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数学家传记

斯特凡·巴拿赫Stefan Banach

出生
1892年3月30日 奥地利帝国克拉科夫(今波兰)
逝世
1945年8月31日 波兰利沃夫(今乌克兰利沃夫)

斯特凡·巴拿赫创立了现代泛函分析,并对拓扑向量空间理论做出了重大贡献。此外,他还对测度论、积分和正交级数有所贡献。

完整传记

斯特凡·巴拿赫的父亲是约瑟夫·斯特凡 Greczek。首先要注意的是,巴拿赫不是他父亲的姓,但巴拿赫被赋予了他父亲的名字。斯特凡 Greczek是一名税务官员,他没有与巴拿赫的母亲结婚,后者在斯特凡受洗后便从场景中消失了,当时他只有四天大,关于她再无更多所知。在斯特凡的出生证明上,母亲一栏所写的名字是Katarzyna 巴拿赫。一些人认为她曾是斯特凡母亲的仆人,而另一些人则声称她是一名洗衣妇,在斯特凡很小的时候照顾过他。在晚年,巴拿赫试图查明他的母亲是谁,但他的父亲拒绝说任何话,只说他曾发誓对她的身份保密。

斯特凡 Greczek出生在一个叫Ostrowsko的小村庄,位于克拉科夫以南约50公里处。巴拿赫受洗后,正是被带到Ostrowsko,带到他祖母的家。然而,当巴拿赫的祖母生病时,斯特凡 Greczek安排他的儿子由住在克拉科夫的Franciszka Plowa和她的女儿Maria抚养。尽管巴拿赫从未回到祖母身边生活,但他在成长过程中确实经常去看望她。Maria的监护人是法国知识分子Juliusz Mien,他很快认出了巴拿赫所具有的才能。Mien教这个小男孩说法语,并且总体上让他懂得了教育的价值。

巴拿赫在克拉科夫上小学,1902年离开该校,开始在克拉科夫的Henryk Sienkiewicz文理中学(Gymnasium)第四中学接受中等教育。一个幸运的巧合是,巴拿赫班上的一个学生是Witold Wilkosz,他本人后来成为数学教授。这所学校似乎并不是特别好,1906年Wilkosz离开,转到一所更好的文理中学。然而,巴拿赫仍留在Henryk Sienkiewicz第四文理中学,尽管他与Wilkosz保持着联系。

在文理中学的最初几年,巴拿赫取得了头等成绩,数学和自然科学是他最好的科目。一位同学回忆巴拿赫人生中的这一时期(见[3]):-

[巴拿赫]与同事相处愉快,但在数学之外对任何事物都不感兴趣。如果他开口说话,他会说得非常快,快得就像他进行数学思考一样。……Wilkosz也是类似的现象。他们两人之间,没有哪个数学问题不能迅速解决。此外,虽然巴拿赫在数学问题上更快,Wilkosz在解决物理问题方面快得惊人,而巴拿赫对此毫无兴趣。

他早年的优异成绩随着临近学校毕业考试而让位于较差的成绩。他在1910年通过了这次考试,但未能以优异成绩通过,这一荣誉大约授予四分之一的学生。离开学校后,巴拿赫和Wilkosz都想学习数学,但两人都觉得数学中不可能发现新东西,因此各自选择从事数学以外的学科。巴拿赫选择学习工程,Wilkosz选择学习东方语言。两位如此杰出的未来数学家竟会因为这个原因做出这样的决定,必定意味着没有人能适当地指导他们。

巴拿赫的父亲从未给过儿子多少支持,但如今他一离开学校,父亲就相当公开地告诉巴拿赫,他现在得靠自己了。巴拿赫离开克拉科夫前往伦贝格(今乌克兰利沃夫),在那里进入伦贝格技术大学工程学院就读。几乎可以肯定,巴拿赫没有任何经济支持,不得不靠做家教来养活自己。这必定占去了他相当多的时间,因此当他1914年毕业时,完成学业所用的时间比正常情况更长。1910年至1914年在伦贝格学习期间,他经常回到克拉科夫。巴拿赫在1914年的计划究竟是什么并不完全清楚,但在他毕业不久后的8月,第一次世界大战爆发,巴拿赫离开了伦贝格。

巴拿赫在那里学习时,伦贝格处于奥地利控制之下,自1772年瓜分波兰以来一直如此。在巴拿赫的青年时代,波兰在某种意义上并不存在,俄罗斯控制着该国大部分地区。华沙只有一所俄语大学,位于当时被称为“维斯瓦河地区”的地方。第一次世界大战爆发后,俄军占领了伦贝格城。巴拿赫因左眼视力不佳,身体条件不适合服兵役。战争期间,他从事筑路工作,但也在克拉科夫度过了一段时间,在当地学校教书挣钱。他还在克拉科夫雅盖隆大学听数学讲座,尽管这一点并不完全确定,但据信他听过斯塔尼斯瓦夫·萨伦巴的讲座。

