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数学家传记

埃利·嘉当Élie Cartan

出生
1869年4月9日 法国罗讷-阿尔卑斯萨瓦省多洛米厄(尚贝里附近)
逝世
1951年5月6日 法国巴黎

埃利·嘉当研究连续群、李代数、微分方程和几何学。他的工作实现了这些领域之间的综合。他是20世纪上半叶最重要的数学家之一。

完整传记

埃利·嘉当的母亲是Anne Florentine Cottaz(1841-1927),父亲是Joseph Antoine 埃利·嘉当(1837-1917),是一名铁匠。让我们再追溯这些家族一代。Anne Cottaz是François Cottaz和Françoise Mallen的女儿,而Joseph Cartan是Benoît Bordel 埃利·嘉当(一名磨坊主)和Jeanne Denard的儿子。Joseph和Anne Cartan有四个孩子:Jeanne Marie Cartan(1867-1931);本传记的主人公埃利·嘉当 Joseph Cartan;Léon 埃利·嘉当(1872-1956),他追随父亲加入了家族铁匠生意;以及Anna Cartan(1878-1923),他成为了一名数学教师。埃利·嘉当与家人住在Dolomieu的Square Champ-de-Mars的一所房子里。他回忆起自己的童年时光(引自[3]):-

……铁砧的敲击声,每天清晨从黎明开始。……他的母亲,在那些难得的不用照顾孩子和料理家务的几分钟里,正操作着纺车。

这个家庭非常贫穷,正如埃利·嘉当后来所说,他的父母是(引自[3]):-

……朴实无华的农民,在他们漫长的一生中,向孩子们展示了快乐完成工作和勇敢承担重负的榜样。

在19世纪末的法国,来自贫困家庭的孩子不可能获得大学教育。正是埃利·嘉当的非凡才能,加上许多运气,才使他有可能接受高质量的教育。当他在小学时,他就展现出了非凡的才华,给他的老师M Collomb和M Dupuis留下了深刻印象。后者说:-

埃利·嘉当是个害羞的男孩,但他的眼睛闪耀着非凡的智慧之光,并且记忆力极佳。

如果不是年轻的学校督学、后来的重要政治家Antonin Dubost(1844-1921),埃利·嘉当可能永远不会成为一位杰出的数学家。Dubost当时受雇为小学督学,正是在访问法国阿尔卑斯山区多洛米厄的一所小学时,他发现了这位非凡的少年埃利·嘉当。Dubost鼓励埃利·嘉当参加国家助学金的竞争,以便让埃利·嘉当进入一所公立中学。他的老师M Dupuis为他准备在格勒诺布尔举行的竞争性考试。出色的表现使他得以进入维埃纳学院,他在那里度过了1880至1885这五年。在整个求学过程中,Dubost一直支持这个男孩,并为他争取更多的资助。从维埃纳学院毕业后,他又在格勒诺布尔的公立中学学习了1885至1887这两年,然后在巴黎的让松-德-萨伊公立中学度过一年,专攻数学,完成了中学教育。国家助学金得以延续,使他能够在巴黎高等师范学校学习。

埃利·嘉当于1888年成为巴黎高等师范学校的学生,在那里他聆听了当时顶尖数学家的课程,包括儒勒·昂利·庞加莱夏尔·埃尔米特于乐·达奈希让·加斯东·达布保尔·阿佩尔埃米尔·皮卡爱徳华·古尔萨。埃利·嘉当于1891年毕业,随后在军队服役一年,然后继续在巴黎高等师范学校攻读博士学位。当埃利·嘉当在军队中(他在那里晋升为中士)时,他的朋友Arthur Tresse(1868-1958)正在莱比锡跟随索菲斯·李学习。回来后,Tresse告诉埃利·嘉当关于威廉·基灵在有限连续变换群结构方面的杰出工作。埃利·嘉当着手完成威廉·基灵的分类,并且从索菲斯·李于1892年对巴黎的六个月访问中受益匪浅。在1892至1894这两年埃利·嘉当撰写博士论文期间,他获得了Peccot基金会提供的著名奖学金资助。埃利·嘉当1894年的博士论文对李代数做出了重大贡献,他完成了复域上半单代数的分类,这基本上是威廉·基灵发现的。然而,尽管威廉·基灵已经表明只有某些例外单代数可能存在,但他并未证明这些代数确实存在。埃利·嘉当在他的论文中证明了这一点,他在复域上构造了每一个例外单李代数。他于1893年发表的第一批论文是两篇短文,陈述了他关于单索菲斯·李群的结果。Robert Bryant在[12]中写道,在1893年的短文中:-

