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第14章 数学史上的巨人(2)

1650年2月,笛卡儿在瑞典病逝。

盲人数学家创造“欧拉时代”

1707年4月15日,瑞士巴塞尔城附近的里恩村,有一位叫保尔·欧拉的牧师家里诞生了一个男孩,这就是后世称其为“百科全书式的数学家”欧拉。

小欧拉自幼聪颖,7岁那年,父亲把他送到巴塞尔神学校去学习神学。起初,他对上帝创世深信不疑。一次,他问老师:“天上有多少颗星?”老师答不出来,只是说:“天上的星星都是上帝亲手嵌上去的。”于是,小欧拉问:“既然上帝亲手制作了星星,为什么记不住它们的数目呢?”他对上帝的信仰开始动摇,也不专心听课了。不久,学校开除了他。

父亲保尔通数学,见儿子不愿学神学,就开始向他传授数学知识。小欧拉如鱼得水,立刻入了迷。

1719年,欧拉12岁。父亲为了考一考儿子的能力,正赶上家里要修羊圈。于是,他给出了一个固定长度,让欧拉围成一个面积最大的方形羊圈。欧拉想来想去,把它围成了一个正方形。于是,小欧拉“巧围羊圈”的故事不胫而走,被巴塞尔大学的著名数学教授伯努利约翰知道了。这位教授竟亲自出城,找到欧拉的父亲,说要保举小欧拉去大学学数学。老欧拉却说:“教授,我希望他将来学习神学。”

约翰说:“可你知道吗,这孩子是个数学天才,如果去学神学会葬送这孩子的前程。”

在约翰教授的劝说下,老欧拉终于点头了,13岁的小欧拉被巴塞尔大学破格收录了。欧拉不负老师厚望,入学后勤奋好学,广闻博览,又善于独立思考,不久就可以与那些年龄大的同学比肩。他的老师约翰则根据他的特点因材施教,循循善诱,每周六的下午都挤出时间为他个别辅导,使他的学业突飞猛进。17岁时,欧拉成为巴塞尔大学第一位最年轻的硕士。1726年,欧拉发表的论文,荣获巴黎科学院的奖金。

1727年,欧拉由丹尼尔推荐,受俄罗斯女王叶卡特琳娜的聘请,来到彼得堡科学院任院长,做丹尼尔的助手。1733年,丹尼尔回国,欧拉接替丹尼尔的工作,成为数学教授及彼得堡科学院的学部领导人。由于当时俄国统治集团长期陷入权力之争,无心科学事业,科学院的生存岌岌可危。1733年至1741年,欧拉的工作条件相当艰苦。他的许多不朽著作,都是在“膝上坐着孩子,肩上趴着猫”的情况下写出来的。欧拉还担负着许多社会责任,如承担菲诺运河的改造方案,宫廷排水设施的设计审定,为俄国学校编写教材,帮助政府绘制地图,制定度量衡标准,为气象部门提供天文数据,协助建筑单位进行设计结构的力学分析……由于他长期疲劳工作,又长期观测太阳,使他的视力迅速衰退。1735年,年仅28岁的欧拉右眼失明了。就在这时,有关“七桥问题”传入彼得堡科学院,欧拉出于对数学的热爱,又潜心研究起“七桥问题”。

“七桥问题”

希腊人留下的一道难题。18世纪初,波罗的海沿岸的古城哥尼斯堡(今加里宁格勒),普雷格尔河横贯市区。这条河在市区内分成两个支流,把奈发夫岛截成两段并把两岛环抱起来,形成了一个美妙的“8”字。有好事者根据古人的“七桥问题”,就在这里建起了七座桥,把两个小岛和两岸连接起来。

于是,这个问题直观地摆在游人面前:一个人怎样才能一次走过七座桥,而且每座桥只经过一次,最后又回到出发点。

从此,无论是稚气未退的少年还是白发苍苍的老者,都想试一试自己的智力。他们在这七座桥上穿来走去,但都没有一个人能成功过。因此,这七座桥便很快地名扬欧洲,又带来一批批游客。但是,又有多少年过去了,还是没人成功。

这时,29岁的独眼青年欧拉也来到了哥尼斯堡,他在桥上走了几次之后,想道:“千百万人的无数次失败,是不是说明这样的走法根本就不存在呢?”

猜想是需要证明的。于是,欧拉埋头对这个猜想进行证明。他先用“穷举法”,即把所有可能的走法列成表格,逐一检查哪种走法能行得通。结果他发现这是一件相当繁琐的事情,要列出7×6×5×4×3×2=5040条路线来!这太困难。另外,他又想到,如果存在更多的桥,或一个城市有更多的街道,那可如何列呀?

