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数学家传记

费迪南德·格奥尔格·弗罗贝尼乌斯Ferdinand Georg Frobenius

出生
1849年10月26日 普鲁士柏林夏洛滕堡(今德国)
逝世
1917年8月3日 德国柏林

费迪南德·格奥尔格·弗罗贝尼乌斯将代数方程理论、几何学和数论的结果结合起来,这使他转向研究抽象群、群的表示论和群的特征标理论。

完整传记

弗罗贝尼乌斯的父亲是Christian 费迪南德·格奥尔格·弗罗贝尼乌斯,一位新教牧师,母亲是Christine Elizabeth Friedrich。弗罗贝尼乌斯出生在夏洛滕堡,这是柏林的一个区,直到1920年才并入该市。他于1860年进入费迪南德·约阿希姆斯塔尔文理中学,当时他将近十一岁,并于1867年毕业。同年,他前往哥廷根大学开始大学学习,但只在那里学习了一个学期就回到了柏林。

回到柏林大学后,他听了利奥波德·克罗内克恩斯特·爱德华·库默尔卡尔·魏尔斯特拉斯的讲座。他继续在那里攻读博士学位,参加恩斯特·爱德华·库默尔卡尔·魏尔斯特拉斯的讨论班,并于1870年在卡尔·魏尔斯特拉斯的指导下获得博士学位(以优异成绩授予)。1874年,在先后在约阿希姆斯塔尔 文理中学和Sophienrealschule中学任教后,他被任命为柏林大学的数学编外教授。

关于弗罗贝尼乌斯迄今为止的职业生涯的描述,细心的读者可能已经注意到,没有提到他在被任命为教职之前获得了教授资格论文(Habilitation)。这不是遗漏,而是考虑到德国制度的严格性,这种情况被允许是令人惊讶的。这次任命的细节在[3]中给出,但我们应该说,这最终之所以成为可能,必定是由于卡尔·魏尔斯特拉斯的大力支持,他极具影响力,并认为弗罗贝尼乌斯是他最有天赋的学生之一。

弗罗贝尼乌斯只在柏林待了一年,就前往苏黎世,接受了瑞士联邦理工学院常任教授的任命。从1875年到1892年的十七年间,弗罗贝尼乌斯在苏黎世工作。他在那里结婚成家,并在数学的广泛不同领域中做了许多重要工作。我们将在下面讨论他研究过的一些主题,但目前我们将继续描述弗罗贝尼乌斯的职业生涯是如何发展的。

1891年12月的最后几天,利奥波德·克罗内克去世,因此他在柏林的讲席空缺。卡尔·魏尔斯特拉斯坚信弗罗贝尼乌斯是使柏林保持在数学前沿的合适人选,利用他的巨大影响力促成了弗罗贝尼乌斯的任命。然而,由于我们稍后将讨论的原因,弗罗贝尼乌斯对柏林大学的数学来说结果喜忧参半。

他被任命的积极一面无疑是他在表示论方面做出的卓越贡献,特别是他对特征标理论的发展,以及他作为当时顶尖数学家之一的地位。消极的一面主要源于他的个性,[5]中将其描述为:-

……偶尔易怒、好争吵,并且喜欢谩骂。

Biermann在[3]中更仔细地审视了他的性格(没有双关之意!),以及它如何影响了大学数学教育的成效。他描述了弗罗贝尼乌斯与他在柏林同事之间发展出的紧张关系。他的标准如此之高,最终这些标准并未给柏林带来好处。他[3]:-

……一有机会就怀疑部里有意降低柏林大学的标准,用弗罗贝尼乌斯的话说,降到技术学校的水平……即便如此,拉扎勒斯·福克斯赫尔曼·阿曼杜斯·施瓦茨还是顺从他,后来弗里德里希·赫曼·肖特基也是如此,后者仅因他的召唤才来到柏林。弗罗贝尼乌斯是核心人物,柏林大学数学的命运在他身上维系了25年。当然,他并非没有注意到,博士学位、教授资格论文(Habilitation)讲师(Docent)的数量缓慢但确定地下降,尽管学生人数大幅增加。他无法阻止这一点,无法实现保持卡尔·魏尔斯特拉斯恩斯特·爱德华·库默尔利奥波德·克罗内克时代的外在面貌不变的目标,只能无助地目睹这些发展,对于他易怒的性格来说,这是双重难以忍受的。

