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数学家传记

巴夫尼提·列波维奇·切比雪夫Pafnuty Chebyshev

出生
1821年5月16日 俄国卡卢加州奥卡托沃
逝世
1894年12月8日 俄国圣彼得堡

巴夫尼提·列波维奇·切比雪夫主要因在数论方面的研究而被人们记住。巴夫尼提·列波维奇·切比雪夫也对力学感兴趣,并因他发明的正交多项式而闻名。

完整传记

巴夫尼提·列波维奇·切比雪夫的父母是Agrafena Ivanova Pozniakova和Lev Pavlovich切比雪夫。切比雪夫出生于Okatovo,这是俄罗斯西部莫斯科西南方向的一个小镇。在他出生时,他的父亲已从军队退役,但在其军事生涯的早期,Lev Pavlovich曾作为一名军官与拿破仑的入侵军队作战。切比雪夫 Lvovich出生在这个小家族庄园中,属于一个有着令人印象深刻历史的上层阶级家庭。Lev Pavlovich和Agrafena Ivanova有九个孩子,其中一些人继承了父亲的军事传统。

让我们稍微谈谈切比雪夫 Lvovich成长时期俄罗斯的生活。在俄罗斯击败拿破仑之后,这个国家有着强烈的民族自豪感,他们的胜利导致其他欧洲国家以恐惧和尊敬交织的态度看待俄罗斯。一方面,国内有些人认为俄罗斯优于其他国家,并主张它应当与其他国家隔绝。另一方面,曾在军队中服役的受过教育的年轻俄罗斯人见过欧洲,学会了阅读和说法语和德语,对欧洲文化、文学和科学有所了解,他们主张国家西化。

切比雪夫 Lvovich的早期教育是在家中进行的,他的母亲和他的表亲Avdotia Kvintillianova Soukhareva都是他的老师。他从母亲那里学到了阅读和写作的基本技能,而他的表亲则担任这个小男孩的女家庭教师,教他法语和算术。在后来的生活中,切比雪夫 Lvovich将极大地受益于他流利的法语,因为这会使法国成为自然的访问之地,使法语成为在国际舞台上交流数学的自然语言,并提供与欧洲领先数学家的联系。然而,对这个小男孩来说,一切并不容易,因为他的一条腿比另一条长,走路跛行,这使他无法参加许多正常的童年活动。

1832年,当切比雪夫 Lvovich十一岁时,全家搬到了莫斯科。在那里,他继续在家中接受教育,但现在由P N Pogorelski辅导数学,后者被认为是莫斯科最好的初等数学导师。Pogorelski是当时俄罗斯一些最受欢迎的初等数学教材的作者,无疑启发了他的学生,并给了他扎实的数学教育。因此,切比雪夫为1837年进入莫斯科大学学习数学科学做好了充分准备。

切比雪夫进入的俄罗斯大学体系已经发生了相当大的变化。他进入的莫斯科大学成立于1755年,以德国大学为蓝本。然而,在俄罗斯战胜拿破仑之后,该国出现了我们上面提到的西化运动。俄罗斯皇帝亚历山大一世将大学视为他所认为来自西欧的危险学说的滋生地,大学在1820年代受到压力,要求解雇教授此类学说的教职人员。1825年成为俄罗斯皇帝的尼古拉一世于1833年任命了一位新教育部长,他推动了大学中更自由的知识氛围,但另一方面,下层阶级的子女被排除在外。

在莫斯科大学,对切比雪夫影响最大的人是尼古莱·布拉什曼,他自1834年起担任该大学的应用数学教授。尼古莱·布拉什曼对力学特别感兴趣,但他的兴趣范围广泛,除了机械工程和水力学课程外,他还教学生代数函数的积分理论和probability的微积分。切比雪夫始终承认尼古莱·布拉什曼在大学学习期间对他的巨大影响,并将他视为引导其研究兴趣的主要影响者,提到他们“宝贵的个人交谈”。

切比雪夫就读的物理与数学系宣布了1840-41年度的奖项竞赛。切比雪夫提交了一篇关于The calculation of roots of equations的论文,其中他通过使用ff的反函数的级数展开来求解方程y=f(x)y = f (x)。该论文当时没有发表(尽管在1950年代发表了),并且在竞赛中仅获得二等奖,而不是它几乎肯定应得的金奖。切比雪夫于1841年获得第一个学位毕业,并在尼古莱·布拉什曼的指导下继续攻读硕士学位。