于是,他换了一种思维方式,想到了莱布尼茨的“位置几何学”。经过细心推想,他把两个小岛和两岸陆地看成A、B、C、D四个点,而把7座桥看成是7条线,就画成了一幅图。

由于此图有点像蝉,所以后人称之为“欧拉金蝉”。通过这个图形,欧拉严谨地证明:不可能不重复地一次走遍这7座桥。

很明显,“七桥问题”是一个几何图形问题。但是,在此之前的传统几何学却把它排除在外,因为人们所熟知的几何理论,都是与“量”(长短、大小等)有关,而这个问题居然与“量”无关。“七桥问题”提出了一个新的几何学的分支——“拓扑学”。欧拉一举证明了“七桥问题”一时引起人们的敬慕和惊叹,求教的人络绎不绝。后人称他为”拓扑学的鼻祖”。接着,欧拉又继续研究,他的几何学超出了欧几里得的范围,从而奠定了“网络论”几何学科的基石。

1741年,欧拉不能忍受俄国统治者的昏庸腐败,离开了生活14年的彼得堡,踏上了普鲁士国土。1759年,他成为柏林科学院的领导人,为普鲁士王国解决了大量的社会实际问题。如社会保险、运河水力、造币规划等。他成功地将数学应用到各种实际的科学和技术领域。

1762年,俄国的叶卡特琳娜二世继位。在这位有为的女王敦请下,欧拉重返彼得堡,继续他的研究和工作。1766年,欧拉的左眼又失明了,使他完全成了一个盲人。但他仍以顽强的毅力,采用口述,由别人记录的方法,坚持他的研究。

1777年,更大的不幸降临,欧拉的家里不慎失火,他的著述几乎全都变为灰烬。这对于70岁高龄的欧拉来说,是一个致命的打击。然而,欧拉却以惊人的毅力,重新开始他的著述。他的头脑里如一卷百科全书,他不停地口述,助手为其记录,居然把他葬身火海的著作全都重新写了出来,而且还进行了一次订正。1783年9月18日,欧拉走过了76年的历程与世长辞。他死后,数学家们把他的著作编成全集出版,竟达72卷之多。

在欧拉的著作中,“无限小分析”方法是从欧拉开始的;变分学基础是欧拉方程;拓扑学中有欧拉数;刚体力学有欧拉角;复变函数中有欧拉函数;数论中有欧拉定理……后人称欧拉为“数学分析的化身”。在世界数学发展史上,人们把18世纪称为“欧拉时代”。

独领风骚的“数学王子”高斯

1777年4月30日,德国的布伦瑞克城一个引水站站长家里新生了一个男孩,他就是卡尔·弗里德里希·高斯,一位天才的数学家。

高斯从小聪明好学,对数学有着得天独厚的天赋。3岁时,每当父亲和其他大人们计算水的账目时,他都在一旁聚精会神地听着看着,对枯燥的数字有无限的兴趣。有一次,当他的父亲哥布哈德刚刚算完一笔支出账,就听小高斯说:“爸爸,这笔账您算的不对!”

爸爸吃惊地看着3岁的小儿子,似信不信地把账重算一遍。令他吃惊的是,自己算的账真的错了!但他心里想:“这也许是一次巧合吧。”

后来,这种“巧合”越来越多,哥布哈德才知道他的儿子是个天才。由于生意场上的失意,老高斯渐渐地颓废下去,时常用酒打发时光,他就把算账的工作全部推给了不足10岁的小高斯。而小高斯不管账目多么繁琐复杂,都能运算自如,表现出超常的计算能力。

读小学时,小高斯特别迷恋算术课。一天,数学老师伯特纳夹着手杖来上算术课,他对同学们说道:“现在给你们出一道题,请计算出从1到40所有数字的总和。谁做好了,就把答案送到我的讲桌上来。”

于是,孩子们都埋头书桌,教室里鸦雀无声。伯特纳老师悠然自得地放下手杖,坐在讲桌前看着这些孩子们。

谁知他刚刚坐稳,就见小高斯拿着练习本向他走来,轻松愉快地说:“老师,我做好了。”

