牛頓的成長故事

【專家解說】：艾薩克·牛頓爵士，F(xiàn)RS（Sir Isaac Newton，1643年1月4日－1727年3月31日）是一位英格蘭物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家、自然哲學(xué)家和煉金術(shù)士。他在1687年發(fā)表的論文《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》里，對萬有引力和三大運動定律進(jìn)行了描述。這些描述奠定了此后三個世紀(jì)里物理世界的科學(xué)觀點，并成為了現(xiàn)代工程學(xué)的基礎(chǔ)。他通過論證開普勒行星運動定律與他的引力理論間的一致性，展示了地面物體與天體的運動都遵循著相同的自然定律；從而消除了對太陽中心說的最后一絲疑慮，并推動了科學(xué)革命。 牛頓運動定律 牛頓運動定律是伊薩克·牛頓提出了物理學(xué)的三個運動定律的總稱，被譽為是經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)。 牛頓法 牛頓法（Newton’s method）又稱為牛頓-拉夫遜方法（Newton-Raphson method），它是一種在實數(shù)域和復(fù)數(shù)域上近似求解方程的方法. 方法使用函數(shù)f(x)的泰勒級數(shù)的前面幾項來尋找方程f(x) = 0的根. 艾薩克·牛頓的生平 我不知道在別人看來，我是什么樣的人；但在我自己看來，我不過就象是一個在海濱玩耍的小孩，為不時發(fā)現(xiàn)比尋常更為光滑的一塊卵石或比尋常更為美麗的一片貝殼而沾沾自喜，而對于展現(xiàn)在我面前的浩瀚的真理的海洋，卻全然沒有發(fā)現(xiàn)。 ——牛頓 牛頓的勤奮學(xué)習(xí) 一談到近代科學(xué)開創(chuàng)者牛頓，人們可能認(rèn)為他小時候一定是個“神童”、“天才”、有著非凡的智力。其實不然，牛頓童年身體瘦弱，頭腦并不聰明。在家鄉(xiāng)讀書的時候，很不用功，在班里的學(xué)習(xí)成績屬于次等。但他的興趣卻是廣泛的，游戲的本領(lǐng)也比一般兒童高。 牛頓愛好制作機械模型一類的玩藝兒，如風(fēng)車、水車、日晷等等。他精心制作的一只水鐘，計時較準(zhǔn)確，得到了人們的贊許。有時，他玩的方法也很奇特。一天，他作了一盞燈籠掛在風(fēng)箏尾巴上。當(dāng)夜幕降臨時，點燃的燈籠借風(fēng)箏上升的力升入空中。發(fā)光的燈籠在空中流動，人們大驚，以為是出現(xiàn)了彗星。盡管如此，因為他學(xué)習(xí)成績不好，還是經(jīng)常受到歧視。 當(dāng)時，封建社會的英國等級制度很嚴(yán)重，中小學(xué)里學(xué)習(xí)好的學(xué)生，可以歧視學(xué)習(xí)差的同學(xué)。有一次課間游戲，大家正玩得興高采烈的時候，一個學(xué)習(xí)好的學(xué)生借故踢了牛頓一腳，并罵他笨蛋。牛頓的心靈受到這種刺激，憤怒極了。他想，我倆都是學(xué)生，我為什么受他的欺侮？我一定要超過他！從此，牛頓下定決心，發(fā)奮讀書。他早起晚睡，抓緊分秒、勤學(xué)勤思。 過刻苦鉆研，牛頓的學(xué)習(xí)成績不斷提高，不久就超過了曾欺 侮過他的那個同學(xué)，名列班級前茅。 