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第19章 数学教学的趣味之谜推荐(15)

他建立了椭圆函数的加法定理,借助于这一定理,又将椭圆函数拓广到整个复域,并因而发现这些函数是双周期的,这是别开生面的新发现;他进一步提出一种更普遍更困难类型的积分——阿贝尔积分,并获得了这方面的一个关键性定理,即着名的阿贝尔基本定理,它是椭圆积分加法定理的一个很宽的推广。

至于阿贝尔积分的反演——阿贝尔函数,则是不久后由黎曼(1826~1866)首先提出并加以深入研究的。事实上,阿贝尔发现了一片广袤的沃土,他个人不可能在短时间内把这片沃土全部开垦完毕,用埃尔米特的话来说,阿贝尔留下的后继工作,“够数学家们忙上五百年”。阿贝尔把这些丰富的成果整理成一长篇论文《论一类极广泛的超越函数的一般性质》。

此时他已经把高斯置诸脑后,放弃了访问哥延根的打算,而把希望寄托在法国的数学家身上。他婉辞了克雷勒劝其定居柏林的建议后,便启程前往巴黎。

在这世界最繁华的大都会里,荟萃着像柯西(1789~1857)、勒让得、拉普拉斯(1749~1827)、傅立叶(1768~1830)、泊松(1781~1840)这样一些久负盛名的数字巨擘,阿贝尔相信他将在那里找到知音。

1826年7月,阿贝尔抵达巴黎。他见到了那里所有出名的数学家,他们全都彬彬有礼地接待他,然而却没有一个人愿意仔细倾听他谈论自己的工作。在这些社会名流的高贵天平上,这个外表腼腆、衣着寒酸、来自僻远落后国家的年轻人能有多少份量呢?

阿贝尔在写给霍姆伯谈巴黎观感的信中说道:“法国人对陌生的来访者比德国人要世故得多。你想和他们亲密无间简直是难上加难,老实说我现在也根本不奢望能有些荣耀。

到头来,任何一个开拓者要想在此间引起重视,都得遇到巨大的障碍。尽管阿贝尔非常自信,但对这一工作能否得到合理评价已经深有疑虑了。

阿贝尔通过正常渠道将论文提交法国科学院。科学院秘书傅立叶读了论文的引言,然后委托勒让得和柯西负责审查。柯西把稿件带回家中,究竟放在什么地方,竟记不起来了。直到两年以后阿贝尔已经去世,失踪的论文原稿才重新找到,而论文的正式发表,则迁延了12年之久。

从满怀希望到渐生疑虑终至完全失望,阿贝尔在巴黎空等了将近一年。他寄居的那家房东又特别吝啬刻薄,每天只供给他两顿饭,却收取昂贵的租金。

一天他感到身体很不舒畅,经医生检查,诊断为肺病,尽管他顽强地不相信,但实情是他确已心力交瘁了。阿贝尔只好拖着病弱的身体,怀着一颗饱尝冷遇而孤寂的心告别巴黎回国。当他重到柏林时,已经囊空如洗。幸亏霍姆伯及时汇到一些钱,才使他能在柏林稍事休整后返回家园。

是谁该对阿贝尔的厄运负责呢?人们很自然会想起审评阿贝尔论文的柯西、勒让得。柯西当时38岁,正年富力强,创造力旺盛,忙于自己的事,顾不上别人而疏忽铸下了大错。勒让得怎么样呢?年逾古稀,功成名就,在法国科学界享有崇高的威望,他当时不可能像柯西那样忙着搞研究,理应对培养、识拔年轻一代的科学人才负有更多责任。

然而主要的是,阿贝尔这篇论文所处理的题材恰恰是勒让得所熟悉的,从某种意义上来说,是他的世袭领地。尽管论文里包含着许多新奇、艰深的概念,但导致这些概念的基本思想却是简单的。

一个外行也许没有能力欣赏这种简单思想的优美性和深刻性,但勒让得对所论问题却决非外行,他自己思者过几十年,深知在旧有基本思想框架内,知识业已达到饱和状态,要获取新的知识,除非打破框架,引进新的基本思想。对他来说,其实根本无须仔细阅读论文,只有稍事点拨,三言两语说明一下基本思想,就足以起到振聋发聩的作用。但是他却好像毫无感受,实在令人费解。

事实上,阿贝尔论文的内容,他并非一无所知,当他得知另一位青年数学家雅可比也独立做了椭圆函数理论方面相当系统的工作后,他曾告诉过雅可比,有一个年轻的斯堪的纳维亚人已先他而专美于家了。雅可比如饥似渴地读完阿贝尔那篇失落两年又奇迹般出现的论文,不禁气愤地写信责问科学院:“阿贝尔先生作出了一个多么了不起的发现啊!有谁看到过别的堪与比美的发现呢?

