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数学家传记

罗杰·柯特斯Roger Cotes

出生
1682年7月10日 英格兰莱斯特郡伯比奇
逝世
1716年6月5日 英格兰剑桥

罗杰·柯特斯是一位英国数学家,他编辑了艾萨克·牛顿的《原理》第二版。他在对数理论、积分学和数值方法,特别是插值方面取得了进展。

完整传记

罗杰·柯特斯的母亲是Grace Farmer,来自莱斯特郡的Barwell,他的父亲是Robert Cotes,是Burbage的教区长。柯特斯有一个比他大一岁的兄弟Anthony,和一个比他小一岁的姐妹Susanna。他就读于莱斯特学校,到十二岁时,他的老师已经意识到他具有非凡的数学天赋。他的叔叔,牧师John Smith,热衷于给柯特斯一切机会发展这些才能,因此柯特斯去和他住在一起,以便能亲自接受辅导。柯特斯后来就读于伦敦著名的圣保罗学校,但他继续接受叔叔的指导,在柯特斯在伦敦上学期间,两人就数学主题交换了信件。

柯特斯于1699年4月6日作为自费生注册入剑桥大学三一学院,这意味着他没有奖学金,需自付学院食宿费用。他于1702年获得学士学位,并留在剑桥,于1705年被选为研究员。1706年1月,他被提名为首位普卢米安天文学与实验哲学讲席教授。对于当时年仅23岁的柯特斯来说,这是一项非凡的成就。然而,他的非凡才能已得到剑桥许多人的充分赏识,例如威廉·惠斯顿,他很快与之建立了友谊。艾萨克·牛顿威廉·惠斯顿都推荐柯特斯担任该讲席,三一学院院长理查德·本特利也是如此。然而,也有人反对他的任命,其中最引人注目的是皇家天文学家约翰·佛兰斯蒂德。到柯特斯于1707年10月16日正式当选为普卢米安教授时,他已于前一年当选为更负盛名的研究员,并获得硕士学位。梅利在[2]中给出了该讲席设立的背景:-

柯特斯是罗切斯特副主教托马斯·普卢姆(1630-1704)设立的剑桥讲席的首位担任者,普卢姆遗赠了近2000英镑用于维持一位教授并建造一座天文台。在普卢姆遗赠之前,本特利已经起草了三一学院天文台的计划。天文台最终设于三一学院国王门或大门之上,连同普卢米安教授的住所。

尚不完全清楚柯特斯作为观测天文学家的角色有多成功。首先,关于剑桥天文台仪器质量的记载有些矛盾。柯特斯设计了一台中星仪,以补充已购买或捐赠的仪器收藏。例如,艾萨克·牛顿捐赠了一座至今仍存于三一学院的钟。我们上文提到的三一学院院长本特利声称天文台拥有“欧洲最好的仪器”,但在那里工作的一位助手写信给约翰·佛兰斯蒂德说:“我在那里没有看到任何值得您注意的东西。”真相可能介于两者之间,因为三一学院院长自然会夸耀设施,而只在那里工作了很短时间的助手可能是在试图取悦约翰·佛兰斯蒂德。就柯特斯所做的观测而言,也许最重要的是1715年4月22日的日全食。然而,爱德蒙·哈雷Philosophical Transactions of the Royal Society的一篇论文中描述了这一事件,他说柯特斯:-

……不幸被过多的陪伴所困扰,因此尽管天空非常有利,他还是错过了日食开始的时间和全食的时间。

柯特斯本人就这次日食写信给艾萨克·牛顿,在信中他解释说他的助手发现了一种确定日食中点的方法,而他[3]:-

……对我喊道:“现在是中间了”,尽管我当时并不知道他是什么意思。

这一切都说明不了柯特斯作为观测者的献身精神有多高,但他确实记录了一些关于这次日食和其他天文事件的重要事实。然而,他的数学才能使他在英格兰同代人中仅次于艾萨克·牛顿。在考察他的数学贡献之前,让我们注意到他于1711年11月30日当选为皇家学会会士,1713年3月30日被任命为执事,1713年5月31日被任命为牧师。

从1709年到1713年,柯特斯的大部分时间都用于编辑艾萨克·牛顿Principia第二版。他不仅仅是校对这部著作,而是认真地研究它,温和而坚持不懈地与艾萨克·牛顿争论各种问题。例如,在[6]中讨论了一个1711年发生在柯特斯和艾萨克·牛顿之间关于水从圆柱形容器孔中流出的速度的讨论。在讨论中,他们给出了2的四次方根的各种近似值,其值约为1.189207115。艾萨克·牛顿给出了以下有理的近似值(我们添加小数值以查看其精度)

65=1.200000000\large\frac{6}{5}\normalsize = 1.200000000
1311=1.181818182\large\frac{13}{11}\normalsize = 1.181818182
2521=1.190476190\large\frac{25}{21}\normalsize = 1.190476190

而柯特斯给出了

4437=1.189189189.\large\frac{44}{37}\normalsize = 1.189189189.

