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数学家传记

詹姆斯·格雷果里James Gregory

出生
1638年11月 苏格兰德拉莫克(阿伯丁附近)
逝世
1675年10月 苏格兰爱丁堡

詹姆斯·格雷果里是一位苏格兰科学家,也是圣安德鲁斯的第一位钦定数学教授,他描述了第一台实用反射望远镜。他致力于使用无限收敛级数来求圆和双曲线的面积。

完整传记

詹姆斯·格雷果里出生于德鲁莫克牧师住宅。这是迪河畔的一个小教区,位于阿伯丁以西约十五公里处。他的父亲是John Gregory,母亲是Janet 奥斯卡·安德尔森。John Gregory曾在阿伯丁的马歇尔学院学习,随后前往圣安德鲁斯大学的圣玛丽学院学习神学,之后一生都在德鲁莫克教区度过。Turnbull写道[20]:-

[John Gregory]是一个有勇气和远见的人,但并未以杰出的智力天赋而著称……

格雷果里似乎是通过母系家族继承了他的天才。Janet 安德尔森的兄弟Alexander Anderson是弗朗索瓦·韦达的学生。他曾担任弗朗索瓦·韦达的编辑,并将弗朗索瓦·韦达的思想完全融入他在巴黎的教学中。格雷果里是他父母三个孩子中最小的。他有两个哥哥Alexander(长子)和弗洛伦斯·南丁格尔·大卫,格雷果里和大卫之间相差十岁。

格雷果里 首先从母亲那里学习数学,母亲教他几何。他的父亲 John Gregory 于 1651 年去世,当时 格雷果里 十三岁,在这个阶段,格雷果里 的教育由他的哥哥 大卫 接管,当时他大约 23 岁。格雷果里 得到了 欧几里得Elements 来学习,他发现这相当容易。他上了文法学校,然后进入大学,在阿伯丁的 Marischal 学院学习。

格雷果里年轻时健康状况不佳。他患了约十八个月的间日热,这是一种大约每72小时复发的发热。然而,一旦他摆脱了这个问题,他的健康状况就很好,几年后他写道,间日热(例如见[20]):-

……是一种我有幸熟悉的疾病,因为自那以后我从未有过丝毫不适;然而我从前却是体质柔弱多病的。

格雷果里开始研究光学和望远镜的构造。在其兄弟大卫的鼓励下,他就此主题写了一本书Optica Promota。在序言中他写道:-

受某种青春热情的驱使,并因椭圆不等式的发明而备受鼓舞,我投身于这些光学思辨之中,其中首要的是对望远镜的论证。

读者可能不理解格雷果里提到的“椭圆不等式”,这实际上指的是约翰内斯·开普勒的发现。格雷果里在Optica Promota中描述了第一台实用的反射望远镜,现称为格雷戈里望远镜。

这本书以5个公设和37个定义开始。然后他给出了59个关于光的反射和折射的定理。接着是关于数学天文学的命题,讨论了视差、凌日和椭圆轨道。接下来格雷果里详细描述了他发明反射望远镜的细节。一个主凹抛物面镜将光汇聚到凹椭球镜的一个focus。从其表面反射的光线汇聚到椭球镜的第二个焦点,该焦点位于主镜后面。主镜上有一个中心孔,光通过该孔,并由目镜透镜聚焦。因此,格雷戈里望远镜的镜筒比两个反射镜的焦距之和短。他的新颖想法是在望远镜中同时使用反射镜和透镜。他表明,这种组合比仅使用反射镜或仅使用透镜的望远镜更有效。

这本书只是对望远镜的理论描述,因为在这个阶段还没有制造出望远镜。格雷果里在书中[21]指出:-

……关于他在透镜和反射镜制作技术方面缺乏技巧……

1663年,格雷果里前往伦敦。在那里他遇到了约翰·柯林斯,并开始了终生的友谊。格雷果里的目标之一是让Optica Promota出版,他实现了这一目标。他的另一个目标是找到一个能按照他书中所述设计制造望远镜的人。约翰·柯林斯建议他向一位名叫Reive的著名光学仪器制造者寻求帮助,后者应格雷果里的请求,尝试制造一个抛物面镜。他的尝试未能使格雷果里满意,后者决定放弃让Reive制造该仪器的想法。然而,罗伯特·胡克得知了Reive制造抛物面镜的失败尝试,这将在约十年后导致第一台格雷戈里望远镜的成功制造。

