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数学家传记

费迪南·艾森斯坦Gotthold Eisenstein

出生
1823年4月16日 德国柏林
逝世
1852年10月11日 德国柏林

费迪南·艾森斯坦研究过多种课题,包括二次型和三次型、三次剩余互反定理、素数的二次分拆以及互反律。

完整传记

费迪南·艾森斯坦的父亲是约翰Konstantin Eisenstein,母亲是海伦·波拉克。这个家庭是犹太人,但在他们的第一个孩子艾森斯坦出生之前,他们已从犹太教改宗成为新教徒。他们的家庭并不富裕,因为Johan Eisenstein在普鲁士军队服役八年后,发现很难适应平民生活中的稳定工作。尽管尝试了各种工作,他一生中大部分时间都没有找到成功的职业,尽管在他生命的末期事情确实对他顺利起来。

艾森斯坦一生都饱受健康不佳之苦,但至少他活过了童年,而他的五个兄弟姐妹都没有做到。他们都死于脑膜炎,而艾森斯坦本人也感染了这种疾病,但他幸存下来。这种疾病以及他童年时患的许多其他疾病,肯定对他产生了心理和身体上的影响,他一生都是疑病症患者。他的母亲海伦艾森斯坦在儿子的早期教育中发挥了重要作用。

他写了一部自传,在其中描述了他母亲在他大约两岁时教他字母表的方式,将物体与每个字母联系起来以暗示其形状,比如O像一扇门,K像一把钥匙。他还在这些自传性作品中描述了自己早期的数学天赋(例如见[1]):-

当我还是个六岁的男孩时,我理解一个数学定理的证明比理解肉必须用刀切而不是用叉子切更容易。

他从小也展现出相当的音乐天赋,一生中弹钢琴并作曲。

他在小学时就有健康问题,但这些可能与他所上的学校有很大关系。当他大约十岁时,他的父母试图通过送他去夏洛滕堡的考尔学院来解决他持续的健康问题,夏洛滕堡是柏林的一个区,直到1920年才并入该市。这所学校采用了几乎军事化的纪律风格和严格的形式化教育方法,这对艾森斯坦的创造性天性毫无帮助。它不仅没有改善他的健康问题,反而产生了相反的效果,除了持续的身体疾病外,他还患上了抑郁症。

1837年,他十四岁时,艾森斯坦进入Friedrich Wilhelm 文理中学(Gymnasium),然后转到柏林的弗里德里希·韦尔德文理中学完成学业。他一进入弗里德里希·威廉文理中学,他的数学才能就得到了老师们的认可,老师们给予了他各种鼓励。然而,他很快就远远超出了学校的数学教学大纲,从十五岁起,他就购买数学书籍自学。他从莱昂哈德·欧拉约瑟夫·拉格朗日的著作中学习微分和积分。

到他十七岁时,尽管他还在上学,他开始在柏林大学听约翰·彼得·古斯塔夫·勒热纳·狄利克雷和其他数学家的讲座。大约在这个时候,他的父亲在德国找不到满意的工作,去了英国试图寻找更好的生活。艾森斯坦留在柏林上学,越来越专注于数学。他在自传中写到了自己被数学如此吸引的原因:-

除了实际内容之外,数学如此强烈而专一地吸引我的,尤其是处理数学概念时心智过程的特定性质。这种从旧真理推导和发现新真理的方式,定理的非凡清晰性和自明性,思想的巧妙……对我有一种不可抗拒的吸引力。从个别定理开始,我逐渐习惯于更深入地探究它们之间的关系,并将整个理论作为一个单一实体来把握。我就是这样构想出数学美的概念的……

1842年,他买了一本卡尔·弗里德里希·高斯Disquisitiones arithmeticae (《算术研究》)的法文译本,并且像约翰·彼得·古斯塔夫·勒热纳·狄利克雷一样,他迷上了他在那里读到的数论。1842年夏天,在参加学校毕业考试之前,他和母亲一起前往英国,与正在那里寻求更好生活的父亲会合。在[12]中,Warnecke认为,在这次英国之行期间,艾森斯坦熟悉了应用技术和科学,这激发了他对数学的普遍兴趣,尤其促成了他成为数学家的愿望。

这家人尝试在威尔士和爱尔兰待了一段时间,但艾森斯坦的父亲找不到合适的工作来给他带来满足和经济保障。随着他们从一个地方搬到另一个地方,艾森斯坦阅读Disquisitiones arithmeticae(算术研究),并在可能的时候弹钢琴。1843年在爱尔兰期间,艾森斯坦在都柏林遇到了威廉·哈密顿,这是一个他非常愿意定居的城市,而威廉·哈密顿给了他一份自己写的论文,内容是关于尼尔斯·阿贝尔关于不可能求解五次方程的工作。这进一步激励了艾森斯坦开始数学研究。

