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数学家传记

约瑟夫·布西内斯克Joseph Valentin Boussinesq

出生
1842年3月13日 法国埃罗圣安德烈德桑戈尼
逝世
1929年2月19日 法国巴黎

约瑟夫·布西内斯克是一位法国数学家和物理学家,对流体动力学、振动、光和热的理论做出了贡献。

完整传记

约瑟夫·布西内斯克出生于圣安德烈德桑戈尼斯,这是法国南部的一个小镇,位于贝济耶东北方向仅30多公里处,距蒙彼利埃以西大致相同距离。他的父亲Jacques Boussinesq是一位农民,在该地区拥有一个家庭农场,而他的母亲Anne-Marie Cavalier是一位实业家的女儿。父母都希望看到儿子接受教育,这在当时当然不是强制性的,他在当地接受了小学和中学教育。然而,他的大部分教育得益于他的一位叔叔,一位受过高等教育的牧师。从这位叔叔那里,他学会了拉丁语和希腊语,以及如何自学。完成中学教育后,布西内斯克想前往蒙彼利埃学习,这是最近的可接受高等教育的城镇,但他需要经济支持才能在那里学习。

问题在于,布西内斯克的母亲于1857年去世,他的父亲明确表示,他的职责是接管家庭农场的经营。他唯一的出路是违背父亲的意愿,在没有家庭支持的情况下学习他最喜欢的数学。他通过在蒙彼利埃中学担任无需教学职责的舍监来做到这一点,同时在蒙彼利埃理学院学习语言和数学。他于1861年获得数学学士学位。

获得中学教师资格后,布西内斯克开始了教学生涯,于1862年被任命到阿格德中学,1865年到勒维冈中学,1866年到加普中学。这些城镇都在法国南部:阿格德与布西内斯克出生的城镇一样,都在埃罗省——事实上它位于埃罗河畔,距地中海4公里;勒维冈在蒙彼利埃以北64公里;但加普要往东远得多——它是上阿尔卑斯省的首府,位于吕伊河右岸,海拔约800米。正是在阿格德的第一所学校任教期间,布西内斯克读了加布里尔·拉梅的两部著作,即Théorie mathématique de l'Elasticité(《弹性数学理论》)和Leçons sur la théorie analytique de la chaleur(《热的解析理论讲义》),从而被吸引到数学研究中。受此启发,他于1865年由加布里尔·拉梅Académie des Sciences提交了关于毛细现象的第一篇科学论文。他开始在埃米尔·韦尔代指导下攻读关于A mechanical theory of light的博士学位。然而,韦尔代于1866年去世,当时布西内斯克的学位论文尚未完成。随后他得到了另一位导师,为了适应新导师的兴趣,布西内斯克改变了论文题目,撰写了Études sur la propagation de la chaleur dans les milieux homogènes(《均匀介质中热的传播研究》)。加布里尔·拉梅在指导布西内斯克方面发挥了重要作用,这篇论文清楚地显示了布西内斯克处理其主题的方式受到他的影响。另一位影响这项工作的数学家是阿代马尔·巴雷·德·圣维南。然而,答辩委员会由约瑟夫·阿尔弗雷德·塞雷约瑟·伯特兰夏尔·布里奥组成,布西内斯克于1867年5月13日在巴黎向该委员会答辩了他的论文。

布西内斯克并没有只专注于自己的学位论文而排除其他研究,因为他同时研究了线性弹性理论。这个课题对阿代马尔·巴雷·德·圣维南特别有吸引力,他定期与布西内斯克通信,并给予他许多鼓励,使他相信自己有前途成为研究数学家,而不是数学教师[5]:-

布西内斯克不是一位清晰的作者,在给出逻辑解释时常常过于急躁,以至于有几次阿代马尔·巴雷·德·圣维南建议他在著作中给出清晰而详细的论证。

事实上从这时起,阿代马尔·巴雷·德·圣维南就是布西内斯克最坚定的支持者,并且在1868年当选接替让-维克托·彭赛列Académie des Sciences力学部门的职位后,变得更有影响力。布西内斯克于1867年与Jeanne Giscard de la Roque结婚,若不是有阿代马尔·巴雷·德·圣维南的支持和建议,他很可能就安顿下来在中学教书了。阿代马尔·巴雷·德·圣维南很了解这个体制,能够建议布西内斯克,除非他同时具备数学和物理学的资格,否则要在大学获得一个力学职位会非常困难。他听从了这一建议,并于1872年获得物理学学士学位。Académie des Sciences于1872年授予他让-维克托·彭赛列奖,他因此为获得大学教职做好了充分准备。事实上他在第二年就成功了,被任命为里尔理学院的微分与积分微积分教授。