很久以后,在他的职业生涯中,切比雪夫反对被描述为“杰出的俄罗斯数学家”,并说他肯定是“世界性的数学家”而不是俄罗斯数学家。很明显,从他开始攻读硕士学位时起,切比雪夫就旨在获得国际认可。他的第一篇论文用法语写成,是关于多重积分的。他于1842年底将论文提交给约瑟夫·刘维尔,该论文于1843年出现在约瑟夫·刘维尔的期刊上。它包含一个未加证明的公式,该期刊第8卷第一部分的下一篇论文包含乌惹内·查尔斯·卡塔兰给出的该公式的证明。在[12]中,作者提出切比雪夫可能于1842年陪同俄罗斯地理学家奇哈乔夫访问巴黎,后者肯定在那年12月遇到了乌惹内·查尔斯·卡塔兰(他协助约瑟夫·刘维尔制作了他的期刊)。没有确凿的证据,但极有可能的是,如果切比雪夫没有在1842年亲自访问巴黎,那么他通过奇哈乔夫将论文寄给了约瑟夫·刘维尔

切比雪夫继续以他的第二篇论文争取国际认可,该论文再次用法语写成,于1844年由奥古斯都·利奥波德·克雷勒在其期刊上发表。这篇论文是关于泰勒级数的收敛性的。1846年夏天,切比雪夫参加了硕士论文答辩,并于同年在该论文的基础上发表了一篇论文,同样发表在奥古斯都·利奥波德·克雷勒的期刊上。该论文是关于概率论的,在其中他以严谨但初等的方式发展了该理论的主要结果。特别是他从论文中发表的论文考察了西莫恩·德尼·泊松的大数弱定律。

1843年期间,切比雪夫写出了一篇学位论文的初稿,他打算一旦找到合适职位就提交以取得授课资格。时局艰难,莫斯科没有适合切比雪夫的职位,但在1847年,他被任命到圣彼得堡大学,并提交了他的学位论文On integration by means of logarithms。在这篇论文中,他推广了米哈伊尔·奥斯特罗格拉德斯基的方法,以证明尼尔斯·阿贝尔在1826年关于f(x)/R(x)f (x)/√R(x)的积分所作的一个猜想成立,其中f(x)f (x)R(x)R(x)是多项式。在1852年他写的一篇关于访问巴黎的报告中,切比雪夫描述了他如何被要求进一步发展这些思想(例如见[11]):-

约瑟夫·刘维尔夏尔·埃尔米特提出了发展我学位论文所依据的思想的想法。……在论文中,我考虑了积分号下的微分包含一个有理函数的平方根的情形。但从若干方面来看,将这些原理推广到任意次根是很有意思的。

切比雪夫的学位论文直到他去世后才发表,他在1853年发表了一篇包含其中部分结果的论文。

在抵达圣彼得堡和1853年发表切比雪夫之间,他发表了一些他最著名的数论成果。他写了一本关于同余理论的重要著作Teoria sravneny,并将其提交作为他的学位论文,于1849年5月27日进行答辩。这项工作还获得了科学院颁发的奖项。他与维克托·布尼亚科夫斯基合作,制作了莱昂哈德·欧拉的99篇数论论文的完整版本,他们于1849年分两卷出版。切比雪夫在素数方面的工作包括确定不超过给定数的素数个数,于1848年发表,以及证明约瑟·伯特兰的猜想。

1845年,约瑟·伯特兰猜想在nn2n2n之间对于n>3n > 3总至少有一个素数。切比雪夫在1850年证明了约瑟·伯特兰的猜想。切比雪夫也接近于证明素数定理,他证明了如果

π(n)logenn\Large {\frac { \pi(n) \log_{e} n} n}

(其中π(n)\pi (n)为不超过nn的素数个数)当nn \to \infty时有极限,则该极限为1。然而,他无法证明

limnπ(n)logennlim_{n \to \infty }\Large {\frac { \pi(n) \log_{e} n} n}

存在。这一结果的证明在切比雪夫去世两年后,才由雅克·阿达马和(独立地)夏尔-让·德拉瓦莱·普桑完成。

切比雪夫于1850年在圣彼得堡被提升为编外教授。两年后,即1852年7月至11月间,他访问了法国、伦敦和德国。我们上文提到过他关于那次旅行的报告,其间他有机会实地考察各种蒸汽机及其力学原理。他的报告涵盖了他对应用力学的研究,以及他与法国数学家包括约瑟夫·刘维尔Bienaymé夏尔·埃尔米特约瑟夫·阿尔弗雷德·塞雷让-维克托·彭赛列,和英国数学家包括阿瑟·凯莱詹姆斯·约瑟夫·西尔维斯特的讨论。在柏林,他会见了约翰·彼得·古斯塔夫·勒热纳·狄利克雷:-

