数学王子高斯简介。
数学天才
高斯是一个数学神童,拥有惊人的记忆力和心算能力。3岁时,我就能纠正父亲的计算错误。11岁的时候,我发现了二项式定理。19岁时,我发明了圆规直尺正17多边形的画法。后来在超几何级数、复变函数、统计数学、椭圆函数理论等方面做出了巨大贡献。是当之无愧的数学天才。
关于高斯的巧妙计算,有很多有趣的故事。
大约200年前的一天,在德国不伦瑞克的一所乡村小学里,一位算术老师正在给学生上课。城里来的老师自以为清高,跑这么远去教乡下一群傻孩子。因此,他感到委屈,经常无缘无故地发脾气,动辄训斥和鞭笞学生。当孩子们看到一只猫时,他们吓得像老鼠一样。
这一天,算术老师心情不好,愁眉苦脸地走进教室,有条不紊地对学生们说:“今天,你们给我把1加2,加3,加4……的和,一直到100。谁不擅长就不准回家吃饭。”说完,他像凶神恶煞一样盯着孩子,然后坐到椅子上,闭上了眼睛。孩子们又怕又急,赶紧拿出石板算了一下:1+2=3,3+3=6,6+4=10,10+5=15,……唉,这道题真难做,从1开始加。
就在大家忙着擦石板的时候,只见一个男生站起来,手里拿着石板走到老师面前,低声说:“老师,我算出来了。这就是答案吗?”算术老师头也没抬,挥挥手说:“走!走吧。走吧。就算这么快,也一定是错的!”孩子站着不动,他又把小石板向前推。“看一看,老师。我认为这个答案是正确的。”算术老师就要发作了,可是一抬头,却大吃一惊。石板上写着“5050”这个数字。他事先计算了答案,结果是正确的。然而,他花了很长时间才算出这道题。9岁的孩子怎么这么快就算出来了?他有点惊讶,问:“你是怎么算出来的?”
“老师,我没有按照1加2加3的顺序一个一个加。我仔细看了一下公式,发现在这个100的加数中,一端一尾两个数之和是101。你看,1+100 =这样,有50个101,50乘以101就是5050。”
“哎哟!我怎么没想到呢?”算术老师惊讶地看着这个学生。的确,他受到了极大的震撼,没想到农村孩子中还有这么聪明的人。要知道,这个孩子用的方法就是数学家们经过长期研究发现的“等差数列求和”的方法。从那以后,老师一直认真备课,认真听课,对学生的态度也有了很大的改善。尤其是对这个聪明的孩子,给予了热情的帮助和悉心的指导,让他走上了热爱数学的道路。
这个聪明的男孩是高斯。他于1777年4月30日出生在德国不伦瑞克的一个贫苦农民家庭。他的祖父是农民,父亲是日工,后来在一家小杂货店当店员,母亲是石匠的女儿。可以说高斯家族几代人都没有文化。但高斯非常热爱阅读和学习,从小就表现出特殊的数学天赋。有一次,他爸爸年底忙着给老板结算小杂货铺几个帮工的工资,出了一身汗才拿到总数。突然,4岁的高斯低声向他指出总数算错了。他吃了一惊,很快又检查了一遍,发现自己确实算错了。很奇怪,没人教过小高斯算术。他在哪里学的?高斯后来回忆他的童年时说,他在学会说话之前就已经学会了计算。的确,这个数学神童有点数学天才。
1788年,小学毕业的高斯因为古典文学成绩优异,被文科中学录取为高二,后来升入哲学班。18世纪,中学的哲学课有点像我们今天的尖子班,里面都是优秀的学生。然而,父母担心高斯能否上大学深造,因为他们太穷了,负担不起昂贵的大学学费。的确,高斯家里很穷。为了省油,他爸爸让他吃完饭就睡觉,把油灯灭了。聪明的高斯为了继续他喜欢的研究,用一个大萝卜挖出了核,做了一个小油灯。他躲在阁楼里,在昏暗的灯光下看书学习到深夜。
知道十几种外语
1791年的一天,14岁的高斯在放学回家的路上看书,不小心闯入了不伦瑞克公爵费迪南的庄园。当时德国尚未统一,全国由几十个小州统治。公爵是国家元首。为什么要闯入公爵的庄园?费迪南亲自询问了这个农村孩子,发现他是无意闯入的。在盘问的过程中,孩子快速回答问题的能力让他觉得这个高斯是个神童。于是,公爵决定培养高斯,并于1792年赞助他进入著名的卡罗琳学院学习语言和数学,为进入大学做准备。在那里,高斯学会了几种语言,并认真学习了英国牛顿、法国拉格朗日、瑞士欧拉等著名数学家的外文原著。
1795年,在费迪南公爵的支持下,已经打下良好基础的高斯进入了世界著名的哥廷根大学。德国的最高学府,学风严谨,藏书丰富,人才济济。年轻有为的高斯在那里接受了系统严格的科学教育,很快脱颖而出,为世界做出了一系列重要贡献。
把“数学王子”的桂冠戴在头上。值得一提的是,高斯进入大学后不久,1796年3月,19岁的高斯用圆规和直尺做出了一个正17多边形,解决了一个两千多年都没有解决的世界难题。为了纪念这一丰功伟绩,高斯在1855年去世后,哥廷根大学根据他的遗嘱建造了一座非常独特的纪念碑。它的底部是一个规则的17面基座,上面有一尊高斯的雕像。