時間對人是一視同仁的，給人以同等的量，但人對時間的利用不同，而所得的知識也大不一樣。 牛頓十六歲時數(shù)學(xué)知識還很膚淺，對高深的數(shù)學(xué)知識甚至可以說是不懂?！爸R在于積累，聰明來自學(xué)習(xí)”。牛頓下決心靠自己的努力攀上數(shù)學(xué)的高峰。在基礎(chǔ)差的不利條件下，牛頓能正確認(rèn)識自己，知難而進(jìn)。他從基礎(chǔ)知識、基本公式重新學(xué)起，扎扎實實、步步推進(jìn)。他研究完了歐幾里德幾何學(xué)后，又研究笛卡兒幾何學(xué)，對比之下覺得歐幾里德幾何學(xué)膚淺，便悉心鉆研笛氏幾何學(xué)，直到掌握要領(lǐng)、融會貫通。遂之發(fā)明了代數(shù)二項式定理。傳說中牛頓“大暴風(fēng)中算風(fēng)力”的佳話，可為牛頓身體力學(xué)的佐證。有一天，天刮著大風(fēng)暴。風(fēng)撒野地呼號著，塵土飛揚，迷迷漫漫，使人難以睜眼。牛頓認(rèn)為這是個準(zhǔn)確地研究和計算風(fēng)力的好機會。于是，便拿著用具，獨自在暴風(fēng)中來回奔走。他踉踉蹌蹌、吃力地測量著。幾次沙塵迷了眼睛，幾次風(fēng)吹走了算紙，幾次風(fēng)使他不得不暫停工作，但都沒有動搖他求知的欲望。他一遍又一遍，終于求得了正確的數(shù)據(jù)。他快樂極了，急忙跑回家去，繼續(xù)進(jìn)行研究。 有志者事竟成。經(jīng)過勤奮學(xué)習(xí)，牛頓為自己的科學(xué)高塔打下了深厚的基礎(chǔ)。不久，牛頓的數(shù)學(xué)高塔就建成了，二十二歲時發(fā)明了微分學(xué)，二十三歲時發(fā)明了積分學(xué)，為人類科學(xué)事業(yè)作出了巨大貢獻(xiàn)。 牛頓是個十分謙虛的人，從不自高自大。曾經(jīng)有人問牛頓：“你獲得成功的秘訣是什么？”牛頓回答說：“假如我有一點微小成就的話，沒有其它秘訣，唯有勤奮而已?！? 少年牛頓 1643年1月4日，在英格蘭林肯郡小鎮(zhèn)沃爾索浦的一個自耕農(nóng)家庭里，牛頓誕生了。牛頓是一個早產(chǎn)兒，出生時只有三磅重，接生婆和他的親人都擔(dān)心他能否活下來。誰也沒有料到這個看起來微不足道的小東西會成為了一位震古爍今的科學(xué)巨人，并且竟活到了85歲的高齡。 牛頓出生前三個月父親便去世了。在他兩歲時，母親改嫁給一個牧師，把牛頓留在外祖母身邊撫養(yǎng)。11歲時，母親的后夫去世，母親帶著和后夫所生的一子二女回到牛頓身邊。牛頓自幼沉默寡言，性格倔強，這種習(xí)性可能來自它的家庭處境。 大約從五歲開始，牛頓被送到公立學(xué)校讀書。少年時的牛頓并不是神童，他資質(zhì)平常，成績一般，但他喜歡讀書，喜歡看一些介紹各種簡單機械模型制作方法的讀物，并從中受到啟發(fā)，自己動手制作些奇奇怪怪的小玩意，如風(fēng)車、木鐘、折疊式提燈等等。 傳說小牛頓把風(fēng)車 的機械原理摸透后，自己制造了一架磨坊的模型，他將老鼠綁在一架有輪子的踏車上，然后在輪子的前面放上一粒玉米，剛好那地方是老鼠可望不可及的位置。老鼠想吃玉米，就不斷的跑動，于是輪子不停的轉(zhuǎn)動；又一次他放風(fēng)箏時，在繩子上懸掛著小燈，夜間村人看去驚疑是彗星出現(xiàn)；他還制造了一個小水鐘。每天早晨，小水鐘會自動滴水到他的臉上，催他起床。