书城教材教辅新课改·高一数学备课素材
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第26章 数列(6)

11.开方;

12.求根;

13.平面;

14.几何;

15.垂直;

16.求证;

17.平行;

18.余角;

19.倍角;

20.三角;

21.祖冲之。

微分几何大师著名数学家——陈省身

陈省身(1911—2004年),国际著名数学家,微分几何大师。1930年毕业于南开大学数学系,1934年毕业于清华大学研究生学院。同年公费到德国汉堡大学师从布拉施克教授,1936年获博士学位。后到法国巴黎师从著名数学家嘉当。回国后任教于清华大学和西南联大。1943年到普林斯顿研究院研究数学,获得国际声誉。1948年,陈省身创建中央研究院数学研究所,并任所长代理主持一切工作,培养出吴文俊、廖山涛等著名数学家。

1949年开始长期旅美,担任芝加哥大学、加利福尼亚大学伯克利分校教授。1962年任美国数学会副会长。1981年任美国数学科学研究所第一任所长。

陈省身是中国科学院外籍院士,美国科学院院士,英国皇家学会外籍会员,俄罗斯科学院、意大利林琴科学院、法兰西学院等学院的外籍院士。

1984年,陈省身任南开大学数学研究所所长。2000年他回天津定居,为中国成为世界数学大国作出了巨大的贡献。

1984年,陈省身获得数学界的最高奖——沃尔夫奖,证书上写道:“此奖授予陈省身,因为他在整体微分几何上的卓越成就,其影响遍及整个数学。”

1988年,设立“数学天元基金”。20世纪80年代末,在陈省身的推动下,“21世纪中国数学展望”学术研讨会酝酿召开,会议的主题确定为研讨如何让中国数学率先赶上国际水平。

2002年国际数学家大会,是陈省身多方奔走竭力促成的一项展示中国数学成果的大事件。

2004年11月2日,广袤的天际有了一颗“陈省身星”,这颗以著名数学家陈省身名字命名的小行星代表了大师一生的荣耀与光辉。12月3日,刚好一个满月的轮回。华裔数学大师、“微分几何之父”陈省身走完了93年的人生历程。他的名字,已经深深地刻在20世纪的世界数学史上,并且成为炎黄子孙跻身国际一流科学家之列的一面旗帜。

欧洲黑暗时代以后第一位有影响的数学家——斐波那契

欧洲数学在希腊文明衰落之后长期处于停滞状态,直到12世纪才有复苏的迹象。这种复苏开始是受了翻译、传播希腊、阿拉伯著作的刺激。对希腊与东方古典数学成就的发掘、探讨,最终导致了文艺复兴时期(15至16世纪)欧洲数学的高涨。文艺复兴的前哨意大利,由于其特殊地理位置与贸易联系而成为东西方文化的熔炉。

意大利学者早在12至13世纪就开始翻译、介绍希腊与阿拉伯的数学文献。欧洲,黑暗时代以后第一位有影响的数学家斐波那契(约1170—1250年),斐波那契出生于比萨的商业中心,其父在那里经商,他父亲的职业唤起了斐波那契对算术的兴趣。后来他们旅行到埃及、西西里、希腊和叙利亚,斐波那契又接触到东方和阿拉伯的数学实践。斐波那契完全确信印度、阿拉伯计算方法在实用上的优越性。1202年,在回到家里不久,他发表了著作《算盘书》。他在序言中写道:“我把自己的一些方法和欧几里德几何学的某些微妙的技巧加到印度的计算方法中去,于是决定写现在这本十五章的书,使拉丁族人对这些东西不再那么生疏。”

《算盘书》对于欧洲人从希腊、印度、阿拉伯那里学来的所有算术和代数知识做了整理和总结。从此,欧洲人才在数学的两个分支开始了自己的科学活动。

离群索居的数学王子——高斯

历史上间或出现神童。神童常常出现在数学、音乐、棋艺等方面。卡尔·弗雷德里希·高斯,一位数学神童,是各式各样的天才里最出色的一个。就像狮子号称万兽之王,高斯在数学家之林中称王,他有一个美称——数学王子。高斯不仅被公认为是19世纪最伟大的数学家,并且与阿基米德、牛顿并称为历史上三个最伟大的数学家。现在阿基米德和牛顿的名字早已进入了中学的教科书,他们的工作或多或少成为大众的常识,而高斯和他的数学仍遥不可及,甚至于在大学的基础课程中也不出现。但高斯的肖像画却赫然印在10马克——流通最广泛的德国纸币上,相应地出现在美元和英镑上的分别是乔治·华盛顿和伊丽莎白二世。1777年4月30日,高斯出生在德国下萨克森洲的不伦瑞克,他的祖先里没有一个人可以说明为什么会产生高斯这样的天才。高斯的父亲是个普通的劳动者,做过石匠、纤夫、花农,母亲是他父亲的第二个妻子,当过女仆,没有受过什么教育,但她聪明善良,有幽默感,并且个性很强,她以97岁高寿仙逝,高斯是她的独养儿子。据说高斯3岁时就发现父亲账簿上的一处错误。高斯9岁那年在公立小学读书,一次他的老师为了让学生们有事干,叫他们把从1到100这些数加起来,高斯几乎立刻就把写好结果的石板面朝下放在自己的桌子上,当所有的石板最终被翻过时,这位老师惊讶地发现只有高斯得出了正确的答案:5050,但是没有演算过程。高斯已经在脑子里对这个算术级数求了和,他注意到了1+100=101,2+99=101,3+98=101……这么一来,就等于50个101相加,从而答案是5050。高斯在晚年常幽默地宣称,在他会说话之前就会计算,还说他问了大人字母如何发音,就自己学着读起书来。