1843年6月,艾森斯坦随母亲返回德国,母亲此时与父亲分居。艾森斯坦申请参加学校毕业考试,并获准在8月/9月进行。他以数学老师[1]的高度评价毕业:——

他的数学知识远远超出中学课程的范围。他的天赋和热情使人期待他有朝一日将对科学的发展和扩展作出重要贡献。

他的老师Schellbach是对的,而且没过多久他的期望就实现了。艾森斯坦于1843年秋入读柏林大学,并于1844年1月将威廉·哈密顿的论文提交给柏林科学院。与此同时,他向柏林科学院提交了自己关于二元三次型的论文。

此时他正在研究各种主题,包括二次型和三次型、三次剩余的互反定理、素数的二次分拆以及互反律。奥古斯都·利奥波德·克雷勒被任命为艾森斯坦论文的审稿人,凭借他识别年轻数学人才的惯常直觉,奥古斯都·利奥波德·克雷勒立即意识到这里有一个潜在的天才。奥古斯都·利奥波德·克雷勒与Alexander von Humboldt通信,后者也立即注意到了这位极具天赋的年轻人。艾森斯坦于1844年3月会见了von Humboldt。

艾森斯坦的经济状况很差,von Humboldt特意从国王、普鲁士政府和柏林科学院那里为他争取资助。这些资助多少有些勉强,总是短期,来得晚,而且相当不慷慨。如果不是von Humboldt的个人慷慨,艾森斯坦的处境会比实际上更艰难。但艾森斯坦是一个敏感的人,他不乐意接受这些资助,尤其是当他觉得官方资助是勉强给出的时候。当局本应对他们的钱所带来的回报感到满意,因为艾森斯坦在1844年发表了23篇论文和两个问题在Crelle's Journal上。

1844年6月,艾森斯坦前往哥廷根两周,拜访卡尔·弗里德里希·高斯卡尔·弗里德里希·高斯以极难被折服而闻名,但艾森斯坦在拜访前已将部分论文寄给卡尔·弗里德里希·高斯卡尔·弗里德里希·高斯对此赞誉有加。此时艾森斯坦正研究多个课题,包括二次型与三次型以及三次剩余互反律。这次拜访极为成功,艾森斯坦在哥廷根结交了一位朋友,即莫里茨·亚伯拉罕·斯特恩。尽管哥廷根在大学第一年便赢得了即时的国际声誉,他却感到抑郁,而这种抑郁在他短暂的一生中只会愈发严重。

恩斯特·爱德华·库默尔安排布雷斯劳大学于1845年2月授予艾森斯坦荣誉博士学位。卡尔·古斯塔夫·雅各布·雅可比也参与了这一荣誉的安排,但艾森斯坦和卡尔·古斯塔夫·雅各布·雅可比并不总是关系融洽,他们的关系非常起伏不定。从1846年到1847年,艾森斯坦研究椭圆函数,在这两年中的第一年,他卷入了与卡尔·古斯塔夫·雅各布·雅可比的优先权之争。他写信给斯特恩解释情况(例如见[1]):——

……整个麻烦在于,当我得知[卡尔·古斯塔夫·雅各布·雅可比]关于分圆的工作时,我没有立即公开承认他是创始者,而我在卡尔·弗里德里希·高斯的情况下却经常这样做。我在此事上没有这样做,仅仅是我天真无邪的过错。

1847年,艾森斯坦在柏林大学获得教授资格论文(Habilitation),并开始授课。同年,波恩哈德·黎曼听了他关于椭圆函数的讲座,我们在下文评论了当时波恩哈德·黎曼与艾森斯坦之间可能的互动。

到1848年,德意志邦联的状况已很糟糕。失业与歉收引发了不满与骚乱。1848年2月巴黎起义推翻路易-菲利普的消息导致许多邦国爆发革命,柏林也发生了战斗。共和主义与社会主义情绪意味着君主制陷入困境。艾森斯坦参加了一些支持民主的集会,但未扮演任何积极的政治角色。然而,1848年3月19日,在柏林巷战中,有人从艾森斯坦所在的一所房子(尽管并非他自己的房子)向国王的军队开枪,他因此被捕。他在次日获释,但他所受的严厉对待使他本已虚弱的健康急剧恶化。

这次逮捕还有另一个不良副作用,因为它使那些资助他的人相信他同情共和主义,尽管冯·洪堡继续大力支持他,他获得资金却变得困难得多。关于他在此期间所写的数学著作,安德烈·韦伊在[3]中写道:-