1916年春天发生了一件偶然事件,对巴拿赫的生活产生了重大影响。一直在服兵役的胡戈·施泰因豪斯即将赴伦贝格的扬·卡齐米日大学任职。然而1916年春天他住在克拉科夫,等待就任。他傍晚会在克拉科夫的街道上散步,正如他在回忆录中所述:-

在一次这样的散步中,我无意中听到“昂利·勒贝格测度”这几个字。我走近公园长椅,向两位年轻的数学学徒做了自我介绍。他们告诉我,他们还有一位同伴,名叫Witold Wilkosz,他们对他赞不绝口。这两个年轻人是巴拿赫和欧顿·尼科迪姆。从那时起,我们定期见面,并且……我们决定建立一个数学学会。

这张长椅上巴拿赫和欧顿·尼科迪姆雕像的照片见THIS LINK

胡戈·施泰因豪斯告诉巴拿赫一个他一直在研究却未能成功的问题。几天后,巴拿赫有了所需反例的主要想法,胡戈·施泰因豪斯和巴拿赫写了一篇联合论文,交给斯塔尼斯瓦夫·萨伦巴发表。战争延误了发表,但这篇论文——巴拿赫的第一篇论文——于1918年发表在Bulletin of the Kraków Academy上。从他与胡戈·施泰因豪斯做出这些最初成果之时起,巴拿赫开始以极快的速度产出重要的数学论文。当然,无法断言如果没有与胡戈·施泰因豪斯的偶然相遇,巴拿赫是否会走上数学研究的道路。也正是通过胡戈·施泰因豪斯,巴拿赫结识了他未来的妻子Lucja Braus。他们于1920年在山地度假胜地扎科帕内结婚。

胡戈·施泰因豪斯的倡议下,Mathematical Society of Kraków于1919年成立。斯塔尼斯瓦夫·萨伦巴主持了成立大会,并当选为该学会首任主席。巴拿赫在1919年向该学会作了两次演讲,并继续产出高质量的研究论文。Mathematical Society of Kraków于1920年成为波兰数学会

巴拿赫于1920年获得了在利沃夫技术大学(位于今乌克兰利沃夫)担任巴拿赫的助手职位。他在那里讲授数学,并在巴拿赫的指导下提交了博士学位论文。当然,这不是获得博士学位的标准途径,因为巴拿赫没有大学数学学历。然而,破例允许他提交On Operations on Abstract Sets and their Application to 积分方程。这篇学位论文[1]:

……有时被认为标志着泛函分析的诞生。

1922年,利沃夫的扬·卡齐米日大学授予巴拿赫教授资格论文(Habilitation)学位,其学位论文是关于测度论的。1921-22学年的大学日历报告[3]:

1922年4月7日,根据院务委员会决议,巴拿赫博士获得了数学讲师(Docent)的任教资格。根据1922年7月22日国家元首颁布的法令,他被任命为该学科的特别教授。

1924年,巴拿赫晋升为正教授,并在1924-25学年在巴黎度过。两次世界大战之间的岁月对巴拿赫来说极其忙碌。除了继续发表一系列重要论文外,他还为高中编写了算术、几何和代数教材。他还非常参与数学出版工作。1929年,他与胡戈·施泰因豪斯一起创办了一份新期刊Studia Mathematica,巴拿赫和胡戈·施泰因豪斯成为首批编辑。编辑方针是:

……专注于泛函分析及相关主题的研究。

另一项重要的出版事业始于1931年,是一套新的Mathematical Monographs丛书。这套丛书由来自Lwów的巴拿赫和胡戈·施泰因豪斯,以及来自华沙的Knaster卡齐米日·库拉托夫斯基斯特凡·马祖尔凯维奇瓦茨瓦夫·谢尔宾斯基担任编辑。该丛书的第一卷Théorie des Opérations linéaires(线性运算理论)由巴拿赫撰写,于1932年出版。这是他1931年最初以波兰语出版的著作的法语版本,并迅速成为经典。1936年,巴拿赫在奥斯陆举行的国际数学家大会上作了全会报告。在这次报告中,他描述了整个Lwów学派的工作,并且还谈到了他们进一步发展其思想的计划。

对巴拿赫的另一重要影响是卡齐米日·库拉托夫斯基于1927年被任命到利沃夫技术大学,并在那里工作到1934年。巴拿赫与卡齐米日·库拉托夫斯基合作,在此期间他们合写了一些论文。

巴拿赫的工作方式是非传统的。他喜欢在Lwów的咖啡馆里与同事们一起做数学。斯坦尼斯瓦夫·乌拉姆在[4]中回忆了在苏格兰咖啡馆的频繁聚会:-

在这些聚会中,要在耐力或酒量上胜过巴拿赫是很困难的。我们讨论当场提出的问题,往往经过数小时的思考后仍无明显解答。第二天,巴拿赫很可能带着几张小纸片出现,上面写着他已完成的证明概要。

