄弟對懸鏈線的求解,賈可比略居下風。然而,在1691年賈可比證明了:懸掛於兩個固定點之間的同一條項鍊,在所有可能的形狀中,要以懸鏈線的重心最低,並且因而具有最小位能。這件事使得賈可比扳回一局,兩兄弟扯平了。 這個發現深具意義,因為它首度啟示我們一個深刻的觀點:在某種神秘運作下,大自然的實際結構是按著最小位能的原理來佈局。
賈可比的證法已經查不到,不過,我們現在可以利用變分法(calculus of variation)加以證明。
如圖九,考慮通過A、B兩點的各種等長曲線。令曲線y=f(x)的長度為L,重心坐標為(x,y),則
【瀏覽件原】
並且由重心的公式知
【】 (11)
【】 (12)
因為我們只是要探討各曲線重心的高低,所以只要注意y的公式就好了。為此,考慮泛函(functional)
【】 (13)其中
【瀏覽件原】 (14)J將每一條曲線 y=f(x)都指定一個實數J(y),故叫做泛函。 由變分法知,若曲線y=f(x)使J取到最小值,則y=f(x)滿足Euler-Lagrange方程式
【瀏覽件原】 (15)代入(14),化簡得到
y‧y''-(y')2-1=0 (16)
為了求解此方程,令p=dy/dx,則
【】於是(16)式變成
【】 (17)分離變數,再作積分,得到
【】於是
y2=k(1+p2),k>0 (18)
以p=dy/dx代入,分離變數,再作積分,得到
【】 (19)變數代換,令 y=1/√k coshu,則dy=1/√k sinhu,代入(19)式得 cosh(√ky)=√k(x+c)
於是
y=1/√k cosh[√k(x+c)] (20)
其中的常數k與c可由兩個邊界條件 -1
y=(a)=α,y(b)=β(21)來確定。(20)式為懸鏈線。因此,我們的結論是:在所有可能的曲線中,懸鏈線的重心最低。
懸鏈線還具有另一個美妙的性質,即它的旋轉體之表面積最小,這也可以利用變分法加以證明。詳言之,在坐標平面上,通過兩點(x1,y1)與(x2,y2)的所有可能曲線,繞x軸旋轉得到旋轉體,那麼以懸鏈線所產生的旋轉體,其表面積為最小(圖十)。
雙曲函數與圓函數的類推
雙曲函數(hyperbolic functions)最早出現於懸鏈線的研究之中,例如我們已看過雙曲餘弦函數
y=coshx=1/2(ex+e-x)
為什麼要取名「雙曲」呢?它跟雙曲線有關係嗎?答案是肯定的。
最早注意到雙曲函數及其跟圓函數(即三角函數)的類推關係的人是義大利數學家芮卡蒂(V.Riccati,1707~1775),他在1757年引入記號
coshx=1/2(ex+e-x)
sinhx=1/2(ex-e-x)這兩個函數的圖形如圖十一。
任何定義在以原點為中心的函數y=f(x)都可以表成偶函數與奇函數之和: f(x)=1/2[f(x)+f(-x)]+1/2[f(x)-f(-x)]
特別地,指數函數y=e可以表成雙曲正弦函數與雙曲餘弦函數之和: ex=1/2(ex+e-x)+1/2(ex-e-x)=coshx+sinhx
芮卡蒂進一步發現cosh2x-sinh2x=1,這類似於三角恆等式cos2x+sin2x=1。後者與圓x2+y2=1有關,而前者與雙曲線x2-y2=1有關。 x
兩者之間的詳細類推情形,由德國數學家藍柏特(Lambert,1728~1777)作了全面的研究,並且在1770年發表。
首先我們看圓與三角函數的關係,這是大家都很熟悉的內容。在圖十二中,我們有下列關係式,這是三角函數,又叫做圓函數(circular functions)的理由。 PM=sinθ,OM=cosθ
AB=tanθ,PC=cotθ
OB=secθ,OC=cscθ
在圖十二中,θ代表角度,但是這無法類推到雙曲線的情形,因為在圖十三中,顯然θ不代表∠POA,而是代表陰影領域面積之兩倍:
【】
先計算
【】【】
所以
陰影領域的面積=θ/2 (22)
另一方面,在圖十四中,顯然θ/2代表扇形領域的面積。因此,將θ解釋成面積才能抓到圓函數與雙曲函數的共通本質。這是在1757年由芮卡蒂所證明的結果。
進一步,其他四個含曲函數仿三角函數的辦法定義如下:
tanhx=sinhx/coshx=(e-e)/(e+e)
cothx=coshx/sinhx=(ex+e-x)/(ex-e-x)
sechx=1/coshx=2/(ex+e-x) x-xx-x
cschx=1/sinhx=2/(ex-e-x)
它們分別稱為雙曲正切函數、雙曲餘切函數、雙曲正割函數與雙曲餘割函數。 每一個三角函數的恆等式、微分公式與積分公式,都可類推到雙曲函數,不過,可能會有正負號上的微小差異。另外,我們也可仿照反三角函數,談論反雙曲函數以及兩者之間的平行類推關係。
