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数学家传记

拉扎勒斯·福克斯Lazarus Fuchs

出生
1833年5月5日 普鲁士波森附近莫斯钦(今波兰波兹南)
逝世
1902年4月26日 德国柏林

拉扎勒斯·福克斯是一位普鲁士数学家,研究微分方程和函数论。

完整传记

拉扎勒斯·福克斯的父母是犹太教师Rafael Fuchs和他的妻子Caecilie Katz。我们没有福克斯父母的日期,但我们知道他写博士学位论文时,他的母亲已经去世,而他的父亲仍然在世。他最初在Moschin由父亲教导,但他有强烈的求知欲,所以1846年他去了Posen(今波兰的波兹南),在那里私下学习了两年古典语言,但主要是自学。然而,他的父母经济困难,无法给他任何支持。他确实从一个远房富有的亲戚那里得到了极少的支持,但他生活在极度贫困中。他找到了一个便宜的地方住,但条件极差。几个月里,他唯一的食物是咖啡和面包。他经常乞求较富裕的朋友给他蜡烛的最后一段,以便他能在夜间学习,实现进入当地文理中学的目标。1848年,他进入了Posen的弗里德里希·威廉文理中学的三年级,当时该校的校长是Gustav Kiessling。当他在文理中学学习时,亚伯拉罕·阿德里安·艾伯特 Gustav Heydemann(1808-1877)于1850年被任命为校长。

正是在文理中学,尽管他在开始学习之前对数学的准备非常差,但他的数学才能却非常清楚地显现出来。数学成为了一门学科,即使在早期阶段,福克斯就知道它将主导他余生。除了学校学习,福克斯还必须通过私人辅导赚钱,他培养学生隐藏技能和才能的能力很快得到认可,因此他成为了一位备受追捧的教师。他的一个朋友是莱奥·柯尼希斯贝格尔,他比福克斯小四岁,也是Posen的弗里德里希·威廉文理中学的学生。十八个月后,福克斯完成了中学,跳过了高中一年,他能够在1853年复活节参加成熟考试,并以“优秀”的成绩通过。

尽管在1853年有资格进入大学,但他无法开始学习,因为他完全一贫如洗。正是在这个阶段,莱奥·柯尼希斯贝格尔的父母伸出了援手。他们提出雇佣福克斯作为Leo的私人导师一年,在他们家中提供住宿,并支付他适度的费用。他欣然接受,在辅导莱奥·柯尼希斯贝格尔一年后,他于1854年复活节进入柏林大学。当时大学的校长是著名天文学家约翰·弗朗茨·恩克,福克斯被录取到哲学系,其系主任是哲学家Friedrich Adolf Trendelenburg(1802-1872)。从1857年复活节到1864年复活节,福克斯和莱奥·柯尼希斯贝格尔在柏林合住。他们住在许多不同的房子里,被迫过着非常简朴和谦逊的生活方式,因为尤其是在最初几年,他们靠福克斯通过私人课程赚取的收入生活。

在柏林大学,福克斯听了包括恩斯特·爱德华·库默尔卡尔·魏尔斯特拉斯在内的许多著名数学家的讲座。他在博士论文中给出了在柏林大学四年期间教过他的所有教师的完整名单。这些教师是:数学家Peter Friedrich Arndt(1817-1866)、古典学者August Böckh(1785-1867)、卡尔·威廉·博尔夏特鲁道夫·克劳修斯约翰·彼得·古斯塔夫·勒热纳·狄利克雷、物理学家和气象学家Heinrich Wilhelm Dove(1803-1879)、天文学家约翰·弗朗茨·恩克恩斯特·爱德华·库默尔、动物学家Martin Heinrich Carl Lichtenstein(1780-1857)、化学和物理学实验家Heinrich Gustav Magnus(1802-1870)、化学家和矿物学家Eilhard Mitscherlich(1794-1863)、数学家马丁·欧姆、物理学家Johann Christian Poggendorff(1796-1877)、历史学家和政治学家Friedrich Ludwig Georg von Raumer(1781-1873)、化学家Franz Leopold Sonnenschein(1817-1879)、哲学家Friedrich Adolf Trendelenburg(1802-1872)、矿物学家Christian Samuel Weiss(1780-1856)以及卡尔·魏尔斯特拉斯。他写道:-

