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数学家传记

约翰·伯努利Johann Bernoulli

出生
1667年7月27日 瑞士巴塞尔
逝世
1748年1月1日 瑞士巴塞尔

约翰·伯努利是一位瑞士数学家,他研究了光的反射和折射、曲线族的正交轨线、用级数求面积的求积以及最速降线。

完整传记

约翰·伯努利是尼古劳斯和Margaretha Bernoulli的第十个孩子。他是雅各布·伯努利的兄弟,但约翰·伯努利比他的哥哥雅各布小十二岁,这意味着当约翰·伯努利还是个孩子时,雅各布已经是个年轻人了。

你可以在THIS LINK看到约翰·伯努利的家谱。

这两兄弟对彼此的数学发展产生了重要影响,尤其真实的是,在早年,约翰·伯努利必定深受影响,因为他看到雅各布不顾父母的反对,朝着数学事业迈进。至于他童年的教育,约翰·伯努利在自传中写道,他的父母:-

在道德和宗教两方面都不遗余力、不惜花费地给我以适当的教育。

这种宗教就是加尔文宗信仰,它曾迫使他的祖父母为躲避宗教迫害而从安特卫普逃出。

尼古劳斯和Margaretha Bernoulli试图让约翰·伯努利走上经商之路,但尽管父亲大力推动,约翰·伯努利似乎完全不适合将来经商。约翰·伯努利的父亲本打算让他接管家族的香料生意,1682年,当他15岁时,约翰·伯努利在香料贸易中工作了一年,但他不喜欢这份工作,做得也不好。约翰·伯努利的父亲在1683年非常不情愿地同意约翰·伯努利进入巴塞尔大学。约翰·伯努利要在大学学习的科目是医学,尽管约翰·伯努利家族许多成员喜欢数学和数学物理,最终却都学了这门学科。

在巴塞尔大学,约翰·伯努利修读医学课程,但他跟哥哥雅各布学习数学。当约翰·伯努利进入巴塞尔大学时,雅各布正在那里讲授实验物理,很快就清楚的是,约翰·伯努利的大部分时间都用来跟哥哥雅各布学习哥特弗里德·威廉·莱布尼茨关于微积分的论文。在一起学习两年后,约翰·伯努利在数学技能上已与哥哥不相上下。

约翰·伯努利的第一篇出版物是1690年关于发酵过程的,当然不是一个数学主题,但1691年约翰·伯努利去了日内瓦,在那里讲授微分。从日内瓦,约翰·伯努利前往巴黎,在那里他遇到了尼古拉斯‧马勒伯朗士圈子里的数学家,当时法国数学的中心就在那里。在那里约翰·伯努利遇到了洛必达,他们进行了深入的数学交谈。与如今通常所说的相反,洛必达是一位优秀的数学家,也许是当时巴黎最好的数学家,尽管他还不能完全与约翰·伯努利相提并论。

洛必达 欣喜地发现 约翰·伯努利 理解了 哥特弗里德·威廉·莱布尼茨 刚刚发表的新微积分方法,便请 约翰·伯努利 教他这些方法。这位 约翰·伯努利 同意了,课程既在巴黎教授,也在 洛必达 位于乌克的乡间别墅进行。约翰·伯努利 因这些课程从 洛必达 那里获得了丰厚的报酬,这些课程确实价值不菲,因为几乎没有其他人能够讲授它们。约翰·伯努利 回到巴塞尔后,仍通过通信继续他的微积分课程,这对 洛必达 来说并不便宜,他为这些指导付给 约翰·伯努利 半个教授的薪水。然而,这确实保证了 洛必达 在数学史上的地位,因为他出版了第一本微积分著作 Analyse des infiniment petits pour l'intelligence des lignes courbes (《用于理解曲线的无穷小分析》)(1696),该书基于 约翰·伯努利 寄给他的课程内容。

正如人们所料,这部著作没有承认它是以他的讲义为基础,这使约翰·伯努利大为不快。该书的序言只包含这样的说明:——

然后我要感谢约翰·伯努利先生们的许多高明想法;尤其是小约翰·伯努利先生,他现在是格罗宁根的教授。

著名的洛必达法则载于这部微积分书中,因此它是约翰·伯努利的一项成果。事实上,直到1922年,当约翰·伯努利的侄子尼古拉·伯努利一世所抄录的约翰·伯努利课程的一份抄本在巴塞尔被发现时,才获得这部著作出自约翰·伯努利的证据。约翰·伯努利的课程与洛必达的书几乎完全相同,但值得指出的是,洛必达改正了许多错误,例如约翰·伯努利误以为1x\Large\frac{1}{x}\normalsize的积分是有限的。1704年洛必达去世后,约翰·伯努利强烈抗议说,他才是洛必达的微积分书的作者。看来洛必达付给约翰·伯努利的丰厚报酬附有条件,使他不能早些说出真相。然而,在1922年发现的证据出现之前,很少有人相信约翰·伯努利。

