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第27章 数学名人的趣味故事推荐(24)

1815年法国拿破仑失败,波旁王朝复辟,路易十八当上了法王。柯西于1816年先后被任命为法国科学院院士和综合工科学校教授。1821年又被任命为巴黎大学力学教授,还曾在法兰西学院授课。这一时期他的主要贡献是:

(1)在综合工科学校讲授分析课程,建立了微积分的基础极限理论,还阐明了极限理论。在此以前,微积分和级数的概念是模糊不清的。由于柯西的讲法与传统方式不同,当时学校师生对他提出了许多非议。

柯西在这一时期出版的着作有《代数分析教程》《无穷小分析教程概要》和《微积分在几何中应用教程》。这些工作为微积分奠定了基础,促进了数学的发展,成为数学教程的典范。

(2)柯西在担任巴黎大学力学教授后,重新研究连续介质力学。在1822年的一篇论文中,他建立了弹性理论的基础。

(3)继续研究复平面上的积分及留数计算,并应用有关结果研究数学物理中的偏微分方程等。

他的大量论文分别在法国科学院论文集和他自己编写的期刊“数学习题”上发表。

1830年法国爆发了推翻波旁王朝的革命,法王查理第十仓皇逃走,奥尔良公爵路易·菲力浦继任法王。当时规定在法国担任公职必须宣誓对新法王效忠,由于柯西属于拥护波旁王朝的正统派,他拒绝宣誓效忠,并自行离开法国。他先到瑞士,后于1832~1833年任意大利都灵大学数学物理教授,并参加当地科学院的学术活动。那时他研究了复变函数的级数展开和微分方程(强级数法),并为此作出重要贡献。

1833~1838年柯西先在布拉格、后在戈尔兹担任波旁王朝“王储”波尔多公爵的教师,最后被授予“男爵”封号。在此期间,他的研究工作进行得较少。

1838年柯西回到巴黎。由于他没有宣誓对法王效忠,只能参加科学院的学术活动,不能担任教学工作。他在创办不久的法国科学院报告“和他自己编写的期刊分析及数学物理习题”上发表了关于复变函数、天体力学、弹性力学等方面的大批重要论文。

1848年法国又爆发了革命,路易·菲力浦倒台,重新建立了共和国,废除了公职人员对法王效忠的宣誓。柯西于1848年担任了巴黎大学数理天文学教授,重新进行他在法国高等学校中断了18年的教学工作。

1852年拿破仑第三发动政变,法国从共和国变成了帝国,恢复了公职人员对新政权的效忠宣誓,柯西立即向巴黎大学辞职。后来拿破仑第三特准免除他和物理学家阿拉果的忠诚宣誓。于是柯西得以继续进行所担任的教学工作,直到1857年他在巴黎近郊逝世时为止。柯西直到逝世前仍不断参加学术活动,不断发表科学论文。

柯西是一位多产的数学家,他的全集从1882年开始出版到1974年才出齐最后一卷,总计28卷。他的主要贡献如下;

(一)单复变函数

柯西最重要和最有首创性的工作是关于单复变函数论的。18世纪的数学家们采用过上、下限是虚数的定积分。但没有给出明确的定义。柯西首先阐明了有关概念,并且用这种积分来研究多种多样的问题,如实定积分的计算,级数与无穷乘积的展开,用含参变量的积分表示微分方程的解等等。

(二)分析基础

柯西在综合工科学校所授分析课程及有关教材给数学界造成了极大的影响。自从牛顿和莱布尼茨发明微积分(即无穷小分析,简称分析)以来,这门学科的理论基础是模糊的。为了进一步发展,必须建立严格的理论。柯西为此首先成功地建立了极限论。

在柯西的着作中,没有通行的语言,他的说法看来也不够确切,从而有时也有错误,例如由于没有建立一致连续和一致收敛概念而产生的错误。可是关于微积分的原理,他的概念主要是正确的,其清晰程度是前所未有的。例如他关于连续函数及其积分的定义是确切的,他首先准确地证明了泰勒公式,他给出了级数收敛的定义和一些判别法。

(三)常微分方程

柯西在分析方面最深刻的贡献在常微分方程领域。他首先证明了方程解的存在和唯一性。在他以前,没有人提出过这种问题。通常认为是柯西提出的三种主要方法,即柯西-利普希茨法,逐渐逼近法和强级数法,实际上以前也散见到用于解的近似计算和估计。柯西的最大贡献就是看到通过计算强级数,可以证明逼近步骤收敛,其极限就是方程的所求解。

(四)其他贡献

虽然柯西主要研究分析,但在数学中各领域都有贡献。关于用到数学的其他学科,他在天文和光学方面的成果是次要的,可是他却是数理弹性理论的奠基人之一。除以上所述外,他在数学中其他贡献如下:

