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数学家传记

雅克·阿达马Jacques Hadamard

出生
1865年12月8日 法国凡尔赛
逝世
1963年10月17日 法国巴黎

雅克·阿达马是一位法国数学家,其最重要的成果是1896年证明的素数定理。该定理指出,小于n的素数个数以与n/log_e n相同的速度趋于无穷大。

完整传记

雅克·阿达马的父亲Amédée 阿达马于1864年6月6日与Claire Marie Jeanne Picard结婚。Amédée 阿达马出身犹太家庭,是一名教师,教授古典文学、语法、历史和地理等多门科目,而阿达马的母亲则在家中教授私人钢琴课。阿达马出生时,Amédée在凡尔赛的帝国中学任教,但当阿达马三岁时,父亲在查理曼中学谋得职位,全家便搬到了巴黎。

对一个孩子来说,在巴黎长大正值一个不幸的时期。1870年7月19日开始的普法战争对法国来说进展不利,1870年9月19日普鲁士人开始围攻巴黎。对城中居民来说这是一个绝望的时期,他们杀死自己的马、猫和狗作为食物。阿达马的家庭和许多其他家庭一样,吃大象肉以求生存。巴黎于1871年1月28日投降,1871年5月10日签署的《法兰克福条约》对法国来说是一种屈辱。在投降和签署条约之间,巴黎实质上发生了一场内战,Hadamard家的房子被烧毁。

战争并不是哈达玛一家悲伤的唯一原因。阿达马的妹妹Jeanne于1870年在巴黎围城之前去世,另一个妹妹Suzanne生于1871年,于1874年去世。

阿达马在查理曼中学开始上学,他的父亲在那里教书。在学校的最初几年里,他除了数学之外的所有科目都很好。他尤其擅长希腊语和拉丁语。他在1936年写道:-

……在算术方面,直到五年级,我都是最后一名或接近最后一名。

他的这一说法并不准确,因为尽管起初他在算术方面确实较弱,但到五年级时,他在中学里已是班上第二名。到这时(1875年),他已在许多科目的全国中学生竞赛Concours Général中获奖。正是在这个五年级,一位优秀的数学教师将他引向了数学和科学。

1875年,阿达马的父亲因作为教师名声不佳而被调往路易大帝中学,阿达马从1876年起就读于这所学校。1882年他毕业于Bachelier ès lettres et ès sciences,次年获得Baccalauréat ès sciences。他在1883年的Concours Général中获得代数一等奖和力学一等奖。

1884年,阿达马参加了巴黎综合理工学院和巴黎高等师范学院的入学考试;他在两场考试中都名列第一。他选择了巴黎高等师范学院,在那里他很快与包括皮埃尔·杜埃姆保罗·潘勒韦在内的同学成为了朋友。他的老师中有于乐·达奈希夏尔·埃尔米特让·加斯东·达布保尔·阿佩尔爱徳华·古尔萨埃米尔·皮卡。在这个阶段,他就开始进行研究,探讨由幂级数的系数生成的行列式的估计问题。他于1888年10月30日从巴黎高等师范学院毕业。

在攻读博士学位期间,他担任学校教师。起初,他被分配到卡昂中学,但没有教学任务。从1889年6月起,他在圣路易中学任教,然后从1890年9月起在布丰中学任教三年。尽管他的研究进展极好,但他的教学却不太受赏识,可能是因为他对学生的要求超出了他们的能力。他的一大成功是教了莫里斯·弗雷歇,两人通信约九年。

阿达马于1892年获得博士学位,其学位论文研究由布鲁克·泰勒级数定义的函数。这项关于复变量函数的工作是最早考察解析函数一般理论的工作之一,特别是他的学位论文包含了关于奇点的第一部一般性工作。

同年,阿达马因其论文Determination of the number of primes less than a given number而获得数学科学大奖。奖项提出的主题涉及填补波恩哈德·黎曼关于ζ函数的工作中的空白,是由夏尔·埃尔米特考虑到他的朋友汤姆斯·斯蒂尔吉斯而提出的。汤姆斯·斯蒂尔吉斯在1885年声称证明了黎曼假设,但从未发表他的“证明”,并且在1890年奖项主题公布后,汤姆斯·斯蒂尔吉斯在他的“证明”中发现了一个他无法填补的空白。他从未提交参赛作品,但阿达马在他的学位论文提交和口试之间意识到他的结果可以应用于zeta函数。他关于整函数和zeta函数的论文获得了一等奖。

1892年对阿达马来说,除了上述学术成就外,也是重要的一年。那年6月,他与Louise-Anna Trénel结婚,她像阿达马一样有犹太背景。他们从小相识,并共同热爱音乐。第二年,当阿达马被任命为波尔多大学讲师时,他们搬到了波尔多。如果说他在布丰中学作为教师未能达到标准,那么现在情况远非如此,因为他以研究和教学技能给每个人留下了深刻印象。1896年2月1日,他被任命为波尔多大学天文学和理性力学教授。