高斯的早熟引起了不伦瑞克公爵的注意,这位公爵是个热心肠的赞助人。高斯14岁进不伦瑞克学院,18岁入哥廷根大学。当时的哥廷根仍默默无闻,由于高斯的到来,才使得这所日后享誉世界的大学变得重要起来。起初,高斯在做个语言学家抑或数学家之间犹豫不决,他决心献身数学是1796年3月30日的事了。当他差一个月满19岁时,他对正多边形的欧几里德作图理论(只用圆规和没有刻度的直尺)做出了惊人的贡献,尤其是发现了作正十七边形的方法,这是一个有着二千多年历史的数学悬案。高斯初出茅庐,就已经炉火纯青了,而且以后的五十年间他一直维持这样的水准。高斯所处的时代,正是德国浪漫主义盛行的时代。高斯受时尚的影响,在其私函和讲述中,充满了美丽的词藻。高斯说过:“数学是科学的皇后,而数论是数学的女王。”那个时代的人也都称高斯为“数学王子”。事实上,纵观高斯整个一生的工作,似乎也带有浪漫主义的色彩。

对自然数的迷恋

数论是最古老的数学分支之一,主要研究自然数的性质和相互关系。从毕达哥拉斯时代人们就沉湎于发现数的神秘关系之中,优美、简洁、智慧是这门科学的特点。就像其他数学神童一样,高斯首先迷恋上的也是自然数。高斯在1808年谈到:“任何一个花过一点功夫研习数论的人,必然会感受到一种特别的激情与狂热。”现代数学最后一个“百事通”——大卫·希尔伯特的传记作者在谈到大师放下代数不变量理论转向数论研究时指出:“数学中没有一个领域能够像数论那样,以它的美——一种不可抗拒的力量,吸引着数学家中的精华。”画家瓦西里·康定斯基也认为:“数是各类艺术最终的抽象表现。”一些不曾研究过数论的伟大数学家,如帕斯卡尔、笛卡尔、牛顿和莱布尼兹,他们都把后半生的精力奉献给了哲学或宗教,惟独费尔马、欧拉和高斯这三位对数论有着杰出贡献的数学家,却终其一生都不需要任何哲学和宗教,因为他们心中已经有了最纯粹、最本质的艺术——数论。

这里引用印度数学天才拉曼纽扬的故事来说明数论学者与自然数的“情谊”,这位泰戈尔的同胞来自印度最南端的泰米尔纳德邦,是个贫穷的办事员,从没有受过高等教育,但他具有快速并且深刻地看出复杂的数的关系的惊人才华。著名的英国数学家哈代在1913年“发现”了他,并于次年把他邀请到英国,入剑桥大学。哈代有一次去探望病中的拉曼纽扬时对他讲,自己刚才乘坐的出租汽车车号1729似乎没有什么意义,但愿它不是一个不祥的预兆。拉曼纽扬却回答:“不,这是一个很有意思的数,1729是可以用两种方式表示成两个自然数立方和的最小的数(既等于1的三次方加上12的三次方,又等于9的三次方加上10的三次方)。”哈代又问,那么对于四次方来说,这个最小数是多少呢?拉曼纽扬想了想,回答说:“这个数很大,答案是635318657。”(既等于59的四次方加上158的四次方,又等于133的四次方加上134的四次方)

《算术研究》:数论的法典

1801年,年仅24岁的高斯出版了《算术研究》,从而开创了现代数论的新纪元。书中出现了有关正多边形的作图,方便的同余记号以及优美的二次互反律的首次证明等。这部伟大的著作曾经寄到法国科学院而被拒绝,但高斯自己把它发表了。和高斯的前期作品一样,它是用拉丁文写的,这是当时科学界的世界语,然而由于受19世纪初国家主义的影响,高斯后来改用德文写作。如果他和其他研究者坚持使用拉丁文,也许今日我们就可以免除语言上的困扰了。

《算术研究》是数论的宪章。高斯总是迟迟不肯发表他的著作,这给科学带来的好处是,他付印的著作在今天仍然像第一次出版时一样正确和重要,他的出版物就是法典。比人类其他法典更高明,因为不论何时何地从未发觉出其中有任何一处毛病,这就可以理解高斯暮年谈到他青年时代第一部巨著时说的话:“《算术研究》是历史的财富。”他当时的得意心情是颇有道理的。