伯特纳心想,他做得这么快,错误一定不少。便说:“放下吧!”心里在想,等都交全了,我再教训这个毛躁而神气十足的孩子。

过了许久,孩子们才把练习本全交上来,伯特纳特意拿起最先交的高斯的练习本。他看了一会儿便惊呆了!只见小高斯的练习本上整齐地排着20组加法:1+40,2+39,3+38,4+37,……,然后用一组乘法:41×20。得出了正确答案:820。无疑,这答案是正确的。老师望了一眼他想批评又批评不了的高斯,内心却受了很大震动。事实上,小高斯是在没有一点儿概念的情况下,发现了等差数列的规律及计算方法。

从此,伯特纳老师对小高斯刮目相看,并尽力地培养他。每当去汉堡时,都要买回各种数学课本给高斯看。这一切,使小高斯的数学才能大增。不久,小学还没毕业的高斯,其计算才能就引起了当地各界人士的注意。14岁时,高斯被引荐给当地最有名望的人物,布伦瑞克城的大公卡尔·费尔南多,费尔南多成了高斯的长期保护人。

在费尔南多大公在世的那些年里,高斯每年都可以领到薪俸。由于有了这笔钱,生活有了保障,高斯就全身心地投入到研究工作中去,24岁的高斯出版了《算术研究》这一科学巨著,开创了近代数论,得到数学界的一致好评,奠定了他作为19世纪最伟大数学家的地位。

1807年,高斯应哥廷根大学的邀请,担任了该校的数学教授和天文台台长。从此他在哥廷根大学从事研究直至生命的终结。在以后的岁月里,他对非欧几何、复变函数、概率论、椭圆函数论、数学统计等都有重大贡献。他以治学态度认真严谨著称。虽然,早在1800年他就发现了椭圆函数,1816年发现了非欧几何。但他一直在做这些重大发现的完善工作,一直没将这些发现公布于世。直到他死后,人们才从他日记的遗稿中发现了这一切。

高斯的著作非常丰富,但在他生前并未全部发表出来。直到第二次世界大战前夕,才由哥廷根大学的学者们对其遗著进行整理研究,出版了长达11卷的《高斯全集》。

高斯还在天文学和物理学上有很高的成就。他创立了一种可以计算星球椭圆轨道的方法,可以极准确地预测出行星的位置。由他计算出了一颗即逝的谷神星轨道,曾轰动了天文学界。高斯对电磁学的贡献也是巨大的,他提出了磁场的“高斯定律”。

高斯逝世于1855年,终年78岁。和他同时代的科学家,几乎都从他那里得到过教益。一位科学家曾高度评价他说:“如果我们把19世纪的科学家想象成为一系列的高山峻岭,那么使人肃然起敬的巅峰就是高斯。”人们还常常把高斯比作一座桥,认为一个数学家不论来自哪里走向何方,他都必须经过高斯这座桥。

高斯逝世之后,哥廷根大学为他在校园内建了一座塑像,底座是一个正17边形的台基。原来,高斯临终时留有遗嘱,希望在他的墓碑上刻上正十七边的图形。因为他是在用直尺和圆规作出了正十七边图形后才献身数学事业的。

帕斯卡

帕斯卡是早熟的天才数学家、18世纪极其重要的哲学家帕斯卡在发表《圆锥曲线论》(1640年)后,全部精力不但集中在制造一种计算机械上,而且集中在后来的关于概率计算和摆线(由位于圆周线上的一点的运动所决定的曲线)规则的研究中,后二者源于莱布尼茨关于微积分运算的不断总结。

在物理领域,由托里拆利的气压计的测量结果引发的真空研究最为突出。经过多次实验,帕斯卡在《关于真空的新实验》(1647年)一文中对之作了说明。他在文中谨慎地提出假想,认为讨论的这个现象,用空气的重量比用亚里斯多德反对真空存在可以得到更好的解释。那位大自然中不可能存在绝对真空的捍卫者、基督教神父诺埃尔的强烈反应迫使帕斯卡去做更完善的实验。这样,在1648年终于诞生了著名的多梅火山丘实验。在位于多梅火山脚下的城市里以下列方法,做了这样一次实验:首先,精心测出浸在同一个容器中的两根同样的玻璃管中的水银高度,然后,把两根玻璃管中的一根固定住,并使其保持原来的状态。接着,再测出被带到山顶的另一根玻璃管中水银的高度可能发生的变化:空气的压力在随着试管所在位置的升高而降低,是否玻璃管中的水银高度也随之而下降呢?结果,第二个试管中的水银高度低于留在城里的第一个试管的水银高度。因此,他在《3个拇指和一条线》一文中指出,毫无疑问,气压是存在的。

艾萨克·牛顿

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