他還喜歡繪畫、雕刻，尤其喜歡刻日晷，家里墻角、窗臺上到處安放著他刻畫的日晷，用以驗看日影的移動。 牛頓12歲時進(jìn)了離家不遠(yuǎn)的格蘭瑟姆中學(xué)。牛頓的母親原希望他成為一個農(nóng)民，但牛頓本人卻無意于此，而酷愛讀書。隨著年歲的增大，牛頓越發(fā)愛好讀書，喜歡沉思，做科學(xué)小實驗。他在格蘭瑟姆中學(xué)讀書時，曾經(jīng)寄宿在一位藥劑師家里，使他受到了化學(xué)試驗的熏陶。 牛頓在中學(xué)時代學(xué)習(xí)成績并不出眾，只是愛好讀書，對自然現(xiàn)象由好奇心，例如顏色、日影四季的移動，尤其是幾何學(xué)、哥白尼的日心說等等。他還分門別類的記讀書筆記，又喜歡別出心裁的作些小工具、小技巧、小發(fā)明、小試驗。 當(dāng)時英國社會滲透基督教新思想，牛頓家里有兩位都以神父為職業(yè)的親戚，這可能影響牛頓晚年的宗教生活。從這些平凡的環(huán)境和活動中，還看不出幼年的牛頓是個才能出眾異于常人的兒童。 后來迫于生活，母親讓牛頓停學(xué)在家務(wù)農(nóng)，贍養(yǎng)家庭。但牛頓一有機會便埋首書卷，以至經(jīng)常忘了干活。每次，母親叫他同傭人一道上市場，熟悉做交易的生意經(jīng)時，他便懇求傭人一個人上街，自己則躲在樹叢后看書。有一次，牛頓的舅父起了疑心，就跟蹤牛頓上市鎮(zhèn)去，發(fā)現(xiàn)他的外甥伸著腿，躺在草地上，正在聚精會神地鉆研一個數(shù)學(xué)問題。牛頓的好學(xué)精神感動了舅父，于是舅父勸服了母親讓牛頓復(fù)學(xué)，并鼓勵牛頓上大學(xué)讀書。牛頓又重新回到了學(xué)校，如饑似渴地汲取著書本上的營養(yǎng)。 求學(xué)歲月 1661年，19歲的牛頓以減費生的身份進(jìn)入劍橋大學(xué)三一學(xué)院，靠為學(xué)院做雜務(wù)的收入支付學(xué)費，1664年成為獎學(xué)金獲得者，1665年獲學(xué)士學(xué)位。 17世紀(jì)中葉，劍橋大學(xué)的教育制度還滲透著濃厚的中世紀(jì)經(jīng)院哲學(xué)的氣味，當(dāng)牛頓進(jìn)入劍橋時，哪里還在傳授一些經(jīng)院式課程，如邏輯、古文、語法、古代史、神學(xué)等等。兩年后三一學(xué)院出現(xiàn)了新氣象，盧卡斯創(chuàng)設(shè)了一個獨辟蹊徑的講座，規(guī)定講授自然科學(xué)知識，如地理、物理、天文和數(shù)學(xué)課程。 講座的第一任教授伊薩克·巴羅是個博學(xué)的科學(xué)家。這位學(xué)者獨具慧眼，看出了牛頓具有深邃的觀察力、敏銳的理解力。于是將自己的數(shù)學(xué)知識，包括計算曲線圖形面積的方法，全部傳授給牛頓，并把牛頓引向了近代自然科學(xué)的研究領(lǐng)域。 在這段學(xué)習(xí)過程中，牛頓掌握了算術(shù)、三角，讀了開普勒的《光學(xué)》，笛卡爾的《幾何學(xué)》和《哲學(xué)原理》，伽利略的《兩大世界體系的對話》，胡克的《顯微圖集》，還有皇家學(xué)會的歷史和早期的哲學(xué)學(xué)報等。 牛頓在巴羅門下的這段時間，是他學(xué)習(xí)的關(guān)鍵時期。巴羅比牛頓大12歲，精于數(shù)學(xué)和光學(xué)，他對牛頓的才華極為贊賞，認(rèn)為牛頓的數(shù)學(xué)才超過自己。