高斯一生也喜欢文学和语言学,懂十几种外语。1807年,年仅30岁的高斯成为当时德国最高学府哥廷根大学的数学和天文学正教授,并兼任该大学天文台台长。他被别人称为“天才”,但高斯回答说:“如果别人像我一样深入而执着地思考数学,他们也会有同样的发现。”
1799年,高斯提出了他的博士论文,证明了代数的一个重要定理:任何多项式都有(复)根。这个结果被称为代数基本定理。事实上,很多数学家认为这个结果的证明在高斯之前就已经给出了,但没有一个是严谨的。高斯逐一指出了以往证明的不足,然后提出了自己的见解。他一生给出了四个不同的证明。
1801年,高斯二十四岁时,发表了《算术研究》,是用拉丁文写的。本来有八章,但由于缺钱,他只好印了七章。这本书除了第七章代数基本定理外都是数论,可以说是第一部系统的数论著作,高斯第一次引入了同余的概念。二次互等定理也在其中。
研究天文学
二十四岁时,高斯放弃了纯数学的研究,研究了几年天文学。
当时天文学界对火星和木星之间的巨大差距感到担忧,认为火星和木星之间应该还有行星没有被发现。1801年,意大利天文学家皮亚齐在火星和木星之间发现了一颗新星。它被命名为谷神星。现在我们知道它是火星和木星的小行星带之一,但当时天文学界争论不休。有人说是行星,有人说是彗星。我们必须继续观察才能判断,但皮亚齐只能观察到它的9度轨道,然后它就会消失在太阳后面。所以无法知道它的轨道,也无法确定它是行星还是彗星。
高斯这时对这个问题产生了兴趣,他决定解决这个难以捉摸的恒星轨迹问题。高斯自己创造了一种方法,只用三次观测来计算行星的轨道。他能非常准确地预测行星的位置。果然,谷神星就出现在高斯预测的地方。这个方法——虽然他当时没有公布——是最小二乘法。
1802年,他准确预测了小行星II帕拉斯·雅典娜的位置。此时,他的名声远播,荣誉滚滚而来。俄罗斯圣彼得堡科学院选举他为院士。发现帕拉斯的天文学家奥尔勃斯请他担任哥廷根天文台的台长,但他没有立即同意。他直到1807才去了哥廷根。
1809年,他写了两卷《天体运行论》。第一卷包含微分方程,圆形脊椎部分和椭圆形轨道。第二卷显示如何估计行星的轨道。高斯对天文学的贡献大多是在1817之前,但他直到七十岁还在坚持观测。尽管做着天文台的工作,他还是抽出时间做其他的研究。为了用积分求解天体运动的微分力路径,他考虑了无穷级数,研究了级数的收敛性。1812年,他研究超几何级数,并将研究成果写成专著,赠送给哥廷根皇家科学院。
从1820到1830,高斯为了绘制汉诺威公国(高斯居住的地方)的地图,开始做大地测量。他写了一本关于大地测量的书,因为大地测量的需要,他发明了太阳天文台。为了研究地球表面,他开始研究一些表面的几何性质。1827年出版了《曲面通论》,内容涵盖了现在大学学习的微分几何的一部分。
研究磁场
在1830到1840期间,高斯与一位比他小27岁的年轻物理学家——韦伯共事。他们的合作很理想:韦伯做实验,高斯研究理论,韦伯引起高斯对物理问题的兴趣,高斯用数学工具处理物理问题,这影响了韦伯的思维和工作方法。
1833年,高斯从他的天文台拉出一条八千英尺长的电线,穿过许多人的屋顶,到达了韦伯的实验室。用伏特电池作为电源,他建造了世界上第一部电报机。
1835年,高斯在天文台设立了磁观测站,并组织了磁学协会发表研究成果,引起了世界广大地区对地磁的研究和测量。高斯得到了精确的地磁理论。为了获得实验数据的证明,他的著作《地磁通论》直到1839才出版。
1840年,他和韦伯绘制了世界上第一张地球磁场图,确定了地球磁南极和磁北极的位置。1841年,美国科学家证实了高斯的理论,发现了磁南极和磁北极的确切位置。高斯对待工作的态度是精益求精,对自己的研究成果要求非常严格。他自己也曾说过:我宁愿少发表,但我发表的是成熟的结果。当代很多数学家要求他不要太认真,把结果写出来发表,这对数学的发展很有帮助。
美国著名数学家贝尔曾在《数学家》一书中批评高斯:高斯死后,人们才知道他预见了一些19世纪的数学,并已预料到它们会在1800之前出现。如果他能揭示他所知道的东西,很可能数学会比现在提前半个世纪甚至更早。阿贝尔和雅各比可以从高斯呆的地方开始工作,而不是花费最大的努力去发现高斯早在他们出生时就知道的东西。那些非欧几何的创造者可以将他们的天才应用到其他方面。
1855年2月23日早晨,高斯在睡梦中安详辞世。