……《论单变换群》……他特别宣布,他已经找到了对应于威廉·基灵发现的每一个“例外”根系索菲斯·李群的例子。我觉得这项工作令人瞩目的一点是埃利·嘉当将例外群解释为变换群的方式。

埃利·嘉当在第三篇论文中发表了分类的完整细节,这篇论文基本上就是他的博士论文。他于1894年从索邦大学理学院获得博士学位。随后他被任命到蒙彼利埃大学,从1894年到1896年在那里授课。此后,他被任命为里昂大学的讲师,从1896年到1903年在那里任教。1903年在里昂,他与Marie-Louise Bianconi(1880-1950)结婚,她是Pierre-Louis Bianconi的女儿,后者曾是化学教授,后来成为里昂的督学。埃利·嘉当和Marie-Louise Cartan有四个孩子:亨利·嘉当;Jean Cartan;Louis Cartan;和Hélène 埃利·嘉当。长子亨利·嘉当在数学上做出了杰出的工作,本档案中有他的传记。另外两个儿子不幸去世。Jean是一位优秀的音乐作曲家,1932年因肺结核去世,年仅25岁;而他们的儿子Louis成为普瓦捷大学的物理学家。他是抵抗运动的成员,在法国与占领的德国军队作战。1943年2月他被捕后,家人再未收到任何消息,但他们担心最坏的情况。直到1945年5月,他们才得知他已于1943年12月被纳粹斩首。当他们收到Louis被德国人杀害的消息时,埃利·嘉当已经75岁,这对他是一个毁灭性的打击。他们的第四个孩子是女儿Hélène,她成为费奈隆公立中学的数学教师。

1903年,埃利·嘉当被任命为南锡大学的教授,但他也在电气工程与应用力学研究所授课。他一直留在那里,直到1909年搬到巴黎[3]:-

1909年,埃利·嘉当在家乡村庄多洛米厄建了一座房子,他经常在那里度假。在多洛米厄,埃利·嘉当继续进行科学研究,但有时会去家里的铁匠铺,帮助父亲和兄弟拉风箱。

1909年,他在巴黎被任命为索邦大学的助理讲师,但三年后,他被任命为巴黎的微分与积分学讲席。1915年至1918年第一次世界大战期间,他被征召入伍,继续保留他之前的军士军衔。他得以继续他的数学事业,同时在隶属于巴黎高等师范学校的军事医院工作。1920年,他被任命为理性力学教授,随后从1924年到1940年担任高等几何学教授。他于1940年退休,但并未停止教学,因为他继续在女子巴黎高等师范学校任教。

埃利·嘉当研究连续群、索菲斯·李代数、微分方程和几何。他的工作实现了这些领域之间的综合。他极大地扩展了由索菲斯·李开创的连续群理论。在他的关于有限连续李群的论文工作之后,他后来分类了实域上的半单索菲斯·李代数,并找到了单索菲斯·李代数的所有不可约线性表示。他转向结合代数理论,并研究了这些代数在实域和复域上的结构。约瑟夫·韦德伯恩将完成埃利·嘉当在这一领域的工作。

随后,他将注意力转向半单索菲斯·李群的表示。他的工作是索菲斯·李理论、经典几何、微分几何和拓扑学的惊人综合,这在埃利·嘉当的所有工作中都能找到。他将赫尔曼·格拉斯曼代数应用于外微分形式理论。他在1894年至1904年间发展了这一理论,并将他的外微分形式理论应用于微分几何、动力学和相对论中的各种问题。让·迪厄多内在[1]中写道:-

他讨论了大量的例子,以极其简洁的风格处理它们,这只有凭借他不可思议的代数和几何洞察力才可能实现,并且让两代数学家感到困惑。

1899年,埃利·嘉当发表了他的第一篇关于约翰·弗里德里希·普法夫问题Sur certaines expressions différentielles et le probleme de Pfaff(关于某些微分表达式和约翰·弗里德里希·普法夫的一个问题)的论文。在这篇论文中,埃利·嘉当给出了微分形式的第一个正式定义。Victor Katz写道[26]:-

