数学史 · 中文镜像

数学家传记

约瑟夫·拉格朗日Joseph-Louis Lagrange

出生
1736年1月25日 撒丁-皮埃蒙特都灵(今意大利)
逝世
1813年4月10日 法国巴黎

约瑟夫·拉格朗日是一位意大利出生的法国数学家,在分析、数论以及分析力学和天体力学等所有领域都有卓越成就。

完整传记

约瑟夫·拉格朗日通常被认为是法国数学家,但意大利百科全书[40]称他为意大利数学家。他们这一说法当然有一定依据,因为拉格朗日出生于都灵,并以Giuseppe Lodovico Lagrangia之名受洗。拉格朗日的父亲是Giuseppe Francesco Lodovico Lagrangia,曾任都灵公共工程与防御工事办公室的财务主管,而他的母亲Teresa Grosso是来自都灵附近Cambiano的一位医生的独生女。拉格朗日是他们11个孩子中的长子,但只有两个孩子活到成年。

都灵曾是萨伏依公国的首都,但在1720年成为撒丁王国的首都,那是在拉格朗日出生前十六年。拉格朗日的家族在父系方面有法国渊源,他的曾祖父是一位法国骑兵上尉,离开法国为萨伏依公爵效力。拉格朗日始终倾向于自己的法国血统,因为年轻时他会署名Lodovico LaGrange或Luigi Lagrange,使用其姓氏的法语形式。

尽管拉格朗日的父亲在撒丁国王的麾下担任着相当重要的职务,但家境并不富裕,因为拉格朗日的父亲在几次失败的金融投机中损失了大笔钱财。父亲为拉格朗日规划了一条律师的职业道路,而拉格朗日似乎也心甘情愿地接受了这一安排。他在都灵学院学习,最喜欢的科目是古典拉丁语。起初他对数学并无太大热情,觉得希腊几何相当枯燥。

拉格朗日对数学的兴趣始于他读到爱德蒙·哈雷1693年关于代数在光学中应用的著作。他还因Beccaria在都灵学院的出色教学而对物理产生兴趣,并决定以数学为业。也许数学界要感谢拉格朗日的父亲不稳健的金融投机,因为拉格朗日后来声称:-

如果我富有,我大概不会献身于数学。

他确实投身于数学,但很大程度上是自学成才,没有机会师从顶尖数学家学习。1754年7月23日,他发表了自己的第一部数学作品,其形式是一封用意大利语写给法尼亚诺的信。也许最令人惊讶的是拉格朗日发表这篇论文时所用的名字,即Luigi De la Grange Tournier。这部作品并非杰作,在一定程度上显示出拉格朗日是在没有数学导师指导的情况下独自工作的。该论文将二项式定理与函数乘积的逐次导数进行了类比。

在用意大利文写成论文发表之前,拉格朗日曾用拉丁文写信将结果寄给当时在柏林工作的莱昂哈德·欧拉。然而论文发表后的一个月,拉格朗日发现这些结果出现在约翰·伯努利哥特弗里德·威廉·莱布尼茨的通信中。拉格朗日对这一发现极为不安,因为他担心被扣上抄袭他人成果的骗子之名。然而这个算不上出色的开端只是使拉格朗日加倍努力,以在数学上做出真正有价值的成果。他开始研究等时曲线,即一个受重粒子无论初始position如何,总会在相同时间内到达固定点所沿的曲线。到1754年底,他在等时曲线上已有一些重要发现,这些发现将极大地促进变分法这一新学科(数学家们已开始研究它,但直到1766年莱昂哈德·欧拉如此称呼它之前,它并未获得“变分法”这一名称)。

拉格朗日将他在等时曲线上的结果连同其极大极小方法寄给了莱昂哈德·欧拉。他的信写于1755年8月12日,莱昂哈德·欧拉于9月6日回信,对拉格朗日的新思想赞叹不已。尽管拉格朗日当时年仅19岁,他仍于1755年9月28日被任命为都灵皇家炮兵学校的数学教授。这是当之无愧的,因为这位年轻人已向数学界展示了他思想的独创性和伟大才华的深度。