格雷果里还遇到了皇家学会的主席Robert Moray,Moray试图安排格雷果里和克里斯蒂安·惠更斯在巴黎会面。然而,克里斯蒂安·惠更斯不在巴黎,会面没有实现。Moray将在稍后对格雷果里的职业生涯发挥重要作用。

1664年,格雷果里前往意大利。他在旅途中访问了佛兰德斯、罗马和巴黎,但大部分时间是在帕多瓦大学度过的,在那里他致力于使用无穷收敛级数来求圆和双曲线的面积。在帕多瓦,他与斯特凡诺‧德力‧安杰利密切合作,后者的[20]:-

……教学深刻影响了格雷果里,特别是提供了微积分的两把钥匙,切线方法(微分)和求积方法(积分)。

格雷果里得以住在哲学教授Caddenhead教授的家中,后者是斯格特的会士。格雷果里在帕多瓦期间出版的两部著作是1667年出版的Vera circuli et hyperbolae quadratura和1668年他意大利之行即将结束时出版的Geometriae pars universalis

关于Vera circuli et hyperbolae quadratura马克斯·登恩斯特·黑林格在[5]中写道:-

在这部著作中,格雷果里为当时正在形成的无穷小几何学奠定了精确的基础。值得注意的是,几十年后,当分析处于革命性发展状态时,精确性的标准比格雷果里低得多,而且一般来说,在艾萨克·牛顿哥特弗里德·威廉·莱布尼茨(例如克里斯蒂安·惠更斯皮耶特罗·曼戈里伊萨克·巴罗)的发现之前写作的作者们也是如此。

我们正在讨论的这部著作性质颇为不同。一方面,他获取灵感的来源对我们来说完全未知。另一方面,我们在这里发现了一种奇特的混合:既有影响深远的想法,也有精确的方法、不完整的推导,甚至还有错误的结论。

这部著作实际上试图证明π和e是超越数,但格雷果里的论证包含一个微妙的错误。然而,这绝不应减损这部著作的光辉以及它所包含的惊人思想集合,例如:收敛性、函数性、代数函数、超越函数、迭代等等。

在离开帕多瓦之前,格雷果里发表了Geometriae pars universalis,它实际上就是[13]:-

……首次尝试撰写一部系统性的教科书,论述我们今天所称的微积分。

这本书包含了已知最早的证明,即切线方法(用我们现代术语说就是微分)是求积方法(用我们现代术语说就是积分)的逆运算。格雷果里展示了如何通过变量替换来变换一个积分,并引入了xx0(x)x \mapsto x - 0(x)思想,而这是艾萨克·牛顿流数术的基础。或许值得稍微谈一谈格雷果里的工作与艾萨克·牛顿的工作之间的关系。到格雷果里发表这部著作时,艾萨克·牛顿已经形成了他的微积分思想,因此很可能没有受到格雷果里的影响。另一方面,艾萨克·牛顿尚未发表他的任何想法,因此这些想法肯定不可能影响格雷果里。本质上,艾萨克·牛顿和格雷果里是在同一时期研究出微积分的基本思想的,当然,其他数学家也是如此。

大约在1668年复活节前后,格雷果里从意大利返回伦敦。他曾将一本Vera circuli et hyperbolae quadratura寄给克里斯蒂安·惠更斯,并附上一封说明信,表示他多么期待听到克里斯蒂安·惠更斯对此的专家意见。克里斯蒂安·惠更斯没有回复,但在1668年7月发表了一篇对该工作的评论。在评论中,他提出了一些反对意见,并声称其中一些结果是他最先证明的。一方面,格雷果里在伦敦度过的夏季几个月颇有收获,尤其是通过他与约翰·柯林斯的友谊。那是一段数学迅速发展的时期,格雷果里发现,约翰·柯林斯凭借其对最新进展的了解,对他极有帮助。另一方面,他对克里斯蒂安·惠更斯的评论感到不安,他认为这些评论暗示克里斯蒂安·惠更斯在指责他未经致谢就窃取了自己的结果。