他的定义是“纯符号”的;即,他将“微分表达式”定义为由微分dx、dy、dz、...的有限次加法和乘法以及某些可微系数函数形成的齐次表达式。

在随后的几年里,他围绕这一主题又写了几篇重要论文,其中包括Sur l'intégration de certaines systèmes de Pfaff de caractère deux (《论某些特征为二的普法夫系统的积分》)(1901年)。1936—37年,他在索邦大学开设了一系列讲座,内容涵盖了他对这一主题的贡献。这些讲座于1945年出版成书Les systèmes différentiels extérieurs et leurs applications géométriques (《外微分系统及其几何应用》)。

埃利·嘉当关于微分方程的论文在许多方面是他最令人印象深刻的工作。他的方法再次完全创新,他表述问题的方式使其具有不变性,不依赖于特定的变量或未知函数。这使埃利·嘉当能够定义任意微分系统的一般解究竟是什么,但他不仅对一般解感兴趣,还研究了奇解。他通过从一个给定系统转向一个新的关联系统来做到这一点,新系统的一般解给出了原系统的奇解。然而,他未能证明所有奇解都由他的技术给出,直到他去世四年后才实现了这一点。

从1916年起,他主要发表微分几何方面的著作。菲利克斯·克莱因的“埃尔朗根纲领”被赫尔曼·外尔奥斯瓦尔德·维布伦视为不足以作为几何学的一般描述,而埃利·嘉当将发挥重要作用。他研究了一个由任意索菲斯·李变换群作用的空问,发展了活动标架理论,推广了让·加斯东·达布的运动学理论。事实上,这项工作引导埃利·嘉当走向了纤维丛的概念,尽管他在工作中没有给出这一概念的明确定义。

埃利·嘉当还以其对称空间理论对几何学作出了进一步贡献,这一理论源于他1926年所写的论文。在这些论文中,他发展了最初由威廉·金顿·克利福德阿瑟·凯莱研究的思想,并使用了赫尔曼·外尔在1925年发展的拓扑方法。这项工作于1932年完成,因此提供了[1]:

……这是少数几个例子之一:一个数学理论的创始者同时也是将其带到完成的人。

埃利·嘉当随后继续研究一个最初由儒勒·昂利·庞加莱研究的主题上的问题。到这一阶段,他的儿子亨利·嘉当正在对数学作出重大贡献,而埃利·嘉当能够在他儿子证明的定理基础上继续推进。亨利·嘉当说[24]:

[我父亲]对索菲斯·李群的了解比我多,而为了确定所有允许传递群的有界圆形域,必须使用这些知识。因此我们共同写了一篇关于这个主题的文章[《有界圆形域的变换》(Transformations of areas bounded by circles),C. R. Acad. Sci. Paris 192 (1931), 709-712]。但总的来说,我父亲在他的角落里工作,我在我的角落里工作。

埃利·嘉当于1913年发现了旋量理论。旋量是用于将三维旋转转换为二维表示的复向量,它们后来在量子力学中发挥了基础性作用。埃利·嘉当于1938年出版了两卷本著作Leçons sur la théorie des spineurs (《旋量理论讲义》)[37]:

在两卷本的序言中……M 埃利·嘉当 指出,在最一般的数学形式下,旋量是他在1913年关于单群线性表示的工作中发现的,并且他强调旋量与威廉·金顿·克利福德-鲁道夫·利普希茨超复数之间的联系。……M 埃利·嘉当的书对群论的几何与物理方面感兴趣的数学家来说将不可或缺,因为它从几何观点出发,对旋量的代数理论作了完整而权威的综述。

我们在THIS LINK给出了埃利·嘉当全部法语或英语书籍的尽可能完整的列表。

我们在THIS LINK给出了其中一些书籍的书评的简短摘录。

至于他的教学能力,陈省身谢瓦莱写道[14]:-

埃利·嘉当是一位优秀的教师;他的讲座是令人愉悦的智识体验,给学生留下一种通常错误的印象,以为自己已经掌握了该主题的全部内容。因此更令人惊讶的是,在很长一段时间里,他的思想没有对年轻数学家产生它们本应充分享有的影响。这或许部分是由于埃利·嘉当极其谦逊。与儒勒·昂利·庞加莱不同,他并不试图避免让学生在他的指导下工作。然而,他太有幽默感,不会在自己周围组织起那种有助于形成一个数学学派的热烈狂热。

