最美的十个公式和十个数形结合.docx
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最美的十个公式和十个数形结合
最美丽的十个公式
英国科学期刊《物理世界》曾让读者投票评选了“最伟大的公式”，最终榜上有名的十个公式既有无人不知的1＋1＝2，又有著名的E＝mc^2；既有简单的圆周公式，又有复杂的欧拉公式……
No.10圆的周长公式（The LengthoftheCircumferenceofaCircle）
目前，人类已经能得到圆周率的2061亿位精度。
还是挺无聊的。
现代科技领域使用的圆周率值，有十几位就已经足够了。
如果用35位精度的圆周率值，来计算一个能把太阳系包起来的一个圆的周长，误差还不到质子直径的百万分之一。
现在的人计算圆周率，多数是为了验证计算机的计算能力，还有就是为了兴趣。
No.9傅立叶变换（TheFourierTransform）
这个挺专业的，一般人完全不明白。
不多作解释。
简要地说，没有这个式子就没有今天的电子计算机，所以，你能在这里上网除了感谢党和政府外还要感谢这个完全看不懂的式子。
傅立叶虽然姓傅，但他是法国人。
No.8德布罗意方程组（ThedeBroglieRelations）
这个东西也挺牛B的，高中物理学到光学的活很多概念跟它是远亲。
简要地说，德布罗意这人觉得电子不仅是一个粒子，也是一种波，它还有“波长”。
于是搞啊搞，就有了这个物质波方程（属于量子物理的范畴），它表达了波长、能量…等之间的关系。
同时他也获得了1929年的诺贝尔物理学奖。
No.7 哥德巴赫猜想（GoldbachConjecture）
1＋1＝2这个公式不需要名称，不需要翻译，更不需要解释。
No.6薛定谔方程（TheSchrödingerEquation）
也是一般人完全不明白的。
因此我摘录官方的评价：
“薛定谔方程是世界原子物理学文献中应用最广泛、影响最大的公式”。
由于对量子力学的杰出贡献，薛定谔获得1933年诺贝尔物理奖。
另外，薛定谔虽然姓薛，但他是奥地利人。
No.5质能方程（Mass–energyEquivalence）
好像从来没有一个科学界的公式有如此广泛的意义。
在物理学的“奇迹年”1905年，由一个叫做爱因斯坦的年轻人提出。
同年他还发表了《论动体的电动力学》——俗称狭义相对论。
这个公式告诉我们：
能量和质量是可以互换的。
副产品：
原子弹。
No.4勾股定理／毕达哥拉斯定理（PythagoreanTheorem）
No.3牛顿第二定律（Newton'sSecondLawofMotion）
有史以来最伟大的有其没有之一的科学家在有史以来最伟大的科学巨作《自然哲学的数学原理》当中的被认为是经典物理学中最伟大的核心定律。
动力学的所有基本方程都可由它通过微积分推导出来。
对于学过高中物理的人，没什么好多讲了。
No.2 欧拉公式（Euler'sIdentity）
这个公式是上帝写的么？
到了最后几名，创造者个个都是神人。
欧拉是历史上最多产的数学家，也是各领域（包含数学的所有分支及力学、光学、音响学、水利、天文、化学、医药…等）最多著作的学者。
数学史上称十八世纪为“欧拉时代”。
欧拉出生于瑞士，31岁丧失了右眼的视力，59岁双眼失明，但他性格乐观，有惊人的记忆力及注意力。
他一生谦逊，很少用自己的名字给他发现的东西命名。
不过还是命名了一个最重要的一个常数——e。
关于e，以前有一个笑话说：
在一家精神病院里，有个病患整天对着别人说，“我微分你、我微分你。
”也不知为什么，这些病患都有一点简单的微积分概念，总以为有一天自己会像一般多项式函数般，被微分到变成零而消失，因此对他避之不及，然而某天他却遇上了一个不为所动的人，他很意外，而这个人淡淡地对他说，“我是e的x次方。
”
这个公式的巧妙之处在于，它没有任何多余的内容，将数学中最基本的e、i、pi放在了同一个式子中，同时加入了数学也是哲学中最重要的0和1，再以简单的加号相连。
高斯曾经说：
“一个人第一次看到这个公式而不感到它的魅力，他就不可能成为数学家。
”
No.1 麦克斯韦方程组（TheMaxwell'sEquations）
积分形式：
微分形式：
任何一个能把这几个公式都看懂的人，一定会感到背后有凉风——如果没有上帝，怎么解释如此完美的方程？
这组公式融合了电的高斯定律、磁的高斯定律、法拉第定律以及安培定律。
比较谦虚的评价是：
“一般地，宇宙间任何的电磁现象，皆可由此方程组解释”。
到后来，麦克斯韦仅靠纸笔演算，就从这组公式预言了电磁波的存在。
我们不是总喜欢编一些故事，比如爱因斯坦小时候因为某一刺激从而走上了发奋学习、报效祖国的道路么。
事实上，这个刺激就是你看到的这个方程组。
也正是因为这个方程组完美统一了整个电磁场，让爱因斯坦始终想要以同样的方式统一引力场，并将宏观与微观的两种力放在同一组式子中：
即著名的“大一统理论”。
爱因斯坦直到去世都没有走出这个隧道，而如果一旦走出去，我们将会在隧道另一头看到上帝本人。