让我们回到对约翰·伯努利在巴黎时期的叙述。1692年,在巴黎期间,他遇到了皮埃尔·伐里农,这促成了深厚的友谊,并且皮埃尔·伐里农在他们多年通信中从约翰·伯努利那里学到了许多关于微积分应用的知识。约翰·伯努利还开始与哥特弗里德·威廉·莱布尼茨通信,这被证明非常富有成果。事实上,这成为哥特弗里德·威廉·莱布尼茨所进行的最重要的通信。对约翰·伯努利来说,这是一个数学成就相当丰硕的时期。尽管他正在撰写医学博士学位论文,但他正在产出大量数学主题的论文并发表,还有包含在他通信中的重要成果。

约翰·伯努利 已经解决了他兄弟在 1691 年提出的 悬链线 问题。他在其兄弟提出该问题的同一年就解决了它,这是他不依赖兄弟独立产生的第一个重要数学成果,尽管它使用了雅各布在提出问题时给出的想法。在这个阶段,约翰·伯努利 和雅各布在一种相当友好的竞争中相互学习了很多,几年后这种竞争会演变成公开的敌意。例如,他们在 1692-93 年间合作研究焦散曲线,尽管他们没有联合发表这项工作。即使在这个阶段,竞争也过于激烈,不允许联合发表,而且尽管他们在相似的主题上工作,他们在任何时候都不会联合发表作品。

我们在上面提到,约翰·伯努利 的学位论文是关于医学主题的,但实际上它是关于数学在医学中的应用,具体是关于肌肉运动,并于 1694 年提交。然而,约翰·伯努利 并不希望从事医学职业,但由于雅各布占据了这一职位,他在巴塞尔获得数学讲席的前景渺茫。

一连串的数学思想继续从 约翰·伯努利 那里流出。1694 年,他考虑了函数 y=xxy = x^{x},还利用分部积分法研究了级数。对 约翰·伯努利 来说,积分仅仅被视为微分的逆运算,通过这种方法,他在积分 微分方程 方面取得了巨大成功。他求和级数,并利用三角函数和双曲函数所满足的微分方程发现了它们的加法定理。这一对数学的杰出贡献在 1695 年得到了回报,当时他收到了两个讲席邀请。他被邀请担任哈勒的讲席和格罗宁根的数学讲席。后一个讲席是在 克里斯蒂安·惠更斯 的建议下提供给 约翰·伯努利 的,约翰·伯努利 非常高兴地接受了这个职位,尤其是因为他现在与他的兄弟雅各布地位平等,而雅各布正迅速变得极其嫉妒 约翰·伯努利 的进步。然而,过错并不全在雅各布一方,约翰·伯努利 对关系的恶化同样负有责任。有趣的是,约翰·伯努利 被任命为数学讲席,但他的任命信提到了他的医学技能,并为他提供了在格罗宁根期间行医的机会。

约翰·伯努利 娶了德罗西娅·法尔克纳,当全家于 1695 年 9 月 1 日启程前往荷兰时,他们的第一个孩子已经七个月大了。这第一个孩子是 尼古拉·伯努利二世,他也成为了一名数学家。也许这是一个好时机来指出,约翰·伯努利 的另外两个孩子后来也成为了数学家,丹尼尔·伯努利,他在全家在格罗宁根期间出生,以及 约翰·伯努利二世

约翰·伯努利 的妻子和岳父都对搬到格罗宁根感到不满,尤其是因为带着年幼的婴儿,旅途如此艰难。9 月 1 日出发后,他们不得不穿过军队交战的地区,然后乘船沿莱茵河而下,最后乘马车和另一艘船到达目的地。他们于 10 月 22 日抵达,开始了在格罗宁根的十年,这十年充满了困难。约翰·伯努利 卷入了一些宗教争端,他的第二个孩子是一个女儿,生于 1697 年,只活了六周,而他病得非常严重,以至于有报道说他死了。

在一次争论中,他被指控否认肉身的复活,这一指控基于他所持的医学观点。在1702年的第二次争论中,约翰·伯努利被格罗宁根大学的一名学生Petrus Venhuysen指控,此人出版了一本小册子,基本上是指控约翰·伯努利追随勒内·笛卡儿的哲学。这本小册子还指控他反对加尔文宗信仰,剥夺信徒在基督受难中的安慰。约翰·伯努利给大学校监们写了一封长达十二页的答复,此信至今尚存[16]:——

……如果⟦N1⟧不是最差的学生之一,一个十足的无知者,不被任何有学问的人所知、所敬、所信,我本不会如此介意,而他当然没有资格去玷污一个诚实人的名声,更不用说一位闻名于整个学术界的教授了……