后來，牛頓在回憶時說道：“巴羅博士當(dāng)時講授關(guān)于運動學(xué)的課程，也許正是這些課程促使我去研究這方面的問題?！? 當(dāng)時，牛頓在數(shù)學(xué)上很大程度是依靠自學(xué)。他學(xué)習(xí)了歐幾里得的《幾何原本》、笛卡兒的《幾何學(xué)》、沃利斯的《無窮算術(shù)》、巴羅的《數(shù)學(xué)講義》及韋達(dá)等許多數(shù)學(xué)家的著作。其中，對牛頓具有決定性影響的要數(shù)笛卡兒的《幾何學(xué)》和沃利斯的《無窮算術(shù)》，它們將牛頓迅速引導(dǎo)到當(dāng)時數(shù)學(xué)最前沿～解析幾何與微積分。1664年，牛頓被選為巴羅的助手，第二年，劍橋大學(xué)評議會通過了授予牛頓大學(xué)學(xué)士學(xué)位的決定。 1665～1666年嚴(yán)重的鼠疫席卷了倫敦，劍橋離倫敦不遠(yuǎn)，為恐波及，學(xué)校因此而停課，牛頓于1665年6月離校返鄉(xiāng)。 由于牛頓在劍橋受到數(shù)學(xué)和自然科學(xué)的熏陶和培養(yǎng)，對探索自然現(xiàn)象產(chǎn)生濃厚的興趣，家鄉(xiāng)安靜的環(huán)境又使得他的思想展翅飛翔。1665～1666年這段短暫的時光成為牛頓科學(xué)生涯中的黃金歲月，他在自然科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)思潮奔騰，才華迸發(fā)，思考前人從未思考過的問題，踏進(jìn)了前人沒有涉及的領(lǐng)域，創(chuàng)建了前所未有的驚人業(yè)績。 1665年初，牛頓創(chuàng)立級數(shù)近似法,以及把任意冪的二項式化為一個級數(shù)的規(guī)則；同年11月，創(chuàng)立正流數(shù)法(微分)；次年1月，用三棱鏡研究顏色理論；5月，開始研究反流數(shù)法(積分)。這一年內(nèi)，牛頓開始想到研究重力問題，并想把重力理論推廣到月球的運動軌道上去。他還從開普勒定律中推導(dǎo)出使行星保持在它們的軌道上的力必定與它們到旋轉(zhuǎn)中心的距離平方成反比。牛頓見蘋果落地而悟出地球引力的傳說，說的也是此時發(fā)生的軼事。 總之，在家鄉(xiāng)居住的兩年中，牛頓以比此后任何時候更為旺盛的精力從事科學(xué)創(chuàng)造，并關(guān)心自然哲學(xué)問題。他的三大成就：微積分、萬有引力、光學(xué)分析的思想都是在這時孕育成形的?？梢哉f此時的牛頓已經(jīng)開始著手描繪他一生大多數(shù)科學(xué)創(chuàng)造的藍(lán)圖。 1667年復(fù)活節(jié)后不久，牛頓返回到劍橋大學(xué)，10月1日被選為三一學(xué)院的仲院侶(初級院委)，翌年3月16日獲得碩士學(xué)位，同時成為正院侶(高級院委)。1669年10月27日，巴羅為了提攜牛頓而辭去了教授之職，26歲的牛頓晉升為數(shù)學(xué)教授，并擔(dān)任盧卡斯講座的教授。巴羅為牛頓的科學(xué)生涯打通了道路，如果沒有牛頓的舅父和巴羅的幫助，牛頓這匹千里馬可能就不會馳騁在科學(xué)的大道上。巴羅讓賢，這在科學(xué)史上一直被傳為佳話。 希望能夠滿意！~