他在波尔多度过的这四年,不仅因家庭生活而忙碌——在此期间两个儿子Pierre和Étienne出生——而且对阿达马的研究来说也是极其多产的时期。他在这四年里发表了29篇论文,但这些论文之所以引人注目,更多是因为其深度和所涵盖主题的广泛,而非数量。也许他在这段时间证明的最重要成果是他在1896年证明的素数定理。该定理指出:-

不超过nn的素数个数当nlogen\Large\frac{ n}{\log_e n}时趋于∞。

这个定理在18世纪就被猜想出来,但直到1896年才被证明,当时阿达马和(独立地)夏尔-让·德拉瓦莱·普桑使用了复分析。该证明的轮廓由波恩哈德·黎曼在1851年给出,但当时必要的工具尚未发展出来。这个问题是从1851年到1896年复分析发展的主要动力之一,直到波恩哈德·黎曼所勾勒的证明最终完成。

解决这个重要的未解决问题并不是阿达马在1896年唯一的杰出贡献。同年,他发表了一篇关于动力学轨迹性质的论文,获得了科学院的博尔丁奖。该奖项提出的主题是关于测地线的,而阿达马在研究曲面上质点轨迹方面的工作导致了某些非线性微分方程,其解也给出了测地线的性质。因此,他的工作是对几何学和动力学的一大贡献。

阿达马在波尔多期间发表的另一个结果是他1893年著名的行列式不等式。其行列式满足该关系中等式的矩阵今天被称为Hadamard matrices,在积分方程理论、编码理论和其他领域中很重要。

阿达马在波尔多期间首次涉足政治。Alfred Dreyfus的妻子是阿达马的亲戚,他来自阿尔萨斯。马克斯·玻恩一个犹太家庭,Dreyfus开始了军事生涯。1894年,当他在陆军部时,他被指控向德国人出售军事机密,并被判处终身监禁。尽管他的审判极不规范,但许多人的反犹观点使这一判决广受欢迎。伪造的文件和掩盖行为很快表明,法律程序存在疑点。起初,阿达马和许多人一样,认为Dreyfus有罪。然而,在1897年搬到巴黎后,他开始发现针对Dreyfus的证据是如何被伪造的。他成为试图纠正这一不公正行为的主要成员之一。保罗·潘勒韦描述了他在1897年就此事与阿达马的一次谈话(例如见[6]):-

在将近一个小时里,阿达马试图说服我德雷福斯是无辜的,最后,面对我的怀疑,他尽力让我理解他论点的内在价值以及他完全缺乏激情和多愁善感……他把自己的信念建立在事实之上。

1898年,小说家埃米尔·左拉写了一封公开信,指控军队掩盖其对德雷福斯的错误定罪。此案将法国分裂成两个对立的阵营,引发的问题远远超出德雷福斯有罪或无罪本身。有人要求将左拉绳之以法,反犹骚乱爆发,还有人请愿要求重审德雷福斯。左拉被判处一年监禁并罚款3000法郎。到1899年,已有人供认伪造文件,随后又有一人自杀,德雷福斯获得重审,再次被判有罪,但获得赦免。阿达马积极参与为德雷福斯洗清罪名,这一目标最终于1906年7月22日实现,德雷福斯恢复职务并被授予荣誉军团勋章。洛朗·施瓦茨写道(例如见[27]):-

正是德雷福斯事件,从捍卫正义的意义上说,是阿达马一生中的重大事件。从他理解到以国家利益为名对一个人犯下的不义之巨大,以及反犹主义可能造成的后果那一刻起,他就热情地投身于对该案审判的复审。这一事件标志了他的一生。

早在德雷福斯事件结束之前,正如我们已经指出的,阿达马已从波尔多迁往巴黎。1897年,他辞去在波尔多的讲席,接受较低的职位,一个在索邦大学理学院,一个在法兰西公学院。1897年10月抵达巴黎后不久,他出版了Leçons de Géométrie Elémentaire(初等几何教程)的第一卷。这一关于二维几何的卷册于1898年问世,随后于1901年出版了关于三维几何的第二卷。这部著作是应让·加斯东·达布之请而作,后来对法国的数学教学产生了重大影响。

阿达马因过去十年的研究成果于1898年获得让-维克托·彭赛列奖。从他在巴黎任职时起,他的研究更多地转向数学物理,但他总是强烈主张自己是一名数学家,而不是物理学家。他认为正是他工作的严谨性使其成为数学。特别是,他研究数学物理的偏微分方程,产生了极其重要的结果。他1898年关于负曲率曲面测地线的著名工作奠定了符号动力学的基础。他考虑的主题包括弹性、几何光学、流体动力学和边值问题。他引入了适定初值和边值问题的概念。