……我一生都公开信奉我改革宗基督教的信仰,我现在仍然如此……他却想让我被当作一个非正统的信徒,一个十足的异端;的确,他极其邪恶地试图使我成为世人所憎恶的对象,并使我遭受当权者和普通民众的报复……

这并不是约翰·伯努利在格罗宁根期间唯一的争论。他在教学中引入了物理实验,但⟦N2⟧在16中写道,这些实验:-

……对笛卡尔派科学家和加尔文主义者来说都令人反感。笛卡尔派自然强调“理性”,并认为……感官知觉的世界次要;加尔文主义者则试图通过一丝不苟地分析自然现象来揣摩上帝的根本计划。仅对这些自然现象的解释就会与两者都不相容。

在格罗宁根担任讲席期间,约翰·伯努利与他的兄弟展开竞争,这场竞争逐渐变成一场有趣的数学较量,但不幸也是一场苦涩的个人争斗。约翰·伯努利于1696年6月提出了最速降线问题,并挑战他人来解答。哥特弗里德·威廉·莱布尼茨说服他给出更长的期限,以便外国数学家也有机会解答该问题。共获得了五个解答,除约翰·伯努利外,雅各布·伯努利哥特弗里德·威廉·莱布尼茨也都解答了该问题。摆线的解答并未被伽利略找到,他此前给出了一个错误的解答。雅各布不甘被兄弟胜过,于是提出了isoperimetric problem,即最小化曲线所围面积的问题。

约翰·伯努利对这个问题的解答不如雅各布的令人满意,但当约翰·伯努利在1718年读了布鲁克·泰勒的一部著作后重新回到这个问题时,他给出了一个优雅的解答,这将成为变分法的基础。

1705年,格罗宁根的约翰·伯努利一家收到一封信,说约翰·伯努利的岳父正思念他的女儿和外孙们,且已时日无多。他们决定返回巴塞尔,同行的还有尼古拉·伯努利一世,即他的侄子,他一直在格罗宁根随叔父学习数学。他们在雅各布去世两天后离开格罗宁根,但当然,他们当时并不知道他已死于肺结核,他们是在旅途中才得知他的死讯。因此,约翰·伯努利返回巴塞尔时并非期望获得数学讲席,而是回来填补希腊语讲席。当然,他兄弟的去世将导致计划的改变。

然而,在到达巴塞尔之前,约翰·伯努利受到乌得勒支大学一个讲席邀请的诱惑。乌得勒支大学的负责人如此渴望约翰·伯努利来那里,以至于在约翰·伯努利一家于法兰克福赶上他们后,他便出发追赶。他试图说服约翰·伯努利去乌得勒支,但约翰·伯努利决心返回巴塞尔。

回到巴塞尔后,约翰·伯努利努力确保自己继承他兄弟的讲席,很快他就被任命到雅各布的数学讲席。值得一提的是,约翰·伯努利的岳父又活了三年,在此期间他非常高兴女儿和外孙们回到巴塞尔。约翰·伯努利还拒绝了其他邀请,如莱顿、乌得勒支的第二次邀请,以及1717年邀请他返回格罗宁根的优厚条件。

1713年,约翰·伯努利卷入了艾萨克·牛顿-哥特弗里德·威廉·莱布尼茨之争。他强烈支持哥特弗里德·威廉·莱布尼茨,并通过展示他的微积分在解决某些艾萨克·牛顿未能用其方法解决的问题上的威力,为论战增添了分量。尽管约翰·伯努利在支持哥特弗里德·威廉·莱布尼茨更优越的微积分方法方面基本上是正确的,但他也支持勒内·笛卡儿的涡旋理论而非艾萨克·牛顿的引力理论,而在这里他肯定是不正确的。他的支持实际上推迟了艾萨克·牛顿的物理学在欧洲大陆被接受。

约翰·伯努利 在力学方面也做出了重要贡献,他在动能方面的工作,毫不奇怪,是数学家们争论多年的另一个话题。他的著作 Hydraulica (水力学)是他嫉妒本性的另一个标志。这部著作标注的日期是1732年,但这是不正确的,是 约翰·伯努利 试图获得优先于他自己儿子丹尼尔的优先权。丹尼尔·伯努利 于1734年完成了他最重要的著作 Hydrodynamica (流体动力学),并于1738年出版,大约与 约翰·伯努利 出版 Hydraulica 同时。这不是一个孤立的事件,正如他曾与自己的兄弟竞争一样,他现在又与自己的儿子竞争。正如对历史记录的研究证明了 约翰·伯努利 声称是 洛必达 的微积分教科书的作者是合理的,它也表明他声称在儿子写出 Hydrodynamica 之前已经出版了 Hydraulica 是虚假的。

约翰·伯努利生前就享有盛名。他当选为巴黎、柏林、伦敦、圣彼得堡和博洛尼亚科学院的会士。他被称为“他那个时代的阿基米德”,这确实铭刻在他的墓碑上。
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参考文献

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