我对所有这些人感激不尽,并将永远感激,他们为我提供了完美的杰出服务。

除了听上面列出的那些人的讲座之外,福克斯还阅读了卡尔·弗里德里希·高斯Disquisitiones arithmeticae以及约瑟夫·傅里叶皮埃尔·西蒙·拉普拉斯奥古斯丁·路易·柯西的著作。对福克斯影响最大的教授是卡尔·魏尔斯特拉斯,他引导他进入函数论,以及恩斯特·爱德华·库默尔,后者后来指导了他的博士学位。他的学位论文De Superficierum lineis curvaturae (论曲面上的曲线)的答辩于1858年8月2日举行,考官是恩斯特·爱德华·库默尔马丁·欧姆格奥尔格·欧姆的兄弟),他的对手是尤利乌斯·外恩加滕、莱奥·柯尼希斯贝格尔和Eduard Fischer。福克斯于1858年由柏林大学授予学位。

在获得博士学位之前,福克斯开始担心是否应该从犹太教改信基督教。他知道,如果他继续信奉犹太教,就会遭受歧视,职业前景将非常有限。尽管在福克斯早年,犹太人曾受到官方歧视,但1850年普鲁士的新宪法赋予所有公民平等的权利,不论其宗教信仰如何。尽管有宪法,平等并未实现,歧视在普鲁士继续存在,对犹太人的许多限制和局限也是如此。福克斯花了三年时间深深担忧是否应该改信基督教。当然,这不仅仅是个人的事情,因为他非常担心如果自己改宗,他的犹太家庭会作何感想。恩斯特·爱德华·库默尔卡尔·魏尔斯特拉斯都深知福克斯在这个问题上的痛苦煎熬,并鼓励他迈出这一步。他还得到了尤利乌斯·米伦西芬(1811-1893)的大力支持,后者是柏林圣玛利亚教堂的牧师。1860年,福克斯改信了福音派路德宗基督教。

在获得博士学位之前,福克斯于1859年3月19日被任命到柏林的一所文理中学任教。事实上,在转到弗里德里希·韦尔德贸易学校担任数学教师之前,他曾在几所不同的机构任教。在此期间,他从事研究,目标是成为大学教授。正是在这一时期,他在变系数齐次线性微分方程方面做出了杰出工作,发表在1866年奥古斯都·利奥波德·克雷勒杂志上的一篇重要的40页论文Zur Theorie der linearen Differentialgleichungen mit veränderlichen Coefficienten (《论变系数线性微分方程的理论》)中。这项工作将在下文更详细地描述。1865年8月,在提交了他的教授资格论文(Habilitation)学位论文Zur Theorie der linearen Differentialgleichungen mit veränderlichen Coeffizienten (《论变系数线性微分方程的理论》)后,他被任命为柏林大学的私人讲师,开始了他的大学教学生涯。1866年12月2日,他被提升为该校的编外教授,并在该大学任教至1868-69年冬季学期,之后他接受了格赖夫斯瓦尔德的正教授职位。福克斯还于1867年5月23日在柏林担任第二个职位,被任命为炮兵与工程学校的数学教授。

1868年,福克斯与玛丽·安德斯(1849年7月23日-1917年5月10日)结婚。他们有四个儿子和两个女儿,包括Clara Fuchs(1869-1954)和Richard Fuchs,后者成为数学家,在本档案中有传记。克拉拉嫁给了数学家Ludwig Schlesinger,后者在本档案中也有传记。我们注意到,Richard FuchsLudwig Schlesinger共同编辑了福克斯的全集:Gesammelte mathematische Werke von L Fuchs,由Mayer & 埃米尔·穆勒于1904年、1906年和1909年在柏林分三卷出版。

