黄金时代的群山之巅

百科   2024-08-29 07:21   北京  

19世纪是数学的黄金时代,这一百年里新增的数学成果超过了之前所有时代的总和。

如果将这个时代的数学家比作群山,那群山之巅无疑要数卡尔·弗里德里希·高斯Carl Friedrich Gauss,1777年4月30日—1855年2月23日),一位基本靠自学成才的天选之子。自他之后,数学的中心开始由法国向德国倾斜。

可以说数学上的惊人之举贯穿了他的一生。

高斯出生于德国布伦瑞克的一个贫寒之家,对数字很敏锐,仅仅通过自己的观察就学会了计算,三岁时已能纠正父亲账目上的错误。

德国布伦瑞克

高斯10岁时,老师在课堂上出了一道题,让学生计算从1加到100,还没等老师坐下,小高斯就心算出了答案。在没有任何人指导过的情况下,他自己摸索出了等差数列快速求和的方法。

从此,他的老师比特纳和助手巴特尔斯意识到了这个孩子天赋异禀,很快就让布伦瑞克-吕讷堡公爵(卡尔·威廉·斐迪南,布伦瑞克-吕讷堡公爵,布伦瑞克-沃尔芬比特尔-贝芬亲王,Charles II William Ferdinand, Duke of Brunswick-Lüneburg, Prince of Brunswick-Wolfenbuettel-Bevern)注意到了高斯的才能。

布伦瑞克-吕讷堡公爵

这位具备学识教养且仁厚开明的公爵见了高斯,十分欣赏,从此开始资助高斯。高斯顺利完成了在本地卡罗琳学院的学习后,被哥廷根大学录取(1795年)。

然而进了大学的高斯困惑于,自己究竟是学习语言还是学习数学。

哥廷根大学

距他19岁生日还有一个月时(1796年3月30日),高斯终于不再迷茫。他在那一天解决了一道困扰数学家近两千年的难题:尺规画出正十七边形,并证明了用尺规能还画出哪些正多边形。

此,高斯选择了数学,这是人类之幸。

之后他开始记日记,以纪念这次重大发现,而他的日记一直持续了18年。仅仅这一年(1796年),他的数学日记Mathematisches Tagebuch)里就有许多惊人的发现:

3月30日,构造正17边形的方法;

4月8日,二次互反律的第一个证明;

5月13日,猜测素数分布的规律即素数定理;

7月10日,提出任何自然数是最多三个三角形数的和,“ΕΥΡΗΚΑ!num =Δ+Δ+Δ”。

还在读大学的高斯开始撰写数论著作。

21岁时(1798年)他完成了巨著《算数研究》。这一年,高斯博士毕业,再次回到了家乡布伦瑞克。

在公爵的资助下,3年后1801年)该书出版。

在书中,高斯建立了同余的概念和符号;对18世纪数论成就进行了回顾;提出了“黄金定理”二次互反律的证明(两年前勒让德的证明存在漏洞);他在全书最后,讨论了分圆多项式和尺规作图问题原来当年的几何难题归根结底是一个数论问题

拉格朗日看后,写信给年轻的高斯说:“你的《算数研究》一书,已使你跻身于第一流数学家之列了。”然而,这本书真正受到重视,已是二十余年之后。

回到家乡,没有找到教职工作的高斯,不愿一直接受公爵的资助。于是放弃了纯数学研究,选择成为专业的天文学家。

最早让高斯声名大振的是天文学,而非数论。

1801年,天文学家(皮亚齐)发现了新的小行星谷神星,但是几周之后,这个小天体被跟丢了。高斯借助最小二乘法,设计了“高斯法”,仅凭三次观测,就计算出了星体的椭圆轨道(现在仍然用于最终未卫星)。天文学家按高斯的预测去寻找,果然再次发现了谷神星。

24岁的高斯一战成名,俄国获悉后,曾一度想邀请高斯去圣彼得堡接替去世的欧拉。

德国意识到了高斯的重要性,在各方人士努力之下,哥廷根新建了一座天文台,邀请高斯担任天文台台长(1807年)。高斯在那里出版了《天体运动论》

哥廷根天文台

大约15年之后,他开始负责汉诺威全境的勘测,历经多年,他不但完成这项艰巨的任务,还凭借非凡的智慧洞悉了球面几何的本质,并创造性地提出了高斯曲率,一个影响到广义相对论和宇宙形状的数学概念,高斯称之为“绝妙定理”。

因此出版了著作《曲面的一般研究》1827年,标志着新的数学分支——微分几何的创立。

高斯在辞去天文台的工作后,又投身电磁学的研究。他与韦伯合作,创造了世界上第一个电话电报系统1833)和第一张地球磁场图1840

高斯与韦伯

高斯不经意间的一个发现,可能就为后世研究的出发点。

他将复数以复平面上点的形式进行呈现,这种可视化让虚数开始被普遍接受,现在的复平面也被称为高斯平面。

他在处理了足够多的天文数据后,得到了具有概率性质的测量结果,提出了正态分布高斯分布),这也是概率论中最常见的一种分布。

高斯是一位完美主义者,如他自己一直信奉的格言“少而精”,未经过深思熟虑,从不轻易示人。正因如此,他有很多重要的发现,一生都未发表。

笔记显示,他非欧几何椭圆函数论都有深刻认识。

19世纪上半叶,高斯未发表的内容,成为悬在数学界头顶上的“达摩克里斯之剑”。数学家们深怕自己毕生研究的成果,高斯在几十年前就已经得到了结论。

高斯是一位生在黄金时代的天才,他的成就涉及数学的各个方面,甚至还开辟出了很多新的分支,深刻影响了人类上百年的历史。

身处群山之巅的高斯却谦虚地说道:“假如别人和我一样深刻而持续地思考数学真理,他们也会作出同样的发现。

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