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十九世纪的数学

作者:佚名    数学博览来源:本站原创    点击数:    更新时间:2010-5-18 >>> 马上投稿
 
 
     十九世纪是数学史上创造精神和严格精神高度发扬的时代。复变函数论的创立和数学分析的严格化,非欧几何的问世和射影几何的完善,群论和非交换代数的诞生,是这一世纪典型的数学成就。它们所蕴含的新思想,深刻地影响着二十世纪的数学。

十九世纪数学发展的概貌

    十八世纪数学发展的主流是微积分学的扩展,它与力学和天文学的问题紧密相联。微积分的运用使这些自然科学领域迅猛发展,至十八世纪末,它们达到了一种相对完美的程度。

    然而,将数学和这些自然科学基本上视为一体的观念,使当时一些著名的数学家,如拉格朗日欧拉达朗贝尔等对数学的前途产生了悲观情绪,他们觉得数学泉源已近枯竭。

    而实际上,此时的数学正处于兴旺发达的前夜:18世纪的数学家忙于获取微积分的成果与应用,较少顾及其概念与方法的严密性,到十八世纪末,为微积分奠基的工作已紧迫地摆在数学家面前;另一方面,处于数学中心课题之外的数学分支已积累了一批重要问题,如复数的意义、欧式几何中平行公设的地位,高次代数方程根式解的可能性等,它们大都是从数学内部提出的课题;再者,自十八世纪后期开始,自然科学出现众多新的研究领域,如热力学、流体力学、电学、磁学、测地学等等,从数学外部给予数学以新的推动力。上述因素促成了十九世纪数学充满活力的创新与发展。

    十九世纪欧洲的社会环境也为数学发展提供了适宜的舞台,法国资产阶级大革命所造成的民主精神和重视数学教育的风尚,鼓励大批有才干的青年步入数学教育和研究领地。法国在十九世纪一直是最活跃的数学中心之一,涌现出一批优秀人才,如傅里叶、泊松、彭赛列、柯西、刘维尔、伽罗华、埃尔米特、若尔当、达布、庞加莱、阿达马。他们在几乎所有的数学分支中都作出了卓越贡献。法国革命的影响波及欧洲各国,使整个学术界思想十分活跃,突破了一切禁区。

    英国新一代数学家克服近一个世纪以来以牛顿为偶像的固步自封局面,成立了向欧洲大陆数学学习的“分析学会”,使英国进入世界数学发展的潮流。皮科克、格林、哈密顿、西尔维斯特、凯莱、布尔等英国数学界的杰出人物,在代数学、代数几何数学物理方面的成就尤为突出。

    德国在1870年统一之前,资本主义发展比较缓慢,但从十八世纪下半叶起,它一直是思想意识领域十分活跃的地区,特别是思辨哲学强调事物内部矛盾促进事物发展的思想,对纯粹数学的发展产生了有益的影响。

    从高斯登上数学舞台至十九世纪下半叶,德国逐渐发展成为与法国并驾齐驱的又一个世界数学中心,除高斯外,施陶特、普吕克、雅可比、狄利克雷、格拉斯曼、库默尔、魏尔斯特拉斯、克罗内克、黎曼、戴德金、康托尔、克莱因、希尔伯特都无愧为十九世纪最重要的数学家。

    处于数学中心之外的国家和地区,也出现不少优秀学者,最突出的有挪威的阿贝尔和李,捷克的波尔查诺、俄国的罗巴切夫斯基、切比雪夫和柯瓦列夫斯卡娅,匈牙利的波尔约,意大利的贝尔特拉米和里奇等。这种人才辈出的局面在数学史上是空前的。

    十九世纪数学突破分析学独占主导地位的局面,几何、代数、分析各分支出现如雨后春笋般的竟相发展。仅在十九世纪的前30多年中,一批二三十岁的年轻数学家就在数论射影几何复变函数微分几何非欧几何、群论等领域作出开创性的成绩。

    随着众多新研究方向的开拓和证明严格化的要求,越来越多的学者开始埋头于较窄的领域作精细的研究。如阿贝尔主要从事分析与代数学研究,彭赛列专攻射影几何,伽罗瓦关心代数方程的可解性。只有高斯和柯西仍然关心科学与数学中几乎所有的问题。

