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数学史话:十九世纪数学的发展(一)

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  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为第一阶段。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。18141825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18131814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。

 

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