关于《算术研究》,还流传着这样一个故事,1849年7月16日,哥廷根大学为高斯获得博士学位五十周年举行庆祝会。当进行到某一程序时,高斯准备用《算术研究》的一张原稿点烟,当时在场的数学家狄里克雷(后来继承了高斯的职位),像见到渎圣行为一样吃了一惊,他立刻冒失地从高斯手中抢下这一页纸,并一生珍藏它;他的编辑者在他死后从他的论文中间找到了这张原稿。

和艺术家一样,高斯希望他留下的都是十全十美的艺术珍品,任何丝毫的改变都将破坏其内部的均衡。他常说:“当一幢建筑物完成时,应该把脚手架拆除干净。”高斯对于严密性的要求也非常苛刻,使得一个定理从直觉的形式到完整的数学证明,中间有一段很长的过程。此外,高斯十分讲究组织结构,他希望在每一个领域中,都能树立起一致而普遍的理论,从而将不同的定理联系起来。鉴于上述原因,高斯很不乐意公开发表他的东西。他的著名的警句是:宁肯少些,但要成熟。为此,高斯付出了高昂的代价,包括把非欧几何学和最小二乘法的发明权让给了罗巴切夫斯基、鲍耶和勒让德,就如同费尔马把解析几何和微积分的发明权让给了笛卡尔和牛顿、莱布尼兹。

从做出有关正多边形发现的那天起,高斯开始写他那著名的数学日记,他以密码式的文字记载下许多伟大的数学发现。高斯的这本日记直到1898年才被找到,它包括146条很短的注记,其中有数值计算结果,也有简单的数学定理。例如,关于正多边形作图问题,高斯在日记中写到:

圆的分割定律,如何以几何方法将圆十七等分。

又如1796年7月10日的记载,num=++意指“每个自然数都是三个三角形数之和”。就像莫扎特一样,高斯年轻时候风起云涌的奇思妙想使他来不及做完一件事,另一件又出现了。

多才多艺

高斯不仅是数学家,还是那个时代最伟大的物理学家和天文学家之一。在《算术研究》问世的同一年,即1801年的元旦,一位意大利天文学家在西西里岛观察到在白羊座附近有光度八等的星移动,这颗现在被称作谷神星的小行星在天空出现了41天,扫过八度角之后,就在太阳的光芒下没了踪影。当时天文学家无法确定这颗新星是彗星还是行星,这个问题很快成了学术界关注的焦点,甚至成了哲学问题。黑格尔就曾写文章嘲讽天文学家说,不必那么热衷去找寻第八颗行星,他认为用他的逻辑方法可以证明太阳系的行星,不多不少正好是七颗。高斯也对这颗星着了迷,他利用天文学家提供的观测资料,不慌不忙地算出了它的轨迹。不管黑格尔有多么不高兴,几个月以后,这颗最早发现迄今仍是最大的小行星准时出现在高斯指定的位置上。自那以后,小行星、大行星接二连三地被发现了。

在物理学方面高斯最引人注目的成就是在1833年和物理学家韦伯发明了有线电报,这使高斯的声望超出了学术圈而进入公众社会。除此以外,高斯在力学、测地学、水工学、电动学、磁学和光学等方面均有杰出的贡献。即使是数学方面,我们谈到的也只是他年轻时候在数论领域里所做的一小部分工作,在他漫长的一生中,他几乎在数学的每个领域都有开创性的工作。例如,在他发表了《曲面论上的一般研究》之后大约一个世纪,爱因斯坦评论说:“高斯对于近代物理学的发展,尤其是对于相对论的数学基础所作的贡献(指曲面论),其重要性是超越一切,无与伦比的。”

高处不胜寒

在高斯的时代,几乎找不到什么人能够分享他的想法或向他提供新的观念。每当他发现新的理论时,他没有人可以讨论。这种孤独的感觉,经年累月积存下来,就造成他高高在上、冷若冰霜的心境了。这种智慧上的孤独,在历史上只有很少几个伟人感受过。高斯从不参加公开争论,他对辩论一向深恶痛绝,他认为那很容易演变成愚蠢的喊叫,这或许是他从小对粗暴专制的父亲一种心理上的反抗。高斯成名后很少离开过哥廷根,他曾多次拒绝柏林、圣彼德堡等地科学院的邀请。高斯甚至厌恶教学,也不热衷于培养和发现年轻人,自然就谈不上创立什么学派,这主要是由于高斯天赋之优异,因而心灵上离群索居。可这不等于说高斯没有出类拔萃的学生,黎曼、狄里克雷都堪称伟大的数学家,戴德金和艾森斯坦也对数学作出了杰出贡献。但是由于高斯的登峰造极,在这几个人中,也只有黎曼(在狄里克雷死后继承了高斯的职位)被认为和高斯比较亲近。