    在十九世纪下半叶,一些数学家注意了各分支间的联系,最著名的有克莱因的埃尔朗根纲领,在几何中引进群的观点,取得很大成功,但专门化的研究方式尚处于方兴未艾的阶段。从十九世纪晚期开始的将数学各分支奠基于公理体系之上的运动,又推进了各分支的细分,这种倾向一直延续到二十世纪。

    十九世纪数学家的工作方式呈现出全新的、不同于十八世纪的特色。数学成为一项得到全社会承认的职业,数学家主要在大量培养人才的新型大学教书,研究与教学有机地联系在一起。法国的巴黎综合工科学校、巴黎高等师范大学,德国的柏林大学、格丁根大学是当时最重要的数学研究与教学中心。

    由于数学家人数与成果的剧增交流思想与成果的渠道增多了,数学杂志成了重要的传播媒介。法国的热尔岗编辑出版了《纯粹与应用数学年刊》,是最早的专门数学期刊。之后,高水平的数学杂志相继问世,最著名的有克雷尔创办的德文的《纯粹与应用数学杂志》,刘维尔创办的法文的《纯粹与应用数学杂志》。

    到十九世纪后半叶,随着各国数学会的问世,各种会刊及专门杂志显著增加。这些数学会还在推动本国数学发展和促进国际学术交流方面发挥积极作用。最早成立的是伦敦数学会,之后创建的有法国数学会、美国数学会和德国数学会。在接近世纪之末,由各国数学会发起在瑞士苏黎世召开了第一届国际数学家大会,后成为一项定期举行的国际学术活动。

 

    十九世纪数学的发展错综复杂,粗略地可以分为四个阶段。

数论、分析与几何的创新阶段

    这一阶段从十九世纪初到十九世纪二十年代。

    1801年,高斯发表《算术研究》,这部象征近代数论起点的巨著,同时也打开了数学新世纪的大门。十九世纪前的数论主要是一些漂亮但却孤立的成果,高斯一方面将这些成果系统化,对问题及方法加以分类,同时开辟了全新的课题及方法。树立了严格证明的典范,认为找出简单漂亮的证明,有助于掌握问题的实质并发现不同问题间的联系(典型的是他给出了二次互反律的七个证明)。

    高斯的观点代表了十九世纪对数学严密性追求的时代精神,也指出了纯粹数学发展的一条途径。同年,高斯依据少量观测数据,运用误差分析等方法计算出谷神星的轨道,准确地预报了这颗小行星在天空出现的时刻,哄动了科学界。高斯在一生中始终对理论与应用同等重视,他的成就一直鼓舞着最有才华的数学家。他和阿基米德牛顿一起,被认为是历史上最伟大的数学家。

    1807年,傅里叶向巴黎科学院提交了一篇关于热传导的文章,在解热传导方程时,提出任意函数可用三角级数表示。这是分析学在十九世纪的首项重要工作,它不仅使分析方法进入新的物理领域,而且扩展了函数概念,推进了偏微分方程理论。对傅里叶级数收敛点的研究,最终导致康托尔创立集合论。由于傅里叶级数在应用中的重要性,研究其收敛性成为分析严格化的动力之一。

    十九世纪分析严格化的倡导者有高斯、波尔查诺、柯西、阿贝尔和狄利克雷等人。1812年,高斯对一类具体的级数——超几何级数,进行了严密研究,这是历史上第一项重要的有关级数收敛性的工作。1817年,波尔查诺首先抛弃无穷小量概念,用极限观念给出导数和连续性的定义,并得到判别级数收敛的一般准则(现称柯西准则),由于他的工作长期被埋没,因此对当时数学的发展没有产生影响,是数学史上一件憾事。

    柯西是对分析严格化影响最大的学者,1821年发表了《分析教程》,除独立得到波尔查诺的基本结果,还用极限概念定义了连续函数的定积分,这是建立分析严格理论的第一部重要著作。值得注意的是,柯西的分析理论基本上基于几何直观,按现代标准衡量仍不够严密。阿贝尔一直强调分析中定理的严格证明,在1826年最早使用一致收敛的思想,证明了连续函数的一个一致收敛级数的和在收敛区域内部连续。