结识著名的几何学家Lejeune-约翰·彼得·古斯塔夫·勒热纳·狄利克雷对我来说极有兴趣。……[我]每天都能找到机会与这位几何学家谈论[微积分在数论中的应用]以及纯分析与应用分析的其他问题。……[我]特别高兴地参加了他关于理论力学的一次讲座。

事实上,切比雪夫对机构理论和逼近理论的兴趣都源于他1852年的旅行。在[31]中,Tikhomirov研究了切比雪夫关于逼近理论的工作,并写道:-

切比雪夫……奠定了俄罗斯逼近理论学派的基础:我们展示切比雪夫在逼近理论中的思想与应用问题(机构理论和计算数学)的关系。

作为这次旅行直接成果而出现的论文包括1854年发表的Théorie des mécanismes connus sous le nom de parallélogrammes。正是在这项工作中,他著名的切比雪夫多项式首次出现,但后来他继续发展了一般正交多项式理论。在[28]中,Roy讨论了他对正交多项式的贡献,并将这项工作置于其历史背景中:-

切比雪夫可能是第一位认识到正交多项式一般概念的数学家。在他的工作之前,人们已经知道一些特殊的正交多项式。阿德里安-马里·勒让德皮埃尔·西蒙·拉普拉斯在18世纪末研究天体力学时遇到了阿德里安-马里·勒让德多项式。皮埃尔·西蒙·拉普拉斯在19世纪初研究概率论的过程中发现并研究了夏尔·埃尔米特多项式。其他各种数学家的著作中出现的正交多项式的孤立实例将在后面提到。是切比雪夫看到了建立一般理论及其应用的可能性。他的工作源于最小二乘逼近理论和概率论;他将自己的结果应用于插值、近似求积和其他领域。他发现了卡尔·古斯塔夫·雅各布·雅可比多项式的离散类似物,但直到本世纪其重要性才被认识到。它们被汉斯·哈恩重新发现,并在重新发现后以他的名字命名。Geronimus指出,在其关于正交多项式的第一篇论文中,切比雪夫已经有了埃尔温·布鲁诺·克里斯托费尔-让·加斯东·达布公式。

切比雪夫在1852年进行的旅行是众多旅行之一。除了我们在那次旅行中提到的他会见的数学家外,他还与其他欧洲数学家有过接触,如爱德华·卢卡斯卡尔·威廉·博尔夏特利奥波德·克罗内克卡尔·魏尔斯特拉斯(例如见[12])。几乎每个夏天切比雪夫都在西欧旅行,但当他不旅行时,他就在Reval附近的Catherinenthal(现称爱沙尼亚塔林)度过夏天。我们没有关于他多次西欧访问的完整信息,但我们确实知道,他在1873年至1882年间在法国科学促进会会议上发言,提交了十六份报告,并出席了1873年在里昂、1876年在克莱蒙费朗、1878年在巴黎和1882年在拉罗谢尔的会议。除了他1852年的法国之行以及刚才提到的1873年至1882年间的那些访问外,我们还有他1856年、1864年、1884年和1893年访问的记录。1884年的访问可能使他访问了一些欧洲大学,最后在列日大学结束,他在那里主持了纪念乌惹内·查尔斯·卡塔兰退休的庆祝活动。

我们已经提到了切比雪夫对概率论的一些贡献。1867年,他发表了一篇论文On mean values,使用Bienaymé不等式给出了广义大数定律。由于他在这方面的研究工作,这个不等式今天通常被称为Bienaymé-切比雪夫不等式。二十年后,切比雪夫发表了On two theorems concerning probability,为将概率论应用于统计数据提供了基础,推广了亚伯拉罕·棣莫弗皮埃尔·西蒙·拉普拉斯的中心极限定理。对此,安德雷·柯尔莫哥洛夫写道(例如见[1]):-

切比雪夫工作的主要意义在于,他始终力求以在任何检验次数下都绝对成立的不等式形式,精确估计对极限规律性的可能偏离。此外,切比雪夫是第一个清晰估计并使用“随机量”及其“期望(均值)”这类概念的人。