他无疑是20世纪上半叶最重要的数学家之一。让·迪厄多内在[1]中写道:-

埃利·嘉当作为一流数学家的认可直到他晚年才到来;1930年之前,儒勒·昂利·庞加莱赫尔曼·外尔可能是唯一正确评价了他非凡能力和深度的著名数学家。这部分是由于他极其谦逊,部分是由于1900年后法国数学研究的主要趋势在函数论领域,但主要是由于他非凡的独创性。直到1930年以后,年轻一代才开始探索埋藏在他论文中的丰富思想与成果宝藏。自那时起,他的影响稳步增长,并且除了儒勒·昂利·庞加莱大卫·希尔伯特之外,可能没有其他人对赋予我们今天的数学以现有形态和观点做出了如此多的贡献。

J H C Whitehead写道[48]:-

埃利·嘉当是当代数学的伟大建筑师之一。

[6]的作者写道:-

埃利·嘉当是他那一代的主要数学家之一,尤其因其在几何学和李代数理论方面的工作而具有影响力。在第一次世界大战后的黯淡岁月里,他是法国最杰出的数学家之一。他最终对尼古拉·布尔巴基群体产生了显著影响,他的儿子亨利·嘉当——另一位杰出的数学家——是该群体七位创始成员之一。

威廉·瓦兰斯·道格拉斯·霍奇认为埃利·嘉当是[23]:-

……一位伟大的数学天才,以广阔的视野审视全局,挑出本质,从而以大师之笔直击问题的核心。他对无数特殊情形的了解,以及对复杂论证的精通,使他能够以巨大的步伐推进他的学科,并在广阔的数学探索领域中留下持久的印记。随着他的去世,世界确实失去了一位现代数学的伟大建筑师

Robert Hermann写道[22]:-

埃利·嘉当 无疑是数学史上最伟大、最具独创性的头脑之一,他在 索菲斯·李 群、微分几何和微分方程的几何理论方面的工作,是我们今天许多工作的基础。在我看来,他在数学中的地位类似于其他知识领域中那些世纪之交的伟大宗师。正如弗洛伊德受到19世纪科学机械论世界观的影响,却利用这一背景创造出深刻影响20世纪思想的新颖而革命性的东西一样,埃利·嘉当 在19世纪90年代巴黎、柏林和哥廷根流行的数学基础上,建立了一座我们至今仍在探究其含义的数学大厦。他的工作高度依赖直觉和几何,但也建立在独创的计算与分析方法的有力结合之上,其数学专长范围从代数一直延伸到拓扑学。

由于他杰出的贡献,埃利·嘉当 获得了许多荣誉,但正如 让·迪厄多内 在上文引述中所解释的,这些荣誉直到他职业生涯的后期才到来。他于1934年获得列日大学的名誉学位,1936年获得哈佛大学的名誉学位。1947年,他被柏林自由大学、布加勒斯特大学和鲁汶天主教大学授予三个名誉学位。次年,他被比萨大学授予名誉博士学位。他于1921年当选为 波兰科学院 成员,1926年当选为 挪威科学与文学院 成员,1927年当选为 Accademia dei Lincei 成员,并于1947年5月1日当选为 伦敦皇家学会 会士。他于1931年3月9日当选为 法国科学院 成员,1945年任该科学院副院长,1946年任院长。他于1939年成为 伦敦数学会 的名誉成员。月球上的一座环形山以他的名字命名。

1939年5月18日,在索邦大学举行了一场庆祝活动,以庆祝埃利·嘉当的70岁生日。朋友和同事们纷纷致意,描述了他对数学众多不同领域的贡献。1969年,为庆祝埃利·嘉当诞辰100周年,在布加勒斯特举行了一次会议。会议论文集已出版[5],我们的参考文献列表中包含在该会议上宣读的几篇论文,即[17]、[18]、[19]、[30]、[31]、[33]、[45]和[46]。为庆祝埃利·嘉当诞辰115周年,“埃利·嘉当的数学遗产”会议于1984年6月25日至6月29日在法国里昂举行。

参考文献

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延伸资源

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