然而,这项也许称得上我们世纪最伟大的数学发现,两年以前就提交给你们科学院了,却居然没有引起你们的注意,这究竟是怎么一回事呢”?勒让得复信为自己提出的辩解是令人失笑的:“我们感到论文简直无法阅读,因为它是用几乎白色的墨水写的,字母拼写得很糟糕,我们都认为应该要求作者提供一个较清楚的文本。真是掩耳盗铃,文过饰非。”

让我们再看看高斯。高斯一生勤勉,有许多伟大的数学发现,却错过了发现这个伟大数学人才的机会。科学史经常在告诫:大凡富有创造性的见解,开始总是与传统观念相抵触的。

但阿贝尔最终毕竟还是幸运的,他回挪威后一年里,欧洲大陆的数学界渐渐了解了他。继失踪的那篇主要论文之后,阿贝尔又写过若干篇类似的论文,都在“克雷勒杂志”上发表了。这些论文将阿贝尔的名字传遍欧洲所有重要的数学中心,他已成为众所瞩目的优秀数学家之一。遗憾的是,他处境闭塞,孤陋寡闻,对此情况竟无所知。甚至连他想在自己的国家谋一个普通的大学教职也不可得。

1829年1月,阿贝尔的病情恶化,他开始大口吐血,并不时陷入昏迷。他的最后日子是在一家英国人的家里度过的。因为他的未婚妻凯姆普是那个家庭的私人教师。

阿贝尔已自知将不久于人世,这时,他唯一牵挂的是他女友凯姆普的前途,为此,他写信给最亲近的朋友基尔豪,要求基尔豪在他死后娶凯姆普为妻。

尽管基尔豪与凯姆普以前从未见过面,但为了让阿贝尔能死而瞑目,他们照他的遗愿做了。临终的几天,凯姆普坚持只要自己一个人照看阿贝尔,他要“独占这最后的时刻”。

1829年4月6日晨,这颗耀眼的数学新星便过早地殒落了。阿贝尔死后两天,克雷勒的一封信寄到,告知柏林大学已决定聘请他担任数学教授。损失是难以估计的,如果阿贝尔活到应的的寿命,他又将要做出多少新的贡献啊!

通过阿贝尔的遭遇,我们认识到,建立一个客观而公正的科学评价体制是至关重要的。

科学界不仅担负着探索自然奥秘的任务,也担负着发现从事这种探索的人才的任务。

科学是人的事业,问题是要靠人去解决的。

科学评价中的权威主义倾向却往往有害于发现和栽培科学人才。

科不权威意味着他在科学的某一领域里曾做过些先进工作,他可能是科学发现方面踌躇满志的权威,却不一定是评价、发现、培养科学人才的权威,尤其当科学新分支不断涌现,所要评价的对象是天于连权威都陌生的新领域的工作时,情况更是如此。

为了纪念挪威天才数学家阿贝尔诞辰200周年,挪威政府于2003年设立了一项数学奖——阿贝尔奖。这项每年颁发一次的奖项的奖金高达80万美元,相当于诺贝尔奖的奖金,是世界上奖金最高的数学奖。

126.黎曼的微积分方程

黎曼(1826~1866),1826年9月17日,黎曼生于德国北部汉诺威的布雷塞伦茨村,父亲是一个乡村的穷苦牧师。他六岁开始上学,14岁进入大学预科学习,19岁按其父亲的意愿进入哥廷根大学攻读哲学和神学,以便将来继承父志也当一名牧师。

由于从小酷爱数学,黎曼在学习哲学和神学的同时也听些数学课。当时的哥廷根大学是世界数学的中心之一,-些着名的数学家如高斯、韦伯、斯特尔都在校执教。黎曼被这里的数学教学和数学研究的气氛所感染,决定放弃神学,专攻数学。

1847年,黎曼转到柏林大学学习,成为雅可比、狄利克莱、施泰纳、艾森斯坦的学生。1849年重回哥丁很大学攻读博士学位,成为高斯晚年的学生。

1851年,黎曼获得数学博士学位;1854年被聘为哥廷根大学的编外讲师;1857年晋升为副教授;1859年接替去世的狄利克雷被聘为教授。

因长年的贫困和劳累,黎曼在1862年婚后不到一个月就开始患胸膜炎和肺结核,其后四年的大部分时间在意大利治病疗养。1866年7月20日病逝于意大利,终年39岁。

黎曼是世界数学史上最具独创精神的数学家之一。黎曼的着作不多,但却异常深刻,极富于对概念的创造与想象。黎曼在其短暂的一生中为数学的众多领域作了许多奠基性、创造性的工作,为世界数学建立了丰功伟绩。