福克斯于1869年2月3日在格赖夫斯瓦尔德就任教授职位,该职位因莱奥·柯尼希斯贝格尔(曾在格赖夫斯瓦尔德任教五年)被任命为海德堡的数学讲席而空缺。在格赖夫斯瓦尔德度过五年后,福克斯再次搬迁,这次去了哥廷根,于1874年1月23日就任常任教授。次年,他前往海德堡,在那里任教九年。在许多方面,这些年是他一生中最愉快的时期。他热爱城市周围的自然环境,这对福克斯来说很重要,因为他对自然有着深厚的感情。在海德堡,他与许多杰出的博士生关系特别好,并且与大学许多不同院系的其他教职员工相处得极为融洽。事实上,在海德堡的九年里,他指导了至少八名后来成为数学教授的学生的博士研究。我们将在下面稍微谈谈他在海德堡期间与儒勒·昂利·庞加莱的通信。1884年夏季学期,当他的老师退休后,他回到柏林接替恩斯特·爱德华·库默尔的讲席。福克斯余生一直担任这一职位。在他生命的最后十年,他还承担了重要的编辑职责,担任奥古斯都·利奥波德·克雷勒的期刊Journal für die reine und angewandte Mathematik的主编。福克斯在其职业生涯中在该期刊上发表了许多论文:参见THIS LINK上的论文。

Ernest Julius Wilczynski在柏林听了福克斯的讲座。他在[17]中写道,他:-

……记得柏林大学那间又小又拥挤的讲堂,通风很差,夏天闷热难耐,但对认真而善于思考的学生来说却充满了意义和启发。福克斯并不是一位才华横溢的讲师。他讲话平静而不张扬,但他说的话内容充实。对学生来说,看到一位最高阶的数学头脑全力工作是一种启发。因为福克斯讲课时就是在工作。他很少准备充分,而是当场产生他想说的内容。偶尔他会在复杂的计算中迷失。然后他会透过眼镜环顾听众,带着最迷人、孩子般的微笑。他总是确信自己论证的要点,但数值例子给他带来了很大麻烦。他完全意识到这个缺点,我清楚地记得有一次,在冗长的讨论之后,他相当强调这样一个事实:“在这种情况下,二乘二等于四。”

福克斯研究微分方程和函数论。George Mathews写道[12]:-

福克斯的数学论文读起来非常愉快,没有那种往往属于微分方程论著的沉重倾向。他有能力清晰地突出真正重要的要点,而不做过分细致的细节,他并不不屑于通过将方法应用于具体而明确的问题来展示其力量。

在[1]中,Jerome Manheim写道:-

福克斯 是一位有天赋的分析学家,其著作在 奥古斯丁·路易·柯西波恩哈德·黎曼尼尔斯·阿贝尔卡尔·弗里德里希·高斯 的基础研究与 儒勒·昂利·庞加莱保罗·潘勒韦埃米尔·皮卡 所发现的现代微分方程理论之间架起了一座桥梁。

1865年,福克斯 研究了以复函数为系数的 n 阶线性常微分方程。Bölling 在 [3] 中对此作了描述:-

福克斯 以基础性的结果丰富了线性微分方程理论。他讨论了如下类型的问题:必须对微分方程的系数施加什么条件,才能使所有解具有预先指定的性质(例如是正则的或代数的)。这使他在 1865、1866 年引入了一类重要的、在复域中具有解析系数的线性微分方程(及方程组),这一类今天以他的名字命名(Fuchs 方程、Fuchs 类方程)。……他成功刻画了那些其解在扩充复平面上没有本质奇点的微分方程。福克斯 后来也研究了非线性微分方程与可去奇点。