    柯西在建立严格的分析理论的同时,还为十九世纪最重要的数学创造——单复变函数论奠定了基础。1814~1825年间,他得到了计算复函数沿复平面上路径积分的基本定理和留数计算公式。由于柯西的工作,复数和复变函数论在十九世纪20年代为广大数学家所熟悉。1826年,阿贝尔和雅可比创立了椭圆函数理论,成为复变函数论蓬勃发展的生长点。

    十九世纪最富革命性的创造当属非欧几何。自古希腊时代始,欧氏几何一直被认为是客观物质空间惟一正确的理想模型,是严格推理的典范。16世纪后的数学家在论证代数或分析结果的合理性时,都试图归之为欧氏几何问题。

    但欧氏几何的平行公设曾引起数学家的持久的关注,以弄清它和其他公理、公设的关系。这个烦扰了数学家千百年的问题,终于被高斯、罗巴切夫斯基和波尔约各自独立解决。高斯在1816年已认识到平行公设不可能在欧氏几何其他公理、公设的基础上证明,得到在逻辑上相容的非欧几何,其中平行公设不成立,但由于担心受人指责而未发表。

    1825年左右,波尔约和罗巴切夫斯基分别得到同样的结果,并推演了这种新几何中的一些定理。罗巴切夫斯基1829年的文章《论几何基础》是最早发表的非欧几何著作,因此这种几何也称为罗巴切夫斯基几何。这项发现的技术细节是简单的,但观念的变革是深刻的,欧氏几何不再是神圣的,数学家步入了创造新几何的时代。

    非欧几何对人们认识物质世界的空间形式提供了有力武器,但由于它背叛传统,创立之初未受到数学界的重视。只是当高斯有关非欧几何的通信和笔记在他1855年去世后出版时,才因高斯的名望而引起数学家们的关注。

    十九世纪前半叶最热门的几何课题是射影几何。1822年,彭赛列发表《论图形的射影性质》,这是他1813~1814年被俘关在俄国时开始研究的总结。他探讨几何图形在任一投影下所有截影所共有的性质,他的方法具有象解析几何那样的普遍性。1827年左右,普吕克等人引进齐次坐标,用代数方法研究射影性质,丰富了射影几何的内容。

    对纯几何问题兴趣的增长,并未减弱分析在几何中的应用。高斯从1816年起参与大地测量和地图绘制工作,引起他对微分几何的兴趣。1827年他发表的《关于曲面的一般研究》,为这一数学分支注入了全新的思想,开创了微分几何的现代研究。

代数观念的变革时期

    代数思想的革命发生在十九世纪30~40年代。

    1830年,皮科克的《代数学》问世,书中对代数运算的基本法则进行了探索性研究。在这之前,代数的符号运算实际仅是实数与复数运算的翻版。皮科克试图建立一门更一般的代数,它仅是符号及其满足的某些运算法则的科学。他和德·摩根等英国学者围绕这一目标的工作,为代数结构观点的形成及代数公理化研究作了尝试,因而皮科克被誉为“代数中的欧几里得”。皮科克的目标虽然很有价值,但方法过于含糊,无法达到他的愿望。数学天才—伽罗华

    代数中更深刻的思想来自于数学史上传奇式的人物伽罗华。在1829~1832年间,他提出并论证了代数方程可用根式解的普遍判别准则,从概念和方法上为最基本的一种代数结构(群)理论奠定了基础,阐明了群的正规子群及同构等重要概念。

    伽罗瓦在1832年去世前,几次向巴黎科学院递交他的论文,均未获答复。他的理论在1846年由刘维尔发表之前几乎无人知晓,到十九世纪60年代后才引起重视,这是数学史上新思想历经磨难终放异彩的最典型的例证。

    另一项引起代数观念深刻变革的成果,归功于哈密顿和格拉斯曼。哈密顿在用“数对”表示复数并探究其运算规

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