黎曼是复变函数论的奠基人

19世纪数学最独特的创造是复变函数理论的创立,它是18世纪人们对复数及复函数理论研究的延续。1850年以前,柯西、雅可比、高斯、阿贝尔、维尔斯特拉斯已对单值解析函数的理论进行了系统的研究,而对于多值函数仅有柯西和皮瑟有些孤立的结论。

1851年,黎曼在高斯的指导下完成题为《单复变函数的一般理论的基础》的博士论文,后来又在《数学杂志》上发表了四篇重要文章,对其博士论文中思想的做了进一步的阐述,一方面总结前人关于单值解析函数的成果,并用新的工具予以处理,同时创立多值解析函数的理论基础,并由此为几个不同方向的进展铺平了道路。

柯西、黎曼和维尔斯特拉斯是公认的复变函数论的主要奠基人,而且后来证明在处理复函数理论的方法上黎曼的方法是本质的,柯西和黎曼的思想被融合起来,维尔斯特拉斯的思想可以从柯西-黎曼的观点推导出来。

在黎曼对多值函数的处理中,最关键的是他引入了被后人称“黎曼面”的概念。通过黎曼面给多值函数以几何直观,且在黎曼面上表示的多值函数是单值的。他在黎曼面上引入支点、横剖线、定义连通性,开展对函数性质的研究获得一系列成果。

经黎曼处理的复函数,单值函数是多值函数的待例,他把单值函数的一些已知结论推广到多值函数中,尤其他按连通性对函数分类的方法,极大地推动了拓扑学的初期发展。他研究了阿贝尔函数和阿贝尔积分及阿贝尔积分的反演,得到着名的黎曼-罗赫定理,首创的双有理变换构成19世纪后期发展起来的代数几何的主要内容。

黎曼为完善其博士论文,在结束时给出其函数论在保形映射的几个应用,将高斯在1825年关于平面到平面的保形映射的结论推广到任意黎曼面上,并在文字的结尾给出着名的黎曼映射定理。

黎曼几何的创始人

黎曼对数学最重要的贡献还在于几何方面,他开创的高维抽象几何的研究,处理几何问题的方法和手段是几何史上一场深刻的革命,他建立了一种全新的后来以其名字命名的几何体系,对现代几何乃至数学和科学各分支的发展都产生了巨大的影响。

1854年,黎曼为了取得哥廷根大学编外讲师的资格,对全体教员作了一次演讲,该演讲在其逝世后的两年(1868年)以《关于作为几何学基础的假设》为题出版。演讲中,他对所有已知的几何,包括刚刚诞生的非欧几何之一的双曲几何作了纵贯古今的概要,并提出一种新的几何体系,后人称为黎曼几何。

为竞争巴黎科学院的奖金,黎曼在1861年写了一篇关于热传导的文章,这篇文章后来被称为他的“巴黎之作”。文中对他1854年的文章作了技术性的加工,进一步阐明其几何思想。该文在他死后收集在1876年他的《文集》中。

黎曼主要研究几何空间的局部性质,他采用的是微分几何的途径,这同在欧几里得几何中或者在高斯、波尔约和罗巴切夫斯基的非欧几何中把空间作为一个整体进行考虑是对立的。黎曼摆脱高斯等前人把几何对象局限在三维欧几里得空间的曲线和曲面的束缚,从维度出发,建立了更一般的抽象几何空间。

黎曼引入流形和微分流形的概念,把维空间称为一个流形,维流形中的一个点可以用个可变参数的一组特定值来表示,而所有这些点的全体构成流形本身,这个可变参数称为流形的坐标,而且是可微分的,当坐标连续变化时,对应的点就遍历这个流形。

黎曼仿照传统的微分几何定义流形上两点之间的距离、流形上的曲线、曲线之间的夹角。并以这些概念为基础,展开对维流形几何性质的研究。在维流形上他也定义类似于高斯在研究一般曲面时刻划曲面弯曲程度的曲率。他证明他在维流形上维数等于三时,欧几里得空间的情形与高斯等人得到的结果是一致的,因而黎曼几何是传统微分几何的推广。

黎曼发展了高斯关于一张曲面本身就是一个空间的几何思想,开展对维流形内蕴性质的研究。黎曼的研究导致另一种非欧几何——椭圆几何学的诞生。

在黎曼看来,有三种不同的几何学。它们的差别在于通过给定一点做关于定直线所作平行线的条数。如果只能作一条平行线,即为熟知的欧几里得几何学;如果一条都不能作,则为椭圆几何学;如果存在一组平行线,就得到第三种几何学,即罗巴切夫斯基几何学。黎曼因此继罗巴切夫斯基以后发展了空间的理论,使得一千多年来关于欧几里得平行公理的讨论宣告结束。他断言,客观空间是一种特殊的流形,预见具有某种特定性质的流形的存在性。这些逐渐被后人一一予以证实。

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