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高斯:从贫穷人家的神童到“数学之王”

2023年07月04日 10:29  点击:[]

高斯(1777-1855)出生于德国Brünswick一穷困人家。他从小就算学异禀。他的才智受到当地Brünswick公爵的关注公爵就一直资助他完成大学教育,取得博士学位,并出版数学巨著《整数论研考》

高斯年冠十九,就在数学上有登峰造极的表现:他突破数学史上两千多年的沉寂以直尺与圆规作出正十七边形的图形来。而且他维持如此杰出的研究质量达半个世纪之久他的研究范围广泛遍及纯数学与应用数学,研究内容新颖、深入这使他成为十九世纪科学领域上最突出的人物他在曲面学上的研究更是导引黎曼创造黎曼几何学并诱发二十世纪初爱因斯坦作出一般相对论

一、身世

高斯的祖先姓 Goos是德国北部 Vlkenrod村的新教徒人家。高斯的祖父 Jürgen Goos 是曾祖父Heinrich Goos三次婚姻中最后第二个儿子在家他没有什么份量,只能往外地求发展。他结婚后1739 Brünswick-Wolfenbüttel公国的首Brünswick定居,改Gauss起先由于没有置产在当时的同业工会的限制下只能做零工糊口。好不容易贷款购得一所小房子居住了十四年,生育三男一女。后来换房子Wilhelm30177475日债未还清他就因肺病去世。他的妻子早他三个月故去。长Gebhard一向帮助他父亲做工,就由他负责偿债不过他也跟弟妹谈好,房子归他继承弟妹分得一些现款(借来的)做为补偿。这些Gebhard费了二十五年才还清。

Gebhard1768Dorothea Vernecke结婚第二年114日生子Johann Georg Heinrich177595日他的妻子因肺病去世。1776425Gebhard与邻村的Dorothea Bentz再婚。1777430日他们在 Wilhelm 30号的家里生下数学天才高斯.高斯是 Dorothea 唯一的孩子Dorothea在结婚前当过7年女佣她没有正式受过教育不会书写印刷体字勉强可以念。

Gebhard做过各式各样的工作,最后十五年他只从事造园业。由于他会书写,也会计算他当过一家葬仪社的会计。

高斯曾经向他的再婚对象Minna Waldeck描述过他父母亲:父亲是一位老实、忠厚的人在外头他得别人的尊敬。但是在家里他是个暴君。好在我很早就不用依靠他,彼此间的冲突较少。母亲个性坚强、明朗、善良又聪明。在我与父亲有冲突的时候,她很袒护我。我很敬爱她。”

二、幼少年时代

高斯7岁时St. Cathrine小学老师是J.B.Büttner。班上有百来个学生老师在屋顶低地板凹凸不平的教室里拿着鞭子来回走动。 鞭子是老师教、惩两用的高斯在这样的环境下平安无事过了两年。在高斯九岁左右时Büttner在算术课上要学生们写出1100的数字来并求出它们的总和写好的同学把运算用的石盘(当时纸张还是奢侈品)翻下放在老师桌子上再来交的同学依次叠上石板。老师想,出这样的考题他可以清静一下了吧。没想到高斯一下子就把石盘拿去放在老师桌子上,说:我交了。其他小朋友汗流夹背地忙着运算。高斯静坐着不理会老师奇怪的眼神。结果大部分的小朋友都错了,因而挨了打。高斯的石盘只见 5050 这个数字。他给老师的解释是:1 + 100 = 1012 + 99 = 10150 + 51 = 101。所以 1 + 100等于有50101答案便5050

这件事的发生有它象征性的意义终其一生高斯做出来的结果都是简洁而正确的。

三、大学时代

高斯在1795105日注册,成为哥廷根大学数学系学生这时候他拥有年金158 thaler与伙食费。他对将来的出路感到彷徨。语文与数学都是他喜爱的而学语文以后出路较好。

在大学第一年他借的书有25其中20本是文科的书只有5本是数学书。

1796330日是高斯生涯中决定性的一天。从这一天起他开始写那出名的科学日记他把他的发现依次记载到181479[日记在1898年从高斯在德国唯一 也是唯一他见过)的孙子Carl AugustHamlin的家中找出]330日的日记用拉丁文写着:等分圆周的原理以及用几何方法十七等分圆分等等