这两位伟大的数学家竟然陷入争论,确实很不幸,尽管话虽如此,值得注意的是,在当时争论很常见,尤其是关于优先权的争论。以今天对所涉数学的理解来回顾这场争论,我们可以说,克里斯蒂安·惠更斯暗示格雷果里窃取了他的成果,这当然是不公平的。格雷果里独立证明了这些结果,而克里斯蒂安·惠更斯本应意识到格雷果里不可能知道它们。然而,克里斯蒂安·惠更斯对格雷果里证明的主要数学反对意见是有道理的。尽管这部文本以及[16]中有出色的工作,Scriba展示了格雷果里距离作出进一步重大发现有多么接近。他写道[16]:-

显然格雷果里无法预见他构造中隐藏的后果。但他对它们将引向何处有一种准确无误的直觉……

这场争论还有另一个不幸的后果,即格雷果里变得不那么热衷于公布他做出数学发现的方法,因此,直到20世纪30年代Turnbull在圣安德鲁斯的图书馆里查阅格雷果里的论文时,格雷果里发现的全部辉煌才为人所知。

我们现在可以确定,在1668年夏天,格雷果里已经完全熟悉sin、cos和tan的级数展开。他还确立了

  secxdx=log(secx+tanx)\int   \sec x dx = \log(\sec x + \tan x)

这解决了航海表编制中一个长期存在的问题。他发表Exercitationes Geometricae作为对克里斯蒂安·惠更斯的反击。尽管他在这篇小论著中没有公开自己的方法,但他讨论了包括各种级数展开、对数函数的积分以及其他相关思想在内的主题。

同样在1668年夏天他在伦敦期间,格雷果里参加了皇家学会的会议,并于当年6月11日被选为学会会士。他向学会提交了关于各种主题的多篇论文,包括天文学、引力和力学。我们已经提到,Robert Moray是皇家学会的成员,格雷果里与他关系友好。Moray是斯格特会士,也是圣安德鲁斯的毕业生。几乎可以肯定,正是通过Moray,查理二世被说服在圣安德鲁斯设立钦定数学讲席,主要是为了让格雷果里有一个可以继续其杰出数学研究的职位。

格雷果里于1668年末抵达圣安德鲁斯。与其他教授不同,他并未隶属于任何学院,而是被安排在大学图书馆的上厅作为工作场所。这是唯一不属于任何学院的大学建筑,因此是这位无归属教授唯一可能的工作地点。格雷果里发现圣安德鲁斯持古典观念,最新的数学工作完全不为人知。1669年,抵达圣安德鲁斯后不久,格雷果里与寡妇玛丽·詹姆森结婚。他们育有两个女儿和一个儿子。格雷果里去世后,她第三次结婚。

玛丽·詹姆森的父亲乔治·詹姆森是一位杰出的苏格兰肖像画家。你可以在THIS LINK看到他为她画的肖像。

在圣安德鲁斯期间,格雷果里每周作两次公开讲座,但反响不佳:——

……我常常被极大的无礼所困扰:这里的所有人都对这些事情一无所知,令人惊叹。

格雷果里在担任钦定讲席的六年间,完成了许多重要的数学和天文学工作。他通过与约翰·柯林斯通信来了解当前的研究进展。格雷果里保存了约翰·柯林斯的所有信件,并在约翰·柯林斯来信的背面写下了自己的笔记。这些至今仍保存在圣安德鲁斯大学图书馆中,生动地记录了他那个时代最杰出的数学家之一是如何做出发现的。

约翰·柯林斯伊萨克·巴罗的书寄给格雷果里,收到后不到一个月,格雷果里就在扩展其中的思想,并将具有重大意义的结果寄给约翰·柯林斯。1671年2月,他发现了泰勒级数(直到1715年才由布鲁克·泰勒发表),该定理包含在1671年2月15日寄给约翰·柯林斯的一封信中。格雷果里在发现这一结果时所做的笔记仍然存在,写在一封1671年1月30日爱丁堡书商寄给格雷果里的信的背面。约翰·柯林斯回信说艾萨克·牛顿发现了类似的结果,格雷果里决定等到艾萨克·牛顿发表后再印刷。他仍然对与克里斯蒂安·惠更斯的争执感到不快,当然也不希望卷入与艾萨克·牛顿的类似争执。

一根海鸟的羽毛使格雷果里在圣安德鲁斯工作期间又做出了一项具有根本重要性的科学发现。这根羽毛成了第一个衍射光栅,但格雷果里对艾萨克·牛顿的尊重再次阻止了他在这项工作上走得更远。他写道:-