我们不应过于苛责弗罗贝尼乌斯,因为正如Haubrich在[5]中所解释的,弗罗贝尼乌斯的态度是当时柏林所有数学教授典型的态度:-

他们都深感有义务延续普鲁士新人文主义的大学研究与教学传统,正如他们自己作为学生时所经历的那样。这对弗罗贝尼乌斯尤其如此。他认为自己是一位学者,其职责是为纯数学的知识做出贡献。在他看来,应用数学属于技术学院。

然而,哥廷根大学的数学观却截然不同。当时柏林大学和哥廷根大学的数学家之间存在竞争,但这场竞争哥廷根赢了,因为在菲利克斯·克莱因的领导下,那里的数学蓬勃发展,这让弗罗贝尼乌斯非常恼火。在[3]中,Biermann写道:-

弗罗贝尼乌斯对菲利克斯·克莱因索菲斯·李的厌恶没有止境……

弗罗贝尼乌斯憎恨哥廷根所代表的数学风格。这是一种新方法,标志着与德国大学传统风格的显著变化。如上所述,弗罗贝尼乌斯持有极其传统的观点。在1896年2月3日写给阿道夫·赫维兹(哥廷根体系的产物)的一封信中(见[4]):-

如果你是从一个更爱玩弄玫瑰色意象而非硬思想的学派中出来的,并且如果令我高兴的是,你也在逐渐从中解放出来,那么旧爱不会生锈。请把这玩笑当作玩笑。

然而,应该看到另一面,因为在[9]中,卡尔·西格尔从1915年成为学生起认识弗罗贝尼乌斯两年,直到弗罗贝尼乌斯去世,他描述了对弗罗贝尼乌斯的印象,认为他个性热情,并表达了对他的快节奏、多样且深刻讲座的欣赏。其他人则会将他的讲座描述为扎实但不刺激。

为了了解弗罗贝尼乌斯在1892年被任命到柏林之前的工作质量,我们最好查看卡尔·魏尔斯特拉斯拉扎勒斯·福克斯在1892年弗罗贝尼乌斯当选为柏林科学院成员时的推荐信。在[4]中给出了该文件以及来自拉扎勒斯·福克斯赫尔曼·冯·亥姆霍兹的另一份类似文件的相当广泛的引文,但我们引用一小段摘录,以展示弗罗贝尼乌斯在苏黎世时期工作的力量、多样性和高质量。卡尔·魏尔斯特拉斯拉扎勒斯·福克斯列出了弗罗贝尼乌斯做出重大贡献的15个主题:-

  1. On the development of analytic functions in series
  2. On the algebraic solution of equations, whose coefficients are 有理函数 of one variable
  3. The theory of linear 微分方程
  4. On Pfaff's problem
  5. Linear forms with integer coefficients
  6. On linear substitutions and bilinear forms...
  7. On adjoint linear differential operators...
  8. The theory of elliptic and Jacobi functions...
  9. On the relations among the 28 double tangents to a plane of degree 4
  10. On Sylow's theorem
  11. On double cosets arising from two finite groups
  12. On Jacobi's covariants...
  13. On Jacobi functions in three variables
  14. The theory of biquadratic forms
  15. On the theory of surfaces with a differential parameter

在群论方面的工作中,弗罗贝尼乌斯综合了代数方程理论、几何学和数论的结果,这引导他研究抽象群。他于1879年(与苏黎世的同事Stickelberger合作)发表了Über Gruppen von vertauschbaren Elementen(《论可交换元素的群》),该文考察了群中的可置换元素。这篇论文还给出了有限生成阿贝尔群的结构定理的证明。1884年,他发表了下一篇关于有限群的论文,其中他为抽象群证明了彼得·卢德维格·梅德尔·西罗的定理(彼得·卢德维格·梅德尔·西罗在其原始论文中是将该定理作为关于置换群的结果来证明的)。弗罗贝尼乌斯给出的证明基于共轭类,至今仍在大多数本科课程中使用。