我們要強調,請注意在類推過程中的「同中之異」與「異中之同」,以求達到「知所異同,方窺全貌」。
下面列出一些對照公式:
(i)畢氏關係式
cos2x+sin2x=1,
cosh2x-sinh2x=1
(ii)奇偶關係
cos(-x)=cosx,
cosh(-x)=coshx
sin(-x)=-sinx,
sinh(-x)=-sinhx
(iii)和角公式
cos(x+y)=cosx cosy-sinx siny,
cosh(x+y)=coshx coshy+sinhx sinhy
sin(x+y)=sinx cosy+cosx siny,
sinh(x+y)=sinhx coshy+coshx sinhy
(iv)積分公式
Dcosx=-sinx,Dcoshx=sinhx
Dsinx=cosx,Dsinhx=coshx
(v)積分公式
【】,
【】
(vi)週期性*
cos(x+2π)=cosx
sin(x+2π)=sinx
*雙曲函數沒有實值週期
既然圓函數與雙曲函數具有這麼多的平行類推關係,它們的重要性與地位似應相同。然而,事實並非如此。最主要的理由是,圓為封閉曲線,周而復始,導致圓函數為週期函數,適合於研究週期現象,發展出傅立葉(Fourier)分析。相對地,雙曲函數就缺乏這種特性。不過,從懸鏈線、反演幾何(Inversive
geometry)、非歐幾何(雙曲幾何),到廣義相對論,都有雙曲函數的應用蹤跡。 結語
本文由法布爾對蜘蛛網水珠項鍊的讚美切入,引出懸鏈線問題的探尋。從伽利略的錯誤,直到微積分出現後,萊布尼慈、惠更斯、貝努利兄弟才真正把問題解決。
接著,芮卡蒂與藍柏特以懸鏈線作為一個胚芽,並且平行類推於圓函數,進一步展開雙曲函數的研究。
圖十五是位於美國聖路易的拱形大門(the Gateway Arch),它是按懸鏈線來設計的,在1965年建造完成。它的方程式如下:
y=693.8597-68.7672cosh(0.0100333x)
-299.2239≦x≦299.2239
其中x,y的單位為呎。這是結合數學、藝術與工程技術,三合一的作品,橫跨密西西比河的兩岸。
我們順便也可以利用懸鏈線的拱門圖形來表達微積分最基本的架構:一個概念、兩個定義與一個定理(圖十六)。地基是極限概念;拱門的兩個腳是兩個定義,即微分與積分;最高點會合處是一個定理,即微積分根本定理,包括微分與積分的互逆性以及Newton-Leibniz公式。
從歷史的長河來看,西方文明發源於古希臘,經過大約兩千年的發展,到了十七世紀,在西歐才結合古希臘的「邏輯演繹」與文藝復興的「實證精神」,完成偉大的「科學革命」,最主要的成果是微積分、牛頓力學與萬有引力定律的創立。接著是十八世紀法國的「啟蒙運動」(the Enlightenment),導致民智大開,各支學問蓬勃發展,產生政治革命(1776年美國獨立革命,1789年法國大革命),以及十八至十九世紀的工業革命,逐步開展出現代的人類文明。在這個過程中,無可置疑地,微積分扮演著關鍵性的角色。「看似尋常,最奇絕;成如容易,卻艱辛。」
蔡聰明任教於台灣大學數學系
參考資料
1. 法布爾,《昆蟲記》共八冊,奧本大三郎改編,台北東方出版社,1993。
2. Maor, E., e the story of a Number, Princeton University press, New Jersey, 1994.
3. Marks, J., Science and the Making of the Modern World, Heinemann, London, 1983.
4. Simmons, G.F., Calculus with Analytic Geometry, McGraw-Hill, 1996.
5. Simmons, G.F., Calculus Gems, Brief Lives and Memorable Mathematics, McGraw-Hill, 1992.
6. Simmons, G.F., Differential Equations with Applications and Historical Notes, 2nd Ed., McGraw-Hill, 1991.
7. Boyer, C.B., A History of Mathematics, Revised by U.C. Merzbach, John Wiley & Sons, Inc., 1991.