任何艾森斯坦的读者都必定意识到,在他短暂的数学生涯中,他一直感到时间紧迫。……他的论文虽然构思出色,但必定是断断续续写成的,细节只在必要时才加以展开;有时一个论述被中断,直到后来才重新拾起。偶尔,奥古斯都·利奥波德·克雷勒让他在整篇论文完成之前就将一部分寄给出版社。人们常常想起埃瓦里斯特·伽罗瓦那句悲剧性的名言“我没有时间”。

尽管有健康问题,艾森斯坦仍接连发表了一篇又一篇关于素数二次分拆和互反律的论文。他获得了许多荣誉,例如,卡尔·弗里德里希·高斯提名艾森斯坦参选哥廷根科学院,他于1851年当选。1852年初,应约翰·彼得·古斯塔夫·勒热纳·狄利克雷的请求,艾森斯坦当选为柏林科学院

艾森斯坦因肺结核去世,年仅29岁。他的伟大支持者亚历山大·冯·洪堡当时已83岁,在墓地跟随艾森斯坦的灵柩。他曾成功获得资金,让艾森斯坦前往西西里休养以恢复健康,但为时已晚。

艾森斯坦对数学有三个主要贡献领域,我们已在上文提及。他研究型论,旨在将卡尔·弗里德里希·高斯Disquisitiones arithmeticae(算术研究)中关于二次型理论所得的结果加以推广。他考察高次互反律,旨在推广卡尔·弗里德里希·高斯关于二次互反律的结果,这些结果同样载于Disquisitiones arithmeticae。在这一课题的工作中,艾森斯坦使用了恩斯特·爱德华·库默尔的理想论。恩斯特·爱德华·库默尔与艾森斯坦两人的工作,以及两人在1850年发表的高次互反律工作中存在的竞争,在[7]中有所讨论。

艾森斯坦所研究的这两个主题都受到卡尔·弗里德里希·高斯Disquisitiones arithmeticae(《算术研究》)的强烈启发,而论文[13]讨论了艾森斯坦从学生时代起拥有的这部著作的抄本,该抄本现藏于吉森的数学图书馆。在论文[13]中,安德烈·韦伊考察了艾森斯坦在书中所作的批注,并推测波恩哈德·黎曼在与艾森斯坦的交谈中获得了某些想法,这些想法导致了他关于ζ函数的著名论文。

艾森斯坦做出重大贡献的第三个主题是椭圆函数理论。安德烈·韦伊在[3]中写道:-

艾森斯坦在奠定了椭圆函数理论的基础之后,能够实现他关于这座建筑本身的许多设计,并指出他希望如何将其完成。

尽管这一主题被尼尔斯·阿贝尔卡尔·古斯塔夫·雅各布·雅可比大大推进,艾森斯坦在1847年关于该主题的论文[10]:-

……发展了他自己独立的椭圆函数分析理论,基于对某些条件收敛级数求和的技巧。

利奥波德·克罗内克写道(例如见[3]):-

本质上新的观点……特别是关于theta函数的变换理论……由艾森斯坦在基础但鲜被引用的《Beiträge zur Theorie der elliptischen Funktionen》(椭圆函数理论贡献)中引入,该文发表于1847年的奥古斯都·利奥波德·克雷勒杂志,基于完全原创的思想……

事实上,这本书[3]——其第一版于1976年问世,是1974年在普林斯顿高等爱德华·斯图迪研究所讲授课程的结果——正是致力于这一方法。利奥波德·克罗内克采纳了这些主题[3]:-

艾森斯坦的主要主题,经过适当调整,适合大量有趣的变体;……利奥波德·克罗内克的许多最佳工作就由这样的变体组成……

安德烈·韦伊的这本书表明,艾森斯坦的方法对当今正在发展的数学具有重大意义,这是对一位150年前逝世的天才的崇高致敬。一种方法的力量往往通过它为更简单、已被充分理解的情形所带来的洞见而得到体现,安德烈·韦伊确实很好地说明了这一点:-

艾森斯坦表明,他构造椭圆函数的方法完美地适用于更简单的三角函数情形。此外,这一情形不仅为他的理论提供了富有启发性的导引,还为一系列最初由莱昂哈德·欧拉讨论过的结果提供了最简单的证明……

最后,我们引用[10]中关于艾森斯坦的工作在当今的相关性的同一主题:-

从今天的视角回顾,艾森斯坦的数学在我们看来比以往任何时候都更加与时俱进。令我们惊叹的与其说是定理的收获,或成熟理论的创立,不如说是看待事物的方式……

参考文献

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