1756年,拉格朗日将他在将变分法应用于力学方面所获得的结果寄给了莱昂哈德·欧拉。这些结果推广了莱昂哈德·欧拉本人所获得的结果,莱昂哈德·欧拉就这位非凡的年轻数学家咨询了柏林科学院院长皮埃尔·莫佩尔蒂。拉格朗日不仅是一位杰出的数学家,而且还是最小作用量原理的坚定倡导者,因此皮埃尔·莫佩尔蒂毫不犹豫地试图吸引拉格朗日到普鲁士任职。他与莱昂哈德·欧拉商定,让拉格朗日知道这个新职位将比他目前在都灵所担任的职位显赫得多。然而,拉格朗日并不追求显赫,他只想能够将时间奉献给数学,于是他羞怯而礼貌地拒绝了这一职位。

莱昂哈德·欧拉还提名拉格朗日参选柏林科学院,他于1756年9月2日正式当选。次年,拉格朗日成为都灵一个科学学会的创始成员,该学会后来成为Royal Academy of Sciences of Turin。这个新学会的主要职责之一是出版一份科学期刊Mélanges de Turin,以法文或拉丁文发表文章。拉格朗日是Mélanges de Turin最初几卷的主要撰稿人,其第1卷于1759年出版,第2卷于1762年出版,第3卷于1766年出版。

拉格朗日在这些学报上发表的论文涵盖了多种主题。他发表了自己关于变分法的优美结果,以及一篇关于calculus of probabilities的短作。在一篇关于动力学基础的工作中,拉格朗日将他的展开建立在最小作用量原理和动能之上。

Mélanges de Turin中,拉格朗日还对声音的传播做了重要研究,对振动弦理论作出了重要贡献。他广泛阅读了这方面的文献,并且显然深入思考过艾萨克·牛顿丹尼尔·伯努利布鲁克·泰勒莱昂哈德·欧拉让·勒朗·达朗贝尔的著作。拉格朗日为他的振动弦使用了离散质量模型,他取该模型由nn个质量通过无重量的弦连接而成。他求解了由此得到的n+1n+1微分方程的方程组,然后让nn趋于无穷,以得到与莱昂哈德·欧拉曾得到的相同的函数解。然而,他通向解的不同路径表明,他是在寻找不同于莱昂哈德·欧拉的方法,而拉格朗日对莱昂哈德·欧拉极为尊敬。

在发表于第三卷的论文中,拉格朗日研究了微分方程的积分,并对诸如流体力学(他在其中引入了拉格朗日函数)等主题作了各种应用。其中还包含求解线性微分方程组的方法,这些方法首次使用了线性代换的特征值。他应用自己方法的另一个问题是研究木星和土星的轨道。

巴黎的Académie des Sciences于1762年宣布了其1764年的悬赏竞赛。题目是关于月球的秤动,即使月球朝向地球的那一面发生摆动、从而导致月球特征位置发生微小变化的运动。拉格朗日参加了竞赛,于1763年将参赛作品寄往巴黎,作品在拉格朗日本人到达前不久抵达那里。同年11月,他离开都灵开始第一次长途旅行,陪同Caraccioli侯爵——一位从那不勒斯驻都灵职位调往伦敦职位的大使。拉格朗日在参赛作品被收到后不久抵达巴黎,但在那里生病了,没有与大使一同前往伦敦。让·勒朗·达朗贝尔对像拉格朗日这样优秀的数学家没有得到更多荣誉感到不安。他代表拉格朗日写道[1]:-

de la Grange先生,一位来自都灵的年轻几何学家,已经在这里待了六周。他病得相当严重,他需要的不是经济援助——因为Caraccioli侯爵在动身前往英格兰时已指示不应让他缺少任何东西——而是来自他祖国的一些关注表示……都灵在他身上拥有一件或许它并不知道其价值的珍宝。