十大不需要语言的数学证明
当谈到复杂数学定理的证明时，很多人常常为之色变，认为这只是一个枯燥公式的堆砌和深奥的数学推导过程。
这当然是一个让笔者感到纠结的误解。
因为数学证明中包含的美丽与精巧实在是一道亮丽的风景线，而这种亮丽甚至不需要用语言来描述。
所以我在这里盘点了数学里十大不需要语言的证明（poofswithoutwords）。
让读者在领略数学所包含的无与伦比的美丽与精巧之外，更从此爱上数学。
1.勾股定理
这个大家小学就学过的古老定理，有着无数的传奇故事。
我可以很随意的写出她的10个不同的证明方法。
而路明思（ElishaScottLoomis）在《毕达哥拉斯命题》（PythagoreanProposition）提到这个定理的证明方式居然有367种之多，实在让人惊讶。
这里给出一个不需要语言的证明方法。
实际上勾股定理是余弦定理的一种特殊情况，而余弦定理的证明，同样可以不用语言：
2.关于反正切的恒等式 关于反正切，有两个很精彩的等式：
arctan1/2＋arctan1/3＝π/4 arctan1＋arctan2＋arctan3＝π
它们的证明方法也同样精彩
3.几何平均值小于算术平均值
这是不等式中最重要和基础的等式：
它也可以通过图形来证明
注意到△ABC∽△DBA,可以很轻松地得到AB=√ab。
剩下的就显而易见了。
4.1+3+5+…+（2n-1）=n2 这是奇数的求和公式，下图是当n=8时的情形
5.平方数的求和公式
6.立方数的求和公式
7.斐波那契数列的恒等式
可谓家喻户晓的斐波那契数列指的是这样一个数列：
1、1、2、3、5、8、13、21……
这个数列从第三项开始，每一项都等于前两项之和，F n+1 =F n +F n-1 。
它的通项公式是
有趣的是，这样一个完全是自然数的数列，通项公式居然是用无理数来表达的。
而且，当n无穷大时Fn-1/Fn越来越逼近黄金分割数 0.618 。
正因为它的种种神奇性质，美国数学会甚至从1960年代起出版了《斐波纳契数列》季刊。
关于斐波那契数列，有一个恒等式是这样的
这个等式很漂亮，不需要借助复杂的数学推导，它有一个很直观的证明方法
8.结果为1/3的一组分子式下面是一组分子式，他们的结果都等于1/3：
9.最受数学家喜爱的无字证明
1989年的《美国数学月刊》（AmericanMathematicalMonthly）上有一个貌似非常困难的数学问题：
下图是由一个个小三角形组成的正六边形棋盘，现在请你用右边的三种（仅朝向不同的）菱形把整个棋盘全部摆满（图中只摆了其中一部分），证明当你摆满整个棋盘后，你所使用的每种菱形数量一定相同。
《美国数学月刊》提供了一个非常帅的“证明”。
把每种菱形涂上一种颜色，整个图形瞬间有了立体感，看上去就成了一个个立方体在墙角堆叠起来的样子。
三种菱形分别是从左侧、右侧、上方观察整个立体图形能够看到的面，它们的数目显然应该相等。
它把一个纯组合数学问题和立体空间图形结合在了一起，实在让人拍案叫绝。
这个问题及其鬼斧神工般的“证明”流传甚广，深受数学家们的喜爱。
死理性派曾经讨论过 这个问题 。
同时它还是死理性派logo的出处。
10.棋盘上的数学证明
在一个8×8的国际象棋棋盘上，我们可以用32张多米诺骨牌（是两个相连正方形的长方形牌）覆盖整个棋盘上的64个方格。
如果将对角线上的两个方格切掉，剩下来的62个格子还能用31张骨牌覆盖住吗？
答案是不能的。
每一张骨牌在棋盘上必是覆盖住两个相邻方格，一白一黑。
所以31张骨牌应该可以盖住31个黑格和31个白格。
而这被切了角的棋盘上的方格有32个是一种颜色，另一种颜色是30个，因此是不能被31张骨牌覆盖的。
但是，如果我们切掉的不是颜色相同的两个呢？
假如我们从棋盘的任何部位切掉两个颜色不同的方格，那么剩下来的62格是否一定能被31张骨牌完全盖住？
我可以告诉你答案是肯定的,并且关于这个结论，存在一个非常漂亮的证明。
建议读者在继续往下阅读前，可以先自行思考如何证明这个结论。
上图就是那个漂亮的证明。
不妨对它再赘述两句。
粗黑线条将整个棋盘转变为一条首尾相连、黑白格相间的封闭路线。
从这棋盘上切掉任何两个颜色不同的方格，会让这个封闭线路变成两段线路（如果切掉的方格是相连的，那就是一条线路）。
在这两段（或一段）线路中，两种颜色的格子数量都是偶数，故分别都可以被若干张骨牌覆盖。
从而证明整个棋盘可以被31张骨牌完全覆盖。
这个著名的棋盘问题是数学游戏大师马丁•加德纳提出的，而上述精妙绝伦的证明则是数学家哥莫瑞（RalphGomory）找到的。
它们后来被收录在《意料之外的绞刑和其他数学娱乐》这本书里。
数学里，有一种证明方法叫做Proofswithoutwords。
诚然，这种证明方法算不上严格，但是它却将数学中包含的最精巧的东西一览无余地展现了出来。
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