在1887年的下一篇论文中,弗罗贝尼乌斯继续了他对群中共轭类的研究,这在他后来关于特征标的工作中将被证明是重要的。在这篇论文的引言中,他解释了自己是如何对抽象群产生兴趣的,这是通过研究利奥波德·克罗内克的一篇论文。然而,正是在1896年,当弗罗贝尼乌斯担任柏林大学教授时,他真正重要的群论工作才开始出现。那一年他发表了五篇关于群论的论文,其中一篇Über die Gruppencharactere关于群特征标的论文具有根本的重要性。他在这篇论文中写道:

我将在此发展[任意有限群的特征标]这一概念,相信通过引入它,群论将得到实质性的丰富。

这篇关于群特征标的论文于1896年7月16日提交给柏林科学院,其中包含弗罗贝尼乌斯在前几个月所进行的工作。在一系列写给理查德·戴德金的信中,第一封写于1896年4月12日,他关于群特征标的思想迅速发展。理查德·戴德金1885年一篇论文中的思想做出了重要贡献,弗罗贝尼乌斯得以构造出用复数表示的完整表示集。然而值得注意的是,尽管我们今天将弗罗贝尼乌斯关于群特征标的论文视为群表示论的根本性工作,但弗罗贝尼乌斯实际上在这项工作中引入群特征标时并未提及表示。直到第二年,群的表示才开始进入视野,这同样是弗罗贝尼乌斯提出的概念。因此,1897年是群表示论诞生之年。

在1897-1899年间,弗罗贝尼乌斯发表了两篇关于群表示的论文,一篇关于诱导特征标,一篇关于特征标的张量积。1898年,他引入了诱导表示的概念和弗罗贝尼乌斯互反定理。这是一阵活动爆发,为整个表示论机器奠定了基础。

在1896年4月26日给理查德·戴德金的一封信中,弗罗贝尼乌斯给出了交错群 A4,A5A_{4}, A_{5}对称群 S4,S5S_{4}, S_{5}和168阶群PSL(2,7)PSL(2,7)的不可约特征标。他于1900年完全确定了对称群的特征标,并于1901年确定了交错群的特征标,分别发表了权威性论文。他在1900年和1901年的论文中继续应用特征标理论,研究了弗罗贝尼乌斯群的结构。

直到1897年,弗罗贝尼乌斯才得知特奥多尔·莫林的工作,他在给理查德·戴德金的一封信中将其描述为“非常美丽但困难”。他用matrices的语言重新表述了特奥多尔·莫林的工作,然后证明他的特征标是不可约表示的迹。这项工作于1897年发表。弗罗贝尼乌斯的特征标理论被威廉·伯恩赛德卓有成效地使用,并在威廉·伯恩赛德1911年版的Theory of Groups of Finite Order中得到了优美的阐述。

弗罗贝尼乌斯有许多对数学做出重要贡献的博士生。其中包括1899年获得博士学位的埃德蒙·朗道、1901年获得博士学位的伊赛·舒尔和1910年获得博士学位的罗伯特·雷马克。弗罗贝尼乌斯在群表示论和群特征标理论方面与伊赛·舒尔合作。弗罗贝尼乌斯如此迅速地发现其学生伊赛·舒尔的天才,这无疑是他的功劳。弗罗贝尼乌斯的有限群表示论后来在量子力学和理论物理中找到了重要应用,这可能并不完全令这位对数学持有如此“纯粹”观点的人感到高兴。

在弗罗贝尼乌斯职业生涯末期所研究的课题中,有正矩阵和非负矩阵。他引入了矩阵不可约性的概念,他在1910年前后撰写的包含这一理论的论文至今仍是该学科的基本成果。弗罗贝尼乌斯的许多论文读起来像他研究课题的当代教科书,这一事实清楚地表明,他在许多不同领域的工作对塑造今天所研究的数学具有何等重要性。话虽如此,他也确实为已经存在的领域做出了基础性贡献,而他并没有像一些最伟大的数学家那样开创任何全新的数学领域。

5中,Haubrich对弗罗贝尼乌斯的工作给出了如下概述:-

他数学实践中最引人注目的方面是他在计算方面的非凡技巧。事实上,弗罗贝尼乌斯试图在很大程度上通过计算、代数的方法来解决数学问题。甚至他的分析工作也由代数和线性代数方法所引导。对于弗罗贝尼乌斯来说,概念性论证扮演了某种次要的角色。尽管他在相对抽象的框架中进行论证,但抽象本身并不是目的。在他看来,抽象的优点似乎主要在于它能带来更大的清晰性和精确性。

参考文献

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