布西内斯克到此为止的研究贡献非常可观。除了为学位论文所做的研究外,他已经发表了诸如Mémoire sur l'influence des frottements dans les mouvements réguliers des fluides(关于摩擦在流体规则运动中的影响的回忆录)(1868年);Théorie de l'intumescence liquide appelée onde solitaire ou de translation, se propageant dans un canal rectangulaire(论称为孤立波或平移波的液体扰动在矩形渠道中的传播)(1871年);Étude nouvelle sur l'équilibre et le mouvement des corps solides élastiques dont certaines dimensions sont très petites par rapport à d'autres. Premier mémoire : des tiges ; deuxième mémoire : des plaques planes(爱德华·斯图迪论弹性固体的新平衡与运动,某些尺寸远小于其他尺寸。第一回忆录:杆;第二回忆录:平板)(1871年);Théorie des ondes et des remous qui se propagent le long d'un canal rectangulaire horizontal(论沿水平矩形渠道传播的波与涡旋的理论)(1872年);Théorie des ondes liquides périodiques(周期液体波理论)(1872年);以及Sur les lois qui régissent, à une première approximation, les ondes lumineuses propagées dans un milieu homogène et transparent d'une contexture quelconque(论在一级近似下支配在任意结构的均匀透明介质中传播的光波的定律)(1872年)。事实上,布西内斯克在1871年的第一篇论文中首次对孤立波的稳定性问题作了数学处理。Darrigol写道[3]:-

……布西内斯克研究明渠理论已有一段时间。他追随其导师阿代马尔·巴雷·德·圣维南的脚步,试图将河流与运河中水运动的每一个方面都纳入数学分析。他了解约翰·史考特·罗素的观察,也了解法国水文学家Henry Bazin对孤立波所作的更精确测量。他已经写了一篇关于恒定深度水面上小高度水波的长篇回忆录。除了在乔治·格林菲利普·凯兰乔治·比德尔·艾里早期回忆录中能找到的结果(他并不知道这些)之外,他还对有限高度的波提出了一些初步考虑,这些考虑可能引导他思考约翰·史考特·罗素的波。在他于1871年发表在《Comptes rendus》上的孤立波首次推导中,布西内斯克寻求莱昂哈德·欧拉方程的一个近似解,该解在矩形渠道中以恒定速度c传播而不变形。他在这项困难任务上的成功,取决于他在估计其展开式中各项相对重要性方面的特殊才能。他的基本策略是将速度分量按距渠道底部的垂直距离的幂展开,并通过边界条件确定该展开式的系数。约瑟夫·拉格朗日已经尝试过这条路径并写出了由此得到的微分方程组,但发现除非舍弃非线性项,否则其积分超出了当时分析的可能性。一个世纪后,布西内斯克设法将这些项包括进来。

布西内斯克在里尔任教约十五年,在此期间他继续在应用数学的众多领域做出重大贡献。在[6]中,Bois将这些贡献归入以下标题:土壤静应力问题;湍流(第一阶段);表面波与布西内斯克方程;BBO方程与Basset-布西内斯克的“历史项”;以及势方法、“布西内斯克问题”与杆的振动。此外,他还开展了关于光传播和科学哲学方面的研究,这些课题贯穿了他的整个职业生涯。这些杰出贡献使他在1886年1月18日被任命为科学院Eugene Rolland讲席。这项任命的一个条件是布西内斯克必须迁往巴黎,因此他请求从里尔理学院转到巴黎理学院。这一请求获得批准,他被任命为巴黎理学院物理与实验力学教授。Pierre-路易·安托万 Bois写道[6]:-