让我们再提一下切比雪夫工作的几个方面。在积分理论中,他推广了贝塔函数,并考察了如下形式的积分

 xp(1x)qdx\int  x^{p} (1 - x)^{q} dx

他作出贡献的其他主题包括地图的构造、几何体积的计算,以及19世纪70年代计算机构的构造。在力学中,他研究了通过机械联接将旋转运动转换为直线运动所涉及的问题。切比雪夫平行运动是由三根连杆近似实现直线运动。他写了许多关于其机械发明的论文;爱德华·卢卡斯在巴黎国立工艺学院展出了其中一些发明的模型和图纸。1893年,他的七项机械发明在芝加哥世界博览会上展出,该博览会是为庆祝克里斯托弗·哥伦布发现美洲400周年而举办的,其中包括他发明的一种供女性使用的特殊自行车。

若干著名数学家曾受教于切比雪夫,并对他作为讲师作了描述。我们给出的第一段引文出自李雅普诺夫,他在19世纪70年代听过切比雪夫的讲座。这段引文在若干地方都有给出(例如见[1]或[11]):-

他的课程并不冗长,他也不考虑所传授知识的数量;相反,他力求阐明他所讲问题中一些最重要的方面。这些讲座生动而引人入胜;关于某些问题和科学方法的意义与重要性的奇思妙想总是层出不穷。有时他会就他们考虑过的某个具体情形顺带说一句,但听过的人总是把它记在心里。因此,他的讲座极具启发性;学生在每次讲座中都会获得某种新的、本质性的东西;他教给人们更广阔的视野和不寻常的立场。

我们关于切比雪夫作为教师的第二段引文出自Dmitry 德米特里·格雷夫的著作,他在19世纪80年代听过切比雪夫的讲座(例如见[11]):-

切比雪夫是一位出色的讲师。他的课程很短。铃声一响,他立刻放下粉笔,一瘸一拐地离开讲堂。另一方面,他总是准时,从不迟到。特别有趣的是他的题外话,他会告诉我们他在国外讲过什么,或者夏尔·埃尔米特或其他人的反应。那时整个讲堂都紧张地听着,生怕漏掉一个字。

让我们引用切比雪夫在1856年的一次演讲,他在其中解释了他如何看待数学纯理论与应用方面的相互作用。这是一段有趣的引文,因为切比雪夫在数学方面的许多工作都是遵循这些原则完成的(例如参见[1]或[11]):-

理论与实践观点的更紧密相互接近带来了最有益的结果,而且并非只有实践方面获益;在它的影响下,科学得以发展,因为这种接近提供了新的研究对象或长期熟悉主题中的新方面。尽管由于过去三个世纪杰出数学家的著作,数学科学取得了巨大进步,但实践在许多方面清楚地揭示了它们的不完善;它提出了对科学来说本质上是新的问题,从而挑战人们去寻找全新的方法。如果说当旧方法的新应用或发展出现时理论获益良多,那么当新方法被发现时获益更大;而在这里,科学在实践中找到了可靠的指南。

至于切比雪夫的个人生活,他从未结婚,独自住在一栋有十个房间的大房子里。他很富有,在日常舒适上花费很少,但他有一个巨大的爱好,那就是购买房产。他大部分钱都花在这上面,但他确实在经济上支持一个他拒绝正式承认的女儿。他确实花时间与这个女儿相处,尤其是在她嫁给一位上校之后。切比雪夫经常在他姐姐Nadiejda的家中,在Rudakovo见到她和她的丈夫。

切比雪夫于1882年从圣彼得堡大学的教授职位上退休;他是在22年前被任命到这个特定职位的。他在职业生涯中获得了许多荣誉,还有几项荣誉即将到来。他于1853年成为圣彼得堡科学院的初级院士,担任应用数学讲席,1856年成为非常任院士,1859年成为常任院士,再次担任应用数学讲席。他于1856年当选为列日皇家科学学会通讯会员,同年当选为数学爱好者学会通讯会员,1871年当选为柏林科学院通讯会员,1873年当选为博洛尼亚科学院通讯会员,1877年当选为伦敦皇家学会通讯会员,1880年当选为意大利皇家科学院通讯会员,1893年当选为瑞典科学院通讯会员。他于1860年当选为法兰西学会通讯会员,1874年当选为法兰西学会外籍会员。此外,每所俄罗斯大学都选举他担任荣誉职位,他成为圣彼得堡炮兵学院的荣誉成员,并被授予法国荣誉军团勋章。

参考文献

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