福克斯(1876 年与 夏尔·埃尔米特 合作)把椭圆积分作为参数函数的研究,标志着向模函数理论(菲利克斯·克莱因理查德·戴德金)迈出的重要一步。在一系列论文(1880—81)中,福克斯 以推广 卡尔·古斯塔夫·雅各布·雅可比 反演问题的方式,研究了通过反演二阶线性微分方程解的积分而得到的函数。

正是 福克斯 关于这一反函数的工作,促使 儒勒·昂利·庞加莱 引入他所称的 Fuchs 群,并将其用作发展自守函数理论的一个基本概念。儒勒·昂利·庞加莱 与 福克斯 之间的第一次接触,是 儒勒·昂利·庞加莱 于 1880 年 5 月 29 日写的一封信:-

我怀着极大的兴趣读了您最近发表在 奥古斯都·利奥波德·克雷勒 的杂志上一期的题为“Über die Verallgemeinerung des kehrungsproblems”的杰出论文。(论反演问题的一种推广。)亲爱的先生,我希望您允许我就此向您请求某些澄清。……亲爱的先生,我必须承认,这些想法使我对您所发表的结果的普遍性产生了一些疑问,我冒昧就此与您联系,希望这不会给您带来麻烦,能澄清此事。

尽管我们给出的是儒勒·昂利·庞加莱信件的英文摘录(依据[2]),实际上他用法文写作,而福克斯用德文回复。两人似乎都乐于如此安排。皮埃尔·弗朗索瓦·韦吕勒在[2]中写道:-

福克斯尽管比儒勒·昂利·庞加莱年长21岁,却始终保持着友好和关切的语气,即使当他开始清楚地看到这位年轻的法国通信者正在发展一种与他自己的方法相当不同且更为完备的进路时也是如此。

1880年6月12日,儒勒·昂利·庞加莱写信给福克斯:-

我发现这种情况下只有两个奇点,您所引入的函数具有非常显著的特征,由于我打算发表我所得到的结果,我请求您允许将它们称为富克斯函数;因为是您发现了它们。

1881年3月20日,儒勒·昂利·庞加莱写了他给福克斯的最后一封信:-

我继续研究以您命名的那些函数,并希望不久后发表我的结果。这些函数作为特例包含椭圆函数以及模函数。利用这些函数以及我称之为zeta富克斯函数的其他函数,可以求解:(1) 所有只有三个奇点(两个有限、一个无穷)的具有有理系数的线性微分方程。(2) 所有具有有理系数的二阶方程。(3) 大量具有有理系数的各阶方程。

福克斯还研究了如何找到连接微分方程在两个不同点附近的两个解系的矩阵。对福克斯工作的综述出现在[8]中,Gray在其中还描述了这项工作如何影响了菲利克斯·克莱因卡米耶·若尔当儒勒·昂利·庞加莱等人。在这篇有趣的论文中,Gray还讨论了福克斯的思想与其数学工具之间的关系,并说明了某些问题的解如何引导福克斯去研究进一步的问题。Gray在引言中写道:-

[福克斯']的工作可以被有益地视为试图将新兴的复函数理论的概念秩序强加于混沌的微分方程世界之上。他既是严格现代线性方程理论的建筑师,又提出了许多被其同时代人接手的问题,并为不变量理论和变换群理论的学派提供了一个有趣的战场。

在讨论了以福克斯命名的概念之后,Gray写道[8]:-

但争论以Fuchsian事物来纪念福克斯是否公正将是徒劳的。相反,福克斯的职业生涯仍然令人感兴趣,因为它清晰而戏剧性地表明数学思想是多么多面,以及解决一个问题可能需要多少新思想。有一种讽刺的真理存在于这样的评价中:福克斯开辟了一个新领域:福克斯一再指出分析中那些最好由群论解决的问题。由于拒绝了这一属于年轻一代的工具,可以说福克斯只能像摩西一样站着,眺望应许之地。

在[3]中,Bölling如下描述了福克斯的性格:-

……福克斯是柏林古典时期和后古典时期的代表。他的个性被描述为优柔寡断、胆怯,但同时又幽默且充满善意。

参考文献

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