据说从这一天开始他决定从事数学的研究,而语文成为他终生喜爱学习的一个嗜好。

四、《整数论研考》的问世

17989月底回Brünswick高斯前途未卜。但他不再回父母亲家而租屋在Wenden街。他写信给Bolyai期盼公爵能在经济上继续支持他到找到工作为止。他也找过工作,但都失去机会。

当年10月他到赫尔姆施泰特大学使用那里的图书。馆长善待他数学教授J. F. Pfa1765-1825也对他很友好他在忙着完成《Disguisitiones Arithmeticae》(编注:整数论研考,也译作算术研究)这本书。11月时他已订正第五章四次,第七章基本上完成了,第八章还得花好多时间12月中旬公爵答应继续给高斯年金158 thaler。 在这以前年金迟迟未发下,高斯以借贷度日。公爵没有立即允诺继续给高斯年金有他个人的理由他的父亲挥霍过度,使国库干枯,几近破产。公爵想了法子才挽救了这个局面。

公爵要求高斯拿博士学位。高斯本来打算交给赫尔姆施泰特大学《Disqusitiones Arithmeticae》做为博士论文但是印刷情况缓慢,高斯写的份量又越来越多,印刷费可观,超出预算因此,高斯打住出版第八章的念头。在17994月高斯打算另交博士论文选题为代数学的基本定理5月他完成它交给赫尔姆施泰特大学当局这是高斯做的有关代数学的基本定理第一次证明。此后他又用另一些方式给了它三次证明。

五、高斯的数学成就

这时候他开始展现大学时代天文学教授Seyer给他培养出来的兴趣天文学。4月间他做出计算视差的公式来。他也研究算术几何平均数(arithmetico-geometric mean双纽线(lemniscate与三角函数间的关系。

18081809年间,舒马赫(H. C. Schumacher1780-1850来哥廷根跟高斯学天文学他记下他与高斯的对话成书叫做《Gaussiana这本书对后世研究他们两人很有帮助。他们的交往持续到舒马赫去世两人的书简集共六册。

高斯的第二部巨著《在太阳周围回转成圆锥曲线的天体之运动论Theoria motus corporum coelestium in sectionibus onicis Solem ambientium)在1809年成书由当时最著名的出版商F. C. Pertes印刷。本来他用德文写后来听从Pertes的意见,为普及起见写成拉丁文内容是高斯依据开普勒的法则作出圆锥曲线(椭圆与双曲线;物线不适用运动之下的天体轨道计算方法的完全体系。并从观测天体的三个点决定恒星或彗星轨道的一般方法。书的内容终于最小二乘法的解说。这本书以形式上简洁,文笔优雅、有完美性及独创性著称。当时常有新星出现,天文学家们不得不借它来计算星座的轨道因此出版后有四十年之久它成为天文学家们必须精通的教科书。所以学者们对《运动论》的评价很高,世界各地的学会也就争聘高斯为他们的会员了法国科学院更在1810年赠送他Lalande[为纪念法国数学家及天文学家J. J. Le Franc ais de Lalande1732-1807)所设立的奖]高斯拒受。后来科学院秘书Sophie Germain1776-1831动用奖金的一部分买一座天文摆钟送他他这才接受,还终生摆设那一座钟在他的房间里。

18118天空上突然出现一颗闪亮的大彗星。高斯在822日黄昏时分看到它。几天后他开始观测,这时von Zach八月初旬的观测结果已经到手了。由这些高斯算出这颗大彗星的物线轨道。它再现时果然在高斯算出的轨道上,并印证他的预言,亮度增强了。而欧洲的人们则视这颗大彗星为一代霸主拿破仑开始落败的预兆。

1812130日高斯在哥廷根皇家科学学会上发表超几何级数+1

的论文。个级数因abc取特别的数而可成为二项级数、对数、三角函数等解析学上很重要的级数。高斯是首位对无限级数的收敛性做出研究的数学家。

18126月底拿破仑率领近45万大军攻打俄罗斯而取道德国。之前拉普拉斯向拿破仑进言请他对哥廷根大学特别关照。因为那儿住着当代最顶尖的数学家高斯。此后十年是高斯成果丰硕的时期。他出了二十数篇范围广泛的论文其中有理论及观测天文学、曲面论、整数论及对数的问题等还给代数基本定理另两种证明。


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