布西内斯克在1886年初抵达巴黎时,已不再是风华正茂的年轻人。他外表朴素。他的前导师阿代马尔·巴雷·德·圣维南未能前来迎接,因为命运不济,这位从布西内斯克在阿格德开始职业生涯起,一直到科学院,都如此坚持不懈地支持他的人,已于1月6日去世,享年89岁,比他的学生当选早十二天。在加入新同事后,布西内斯克着手撰写前导师的讣告,与阿代马尔·巴雷·德·圣维南的第二得意门生Alfred Flamant合作。这些事件促使他更加内向;他唯一的消遣是研究,他开始更加不懈地工作。布西内斯克在索邦大学担任物理与实验力学教授十年,直到他继承了更有声望的数学物理与概率论讲席,这一职位他一直担任到1918年76岁退休。

在巴黎,他利用Bazin的实验结果和奥斯鲍恩·雷诺的思想,对湍流进行了另一项研究。这使他提出了“布西内斯克假设”,该假设后来被Bazin实验证实,为他赢得了相当大的声誉。他还发展了热的分析理论,并提出了所谓的“布西内斯克近似”。在Théorie analytique de la chaleur mise en harmonie avec la thermodynamique et avec la théorie mécanique de la lumière, Tome II : Refroidissement et échauffement par rayonnement. Conductibilité des tiges, lames et masses cristallines. Courants de convection. Théorie mécanique de la lumière (与热力学和光的力学理论相协调的热的分析理论,第二卷:辐射冷却与加热。电导率茎、叶片和晶体块。对流。光的力学理论)(1903年)中,他解释了他的近似成立的条件:-

人们仍需观察到,在我们重流体的大多数热诱导运动中,体积或密度大致守恒,尽管单位体积重量的相应变化实际上是我们所研究现象的成因。由此产生一种可能性:在密度变化未乘以重力g的地方忽略这些变化,而在计算中保留其与重力的乘积。

他已经在里尔时发表了其他一些重要著作,如Application des potentiels à l'étude de l'équilibre et du mouvement des solides élastiques(势在弹性固体平衡和运动研究中的应用)(1885年),搬到巴黎后:Cours d'analyse infinitésimale en vue de ses applications mécaniques et physiques(力学和物理应用的微积分课程)(2卷)(1887年和1890年);Leçons synthétiques de Mécanique générale servant d'introduction au cours de Mécanique physique(作为物理力学导论的一般力学课程)(1889年);以及Théorie analytique de la chaleur mise en harmonie avec la thermodynamique et avec la théorie mécanique de la lumière, Tome I : Problèmes généraux(热分析理论与热力学和光的力学理论相协调,第一卷:一般问题)(1901年)。

布西内斯克抵达巴黎八年后,他的妻子Jeanne去世;他们没有孩子。次年,1895年,他与Claire Onfroy de Véretz结婚。这段婚姻持续了10年,直到Claire于1905年去世。布西内斯克在妻子去世后的第二年再次结婚,这第三次是与Jeanne Le Bouteiller。这段婚姻只持续了三年;他们于1909年分居。1918年,76岁的他从大学职位退休[6]:-

他天性内向,变得越来越孤独。在1933年的讣告中,他的同事埃米尔·皮卡只谈到了布西内斯克作为学者的最后几年。然而,即使在学术上,Picard也强调了他的同事是多么内向。……然而,埃米尔·皮卡指出,布西内斯克的孤独中并无苦涩。尽管害羞和内向,他从不严厉评判他人。几乎直到最后,他每天都会来到科学院的图书馆,坐在同一张桌子旁。那是他与外界唯一的联系。

至于布西内斯克在数学之外的兴趣,这些似乎主要是对哲学和宗教问题的兴趣[1]:-

……特别是关于决定论与自由意志的调和。他谦卑地承认“我们清晰知识的集合之渺小,消逝在黑暗的海洋中。”

布西内斯克在数学物理发展中的地位,由Félix总结如下[1]:-

他的结论之一是,简单性在科学组织中不可或缺,而直觉是有价值的指南。布西内斯克厌恶引入诸如无导数的连续函数和非欧空间这样的怪物。他敌视相对主义的创新,忠于经典力学和以太的可靠实在。……凭借其研究的精神,他可被视为十九世纪古典科学的最后人物之一。

参考文献

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延伸资源

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