阿达马在巴黎的头五年又出生了三个孩子,先是另一个儿子马蒂厄,然后是两个女儿塞西尔和杰奎琳。他继续因研究而获奖,并在1906年进一步获得荣誉,当选为法国数学会主席。1909年,他被任命为法兰西学院力学讲席。次年,他出版了Leçons sur le calcul des variations(变分法教程),这有助于奠定泛函分析的基础(他引入了functional一词)。然后在1912年,他被任命为巴黎综合理工学院分析学教授,接替卡米耶·若尔当

儒勒·昂利·庞加莱曾大力支持阿达马获得这一讲席,但几个月内,他就去世了,年仅58岁,令人悲痛。阿达马随后承担了考察儒勒·昂利·庞加莱著作这一极其艰巨的任务,到1912年夏末,他已写出两篇重要文章。正如保罗·莱维所写:-

必须得是阿达马才敢于承担阐述[儒勒·昂利·庞加莱]涉及如此多不同领域的全部巨著,并在一个夏天内完成。

1912年末,阿达马当选为科学院院士,接替儒勒·昂利·庞加莱。他后来写道,从结婚时开始的多年“纯粹快乐”,在1916年结束了。正是第一次世界大战给阿达马带来了巨大的悲剧,他的两个年长的儿子在战斗中阵亡。两人都在凡尔登阵亡,而皮埃尔阵亡时,阿达马正在罗马讲学。他在收到消息前就离开了,尽管基诺·法诺维多·沃尔泰拉的妻子和其他人尽力把消息传给他,但他直到回到巴黎才发现。大约两个月后,艾蒂安在凡尔登附近阵亡。

阿达马只知道一种方法,足以将这些悲剧的痛苦推开,让他得以继续前行,那就是更加精力充沛地投身于数学。1920年,他被任命为保尔·阿佩尔在中央学校的分析讲席,但保留了他在巴黎综合理工学院和法兰西公学院的职位。从被任命到1933年间的这些年里,他广泛旅行,两次访问美国,还有西班牙、捷克斯洛伐克、意大利、瑞士、巴西、阿根廷和埃及。

他继续产出最高质量的著作和论文,于1922年出版了他或许最著名的著作Lectures on Cauchy's problem in linear partial differential equations。这本书基于他在美国耶鲁大学讲授的一门课程。他还涉足新的课题,撰写了数篇关于概率论的论文,特别是关于马尔可夫链的论文。他还发表了许多关于数学教育以及一般教育的文章。

两次世界大战之间,阿达马的政治立场转向左翼,主要是对1933年纳粹上台的回应。第二次世界大战开始后,1940年法国沦陷,阿达马及其家人逃往美国,他在哥伦比亚大学获得了一个访问职位。然而,他未能在美国找到永久职位,并于1944年收到可怕的消息:他的第三个儿子Mathieu在战争中阵亡。阿达马不久后离开美国,在英国待了一年,战争结束后便尽快返回巴黎。

战后,他成为积极的和平运动者,需要美国数学家的强力支持,他才得以进入美国参加1950年在马萨诸塞州剑桥举行的国际数学家大会。他被选为大会名誉主席。

在他去世前,还有一场悲剧降临到阿达马身上。1962年,当他96岁时,他的孙子Étienne在一次登山事故中丧生。这似乎最终击垮了阿达马的精神,此后他不再离开家门,几乎是在等待死亡。

在[3]中,人们致以如下悼词:-

阿达马不仅是科学院的元老——他于1912年12月当选为该院院士,填补儒勒·昂利·庞加莱去世后留下的席位——而且是整个法兰西学会的元老。去年12月,人们正式向他赠送了一枚特别铸造的金质奖章,以纪念他当选该院院士五十周年,世界各地的科学家都向他致敬。

这样一篇文章无论如何也无法表明阿达马数学贡献的范围。除了约300篇科学论文和书籍外,阿达马还为更广泛的读者写书。他的书The psychology of invention in the mathematical field(1945年)是一部关于数学的精彩著作。然而,我们也应该指出阿达马的教学风格。在庆祝他诞辰一百周年的会议上,他的一位学生说,他曾受教于:-

……一位活跃、生动的老师,他的推理既精确又充满活力。因此,讲座变成了一场斗争和一次冒险。在没有严谨性受损的情况下,直觉的重要性被重新赋予我们,较好的学生感到欣喜。

洛朗·施瓦茨在庆祝阿达马诞辰一百周年的这个仪式上谈到了阿达马:-

我相信他对他的时代产生了巨大的影响,所有在世的分析学家都直接或间接地受他塑造。

参考文献

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