你可以在THIS LINK看到苏格兰咖啡馆的照片。

Andrzej Turowicz也是Lwów的Kazimierz大学的数学教授,他也描述了巴拿赫的工作风格(见[3]):-

[巴拿赫]大部分时间都在咖啡馆度过,不仅是与他人为伴,也独自一人。他喜欢那里的噪音和音乐。这些并不妨碍他集中精力和思考。有时,咖啡馆夜间关门后,他会走到火车站,那里的自助餐厅通宵营业。在那里,他一边喝着一杯啤酒,一边思考他的问题。

1939年,就在第二次世界大战开始前,巴拿赫当选为波兰数学会的主席。战争初期,苏联军队占领了Lwów。巴拿赫在战争开始前就与苏联数学家关系良好,曾多次访问莫斯科,因此受到新苏联政府的优待。他获准继续担任大学的讲席,并成为该大学理学院的院长,该大学此时已更名为伊万·弗兰科大学。巴拿赫的父亲为躲避向克拉科夫推进的德军而来到Lwów。在这个阶段,巴拿赫的生活几乎没有变化,他继续进行研究、撰写教科书、讲课以及在咖啡馆聚会。舍盖·索伯列夫帕维尔·亚历山德罗夫于1940年在Lwów拜访了巴拿赫,而巴拿赫则在苏联参加了一些会议。德国入侵苏联时,他正在基辅,随即返回Lwów的家中。

1941年6月纳粹占领利沃夫意味着巴拿赫生活在极其困难的条件下。他因涉嫌买卖德国货币而被捕,但几周后获释。他经历了一段波兰学者被杀害的时期,他的博士导师Lomnicki在1941年7月3日那个发生许多屠杀的悲惨夜晚死去。1941年底,巴拿赫在德国传染病研究所喂虱子。喂虱子成了他在纳粹占领利沃夫剩余时间直至1944年7月的生活。苏联军队一收复利沃夫,巴拿赫就重新建立了联系。他在莫斯科郊外会见了舍盖·索伯列夫,但显然此时他已病重。舍盖·索伯列夫在巴拿赫纪念会议上致辞时谈到这次会面(例如见[3]):-

尽管德国占领下的战争岁月留下了沉重痕迹,尽管严重的疾病正在削弱他的体力,巴拿赫的眼睛仍然充满生气。他仍然是战前我在利沃夫见到的那个善于交际、愉快、极其善良而迷人的巴拿赫。他在我记忆中就是这样:极富幽默感,精力充沛,心灵美好,才华出众。

巴拿赫计划战后去克拉科夫担任雅盖隆大学数学讲席,但他于1945年在利沃夫死于肺癌。

巴拿赫创立了现代分析,并对topological向量空间理论作出了重大贡献。此外,他还对测度论、积分、集合论和正交级数作出了贡献。

在他1920年撰写的学位论文中,他公理化地定义了今天所谓的巴拿赫空间。大约同一时期,其他人也提出了这一思想,例如诺伯特·维纳引入了这个概念,但没有发展出理论。“巴拿赫空间”这个名称是莫里斯·弗雷歇创造的。巴拿赫代数也以他的名字命名。

巴拿赫空间是一个实或复赋范向量空间,它在由范数诱导的度量下作为度量空间是完备的

d(x,y)=xyd(x, y) = ||x-y||

。完备性很重要,因为这意味着巴拿赫空间中的奥古斯丁·路易·柯西序列收敛。

巴拿赫代数是一个巴拿赫空间,其中范数满足

xyx.y||xy|| ≤ ||x||.||y||

巴拿赫贡献的重要性在于他发展了系统的泛函分析理论,而在此之前只有一些孤立的结果,后来人们才发现这些结果可以纳入这一新理论。该理论推广了维多·沃尔泰拉埃里克·伊瓦尔·弗雷德霍姆大卫·希尔伯特在积分方程方面的贡献。

巴拿赫证明了若干关于赋范线性空间的基本结果,今天许多重要定理都以他的名字命名。有关于连续线性泛函延拓的汉斯·哈恩-巴拿赫定理,关于有界映射族的巴拿赫-胡戈·施泰因豪斯定理,巴拿赫-Alaoglu定理,巴拿赫不动点定理,以及球的巴拿赫-阿尔弗雷德·塔斯基悖论分解。

巴拿赫-阿尔弗雷德·塔斯基悖论出现在1926年两位数学家在Fundamenta Mathematicae上发表的联合论文中,题为Sur la décomposition des ensembles de points en parties respectivement congruent (论点集分解为分别全等的部分)。这个令人困惑的悖论表明,一个球可以分成若干子集,这些子集可以拼合起来构成两个球,每个都与第一个球完全相同。需要选择公理来定义这种分解,而它能够给出如此非直观的结果,这一事实使一些数学家质疑该公理的使用。巴拿赫-阿尔弗雷德·塔斯基悖论是对这一时期公理集合论研究工作的重大贡献。

巴拿赫1929年的开映射也使用了集合论概念,这次是勒内-路易·贝尔在其1899年学位论文中引入的概念。

参考文献

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