在两人通信之初,语气非常友好。然而,在任务接近尾声时,有迹象表明他们对彼此冷淡了(有关这些信件的细节,见[3])。特别是,尽管艾萨克·牛顿在他为这一版所写序言的第一稿中感谢了柯特斯,但他在最终出版时删去了这些感谢。柯特斯自己写了一篇有趣的序言,其中他解释了自然哲学研究是如何发展的。首先,柯特斯解释说,是亚里士多德的方法,涉及命名隐藏的性质。然后,根据柯特斯的说法,出现了所有物质都是同质的观念。他认为这些方法是改进,但仍保留了亚里士多德方法的某些弱点。尽管他在这里没有具体点名勒内·笛卡儿哥特弗里德·威廉·莱布尼茨,但这显然是对他们思想的攻击。最后,柯特斯说,是基于先进行实验而不带先入之见,然后从结果中推断世界如何运作的方法。这些是艾萨克·牛顿的方法,导致了自然界基本力如何运作的确立。

柯特斯一生只发表了一篇论文,即Logometria,发表于1714年3月的Philosophical Transactions of the Royal Society上,他将此文献给了爱德蒙·哈雷。文中包含(用柯特斯在给艾萨克·牛顿的信[3]中自己的话来说):-

……几何学中一种新的作图法,在我看来非常容易、简单且普遍。

在这篇论文中,柯特斯给出了一种通过连分数的渐近分数来求有理逼近的方法,而[6]的作者认为,这解释了他如何得到我们上文提到的2的四次方根逼近值4437\large\frac{44}{37}\normalsize

柯特斯对他关于对数曲线的求长特别满意,正如他在1712年给朋友威廉·琼斯的信中所表明的那样。特别是他对对数的工作引导他研究了曲线r=aθr = \Large\frac{a}{\theta}\normalsize,他将其命名为倒数螺线。柯特斯扩展了皮埃尔·伐里农的工作,他对阿基米德螺线和阿波罗尼奥斯的抛物线进行了求长,这个问题最初由皮埃尔·德·费马提出,他证明两者具有相同的积分。他在这里的工作基于公式

ln(cosq+isinq)=iq\ln(\cos q + i \sin q) = i q

威廉·琼斯敦促柯特斯在Philosophical Transactions of the Royal Society上发表他的工作,但柯特斯拒绝了,他希望支持剑桥并与剑桥大学出版社一起出版。他的早逝使得这些工作未能在其生前发表。

柯特斯发现了关于nn次单位根的一个重要定理,给出了ee的连分数展开,发明了角的弧度制,预见了最小二乘法,发表了正切和正割的图形,并发现了一种对具有二项式分母的有理分式进行积分的方法。他在对数理论、积分学、数值方法(特别是插值以及十八类代数函数的积分表构造)方面的实质性进展,使艾萨克·牛顿说道:-

……如果他活得更久,我们或许本可以知道些什么。

根据Edleston3,柯特斯死于一种:——

……伴有剧烈腹泻和持续谵妄的发热。

四天后,他被安葬在三一学院的小教堂里。

柯特斯希望与剑桥大学出版社一起出版的一些工作最终由托马斯·辛普森The Doctrine and Application of Fluxions(2卷,伦敦,1750年)中出版。Robert Smith编辑了柯特斯的主要遗作,即Harmonia mensurarum,于1722年出版。在此解释Robert Smith是谁以及他如何与柯特斯互动是合适的。事实上,他是柯特斯的叔叔,即牧师John Smith的儿子,并且当他的叔叔让他小时候住在自己家里时,他就与柯特斯成为了朋友。后来Robert Smith在柯特斯担任Plumian教授时是他的助手,并最终接替他成为Plumian教授。正是Smith,在柯特斯去世多年后,当他担任三一学院院长时,让人竖立了柯特斯的半身像。这座半身像,如上所示,现在在克里斯托弗·雷恩图书馆中。

让我们回到柯特斯的遗著Harmonia mensurarum(《测度之和,或分析与综合的记述,并推进角度测度,以及其他数学著作》)。除了重印Logometria之外,它还包含三部数学著作:

1. Aestimatio errorum in mixta mathesis。(数学各领域中的误差评估)
2. De methodo differentiali Newtoniana。(艾萨克·牛顿的微分方法)
3. Canonotechnia。(技术规则)

第一部分涉及平面三角形和球面三角形,曾被天文学家广泛使用。其中包含了对误差理论的早期研究。第二部分发展了艾萨克·牛顿的插值方法,在研究彗星轨道时特别有用。第三部著作研究数值积分,并且还包含了对插值法的进一步贡献。

1738年,即柯特斯去世22年后,Smith出版了柯特斯关于实验物理学的讲座Hydrostatical and pneumatical lectures

参考文献

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