1765年初回到都灵后,拉格朗日于同年晚些时候参加了1766年关于木星卫星轨道的Académie des Sciences悬赏竞赛。让·勒朗·达朗贝尔曾访问过柏林科学院,并与普鲁士的腓特烈二世交好,他安排向拉格朗日提供一个柏林科学院的职位。尽管拉格朗日在都灵的地位没有改善,他再次拒绝了这一提议,写道:-

在我看来,只要M 莱昂哈德·欧拉在那里,柏林就完全不适合我。

到1766年3月,让·勒朗·达朗贝尔得知莱昂哈德·欧拉即将返回圣彼得堡,于是再次写信给拉格朗日,鼓励他接受柏林的职位。腓特烈二世于4月将这一慷慨提议的全部细节寄给了他,拉格朗日最终接受了。他于8月离开都灵,在巴黎拜访了让·勒朗·达朗贝尔,然后在伦敦拜访了Caraccioli,之后于10月抵达柏林。1766年11月6日,拉格朗日接替莱昂哈德·欧拉担任柏林科学院的数学主任。

拉格朗日受到科学院大多数成员的热烈欢迎,他很快与兰伯特约翰·伯努利三世成为亲密朋友。然而,并非所有人都乐见这位年轻人身居如此显赫的职位,尤其是Castillon,他比拉格朗日年长32岁,认为自己才应该被任命为数学部主任。抵达柏林不到一年,拉格朗日便与表妹Vittoria Conti结婚。他写信给让·勒朗·达朗贝尔:-

我的妻子,她是我的一位表妹,甚至曾长期与我的家人同住,是一位非常好的家庭主妇,毫无架子。

他们没有孩子,事实上拉格朗日在这封信中告诉让·勒朗·达朗贝尔,他不想要孩子。

都灵一直为失去拉格朗日而遗憾,并不时有人提议让他回去,例如1774年。然而,拉格朗日在柏林工作了20年,源源不断地产出顶级质量的论文,并经常赢得巴黎Académie des Sciences的奖项。他与莱昂哈德·欧拉分享了1772年关于三体问题的奖项,赢得了1774年的奖项,另一个关于月球运动的奖项,并且赢得了1780年关于行星对彗星轨道摄动的奖项。

他在柏林的工作涵盖了许多主题:天文学、太阳系的稳定性、力学、动力学、流体力学、概率论以及微积分的基础。他还从事数论的研究,于1770年证明了每个正整数都是四个平方数之和。1771年,他证明了约翰·威尔逊的定理(最初由爱德华·华林提出但未加证明),即nnprime当且仅当(n1)!+1(n -1)! + 1能被nn整除。1770年,他还提交了他的重要著作Réflexions sur la résolution algébrique des équations (关于方程代数解的思考),该著作对为何次数不超过4的方程可以用根式求解进行了基础性研究。这篇论文首次将方程的根视为抽象量,而非具有数值的量。他研究了根的排列,尽管他在论文中没有复合置换,但这可以被视为group theory发展的第一步,随后由保罗·鲁菲尼埃瓦里斯特·伽罗瓦奥古斯丁·路易·柯西继续推进。

拉格朗日对力学做出了众多重大贡献,但尚未写出一部综合性著作。他决定写一部包含自己贡献的权威著作,并于1782年9月15日写信给皮埃尔·西蒙·拉普拉斯:-

我几乎完成了《Traité de mécanique analytique》(分析力学论),它完全基于虚速度原理;但由于我还不知道何时何地能够付印,所以并不急于做最后的润色。

Caraccioli此时已在西西里,他希望看到拉格朗日回到意大利,并于1781年安排那不勒斯宫廷向他发出邀请。被授予那不勒斯科学院哲学主任一职,拉格朗日拒绝了,因为他只想要安宁来做数学,而柏林的职位为他提供了理想的条件。在柏林的岁月里,他的健康状况多次相当糟糕,而他妻子的健康更差。她在多年病痛后于1783年