1.分析方面:在一阶偏微分方程论中行进丁特征线的基本概念;认识到傅立叶变换在解微分方程中的作用等等。

2.几何方面:开创了积分几何,得到了把平面凸曲线的长用它在平面直线上一些正交投影表示出来的公式。

3.代数方面:首先证明了阶数超过了的矩阵有特征值;与比内同时发现两行列式相乘的公式,首先明确提出置换群概念,并得到群论中的一些非平凡的结果;独立发现了所谓“代数要领”,即格拉斯曼的外代数原理。

47.罗巴切夫斯基创立非欧几何

尼古拉斯·伊万诺维奇·罗巴切夫斯基(1792年12月1日~1856年2月24日),俄罗斯数学家,非欧几何的早期发现人之一。1856年12月24日卒于喀山。1807年入喀山大学学习,1811年获博士学位并留校工作。1816年任副教授,1822年任教授。还曾任物理数学系主任、图书馆馆长和喀山大学校长等职。

1893年,在喀山大学树立起了世界上第一个为数学家雕塑的塑像。这位数学家就是俄国的伟大学者、非欧几何的重要创始人——罗巴切夫期基。

非欧几何学的重大意义

非欧几何是人类认识史上一个富有创造性的伟大成果,它的创立,不仅带来了近百年来数学的巨大进步,而且对现代物理学、天文学以及人类时空观念的变革都产生了深远的影响。

不过,这一重要的数学发现在罗巴切夫斯基提出后相当长的一段时间内,不但没能赢得社会的承认和赞美,反而遭到种种歪曲、非难和攻击,使非欧几何这一新理论迟迟得不到学术界的公认。

罗巴切夫斯基是在尝试解决欧氏第五公设问题的过程中,从失败走上他的发现之路的。欧氏第五公设问题是数学史上最古老的着名难题之一,它是由古希腊学者最先提出来的。

公元前三世纪,希腊亚历山大里亚学派的创始者欧几里得集前人几何研究之大成,编写了数学发展史上具有极其深远影响的数学巨着《几何原本》。

这部着作的重要意义在于,它是用公理法建立科学理论体系的最早典范。在这部着作中,欧几里得为推演出几何学的所有命题,一开头就给出了五个公理(适用于所有科学)和五个公设(只应用于几何学),作为逻辑推演的前提。《几何原本》的注释者和评述者们对五个公理和前四个公设都是很满意,唯独对第五个公设(即平行公理)提出了质疑。

第五公设是论及平行线的,它说的是:如果一直线和两直线相交,且所构成的两个同侧内角之和小于两直角,那么,把这两直线延长,它们一定在那两内角的一侧相交。数学家们并不怀疑这个命题的真实性,而是认为它无论在语句的长度,还是在内容上都不大像是个公设,而倒像是个可以证明的定理,只是由于欧几里得没能找到它的证明,才不得不把它放在公设之列。

为了给出第五公设的证明,完成欧几里得没能完成的工作,自公元前3世纪起到19世纪初,数学家们投入了无穷无尽的精力,他们几乎尝试了各种可能的方法,但都遭到了失败。

罗巴切夫斯基是从1815年着手研究平行线理论的。开始他也是循着前人的思路,试图给出第五公设的证明。在保存下来的他的学生听课笔记中,就记有他在1816~1817学年度在几何教学中给出的一些证明。可是,很快他便意识到自己的证明是错误的。

前人和自己的失败从反面启迪了他,使他大胆思索问题的相反提法:可能根本就不存在第五公设的证明。于是,他便调转思路,着手寻求第五公设不可证的解答。这是一个全新的,也是与传统思路完全相反的探索途径。罗巴切夫斯基正是沿着这个途径,在试证第五公设不可证的过程中发现了一个崭新的几何世界。

那么,罗巴切夫斯基是怎样证得第五公设不可证的呢?又是怎样从中发现新几何世界的呢?原来他创造性地运用了处理复杂数学问题常用的一种逻辑方法——反证法。

这种反证法的基本思想是,为证“第五公设不可证”,首先对第五公设加以否定,然后用这个否定命题和其它公理公设组成新的公理系统,并由此展开逻辑推演。

首先假设第五公设是可证的,即第五公设可由其它公理公设推演出来。那么,在新公理系统的推演过程中一定会出现逻辑矛盾,至少第五公设和它的否定命题就是一对逻辑矛盾;反之,如果推演不出矛盾,就反驳了“第五公设可证”这一假设,从而也就间接证得“第五公设不可证”。

依照这个逻辑思路,罗巴切夫斯基对第五公设的等价命题——普列菲尔公理“过平面上直线外一点,只能引一条直线与已知直线不相交”作以否定,得到否定命题“过平面上直线外一点,至少可引两条直线与已知直线不相交”,并用这个否定命题和其它公理公设组成新的公理系统展开逻辑推演。