让阳光通过一个小孔射入暗室,在小孔处放一根羽毛(为此目的,越精致、越白越好),它便会在对面的白墙或纸上投射出若干小圆圈和椭圆形(如果我没弄错的话),其中一个是略白的(即正对太阳的中间那个),其余则各自带有颜色。我很想听听艾萨克·牛顿先生对此的看法。

图书馆的楼上房间朝南视野开阔,是格雷果里架设望远镜的绝佳位置。格雷果里把他的摆钟挂在同一扇窗户旁的墙上。这座钟由伦敦的Joseph Knibb制作,购于1673年。克里斯蒂安·惠更斯于1656年为摆钟的想法申请了专利,他阐述摆的理论的著作于1673年出版,正是格雷果里购买他的钟的那一年。

1674年,格雷果里与巴黎的同事合作,对一次月食进行同步观测,他首次能够计算出经度。然而,他已经开始着手建造天文台。1673年,大学允许格雷果里为天文台购买仪器,但告诉他必须提出申请并组织募捐以筹集建造天文台的资金。格雷果里回到阿伯丁,在教堂门外募捐,为建造天文台筹集资金。1673年7月19日,格雷果里写信给皇家天文学家约翰·佛兰斯蒂德,寻求建议。随后他前往英格兰购买仪器。

格雷果里于1674年离开圣安德鲁斯前往爱丁堡。他离开的原因再次描绘出一幅对这位杰出数学家怀有偏见的可悲图景。就任爱丁堡讲席后,格雷果里写道:-

我羞于回答,圣安德鲁斯天文台的事务状况如此糟糕,其原因在于大学的管理者们对数学产生了偏见,因为他们的一些学生发现自己的课程和口授内容与他们所学的数学相抵触,便嘲笑他们的老师,并公开嘲弄其中一些人。此后,各学院的仆役接到命令,不得在我的观测时侍候我:我的薪水也被扣留,最显赫的学生被强行阻止来见我,违背他们本人和父母的意愿,管理者们劝说他们,说他们的头脑承受不了。

格雷果里成为那里第一位数学讲席教授。然而,他担任该讲席的时间并不长,因为他在就职后几乎整整一年便去世了。在这一年里,他仍在天文学和数学研究方面非常活跃。在后一领域,他对用代数方法解五次方程的问题产生了兴趣,并在丢番图问题上有了一些有趣的发现。他的去世很突然。一天晚上,他正用望远镜向学生展示木星的卫星,这时他中风并失明。几天后他便去世了,年仅36岁。D. T. 怀特塞德在[1]中写道:-

尽管格雷果里才华横溢,未来成就可期,但他未能活到做出本可让他声名远扬的重大发现。当他通过约翰·柯林斯得知艾萨克·牛顿在微积分和无穷级数方面的进展时,他不愿发表自己的“几何与分析中的若干普遍方法”,为此在身后付出了沉重代价……

我们在本文中提到了许多归功于格雷果里的卓越思想。然而,我们现在总结这些贡献及其他贡献,希望尽管他不愿发表自己的方法,他的非凡贡献确实能得到更广泛的理解:格雷果里早在1670年就独立于艾萨克·牛顿发现了插值公式和一般二项式定理;他比布鲁克·泰勒早四十多年发现了布鲁克·泰勒级数;他解决了约翰内斯·开普勒的著名问题,即如何用一条通过直径上给定点的直线按给定比例分割半圆(他的方法是将布鲁克·泰勒级数应用于一般摆线);他给出了最早的收敛比较判别法例子之一,本质上给出了奥古斯丁·路易·柯西的比值判别法,并包含对余项的理解;他给出了一个积分定义,其一般性与波恩哈德·黎曼所给出的本质上一样;他对微分方程所有解(包括奇解)的理解令人印象深刻;他似乎是第一个试图证明π和ee不是代数方程解的人;他知道如何用系数表示代数方程根的nn次幂之和;而他在给约翰·柯林斯的最后一封信中的一句话表明,他已开始意识到次数大于四的代数方程不能用根式求解。

一块纪念格雷果里的牌匾被安放在圣安德鲁斯曾容纳他天文台的建筑墙上。
你可以在THIS LINK看到它。

格雷果里用来安装望远镜的支架仍在他天文台的窗外。
你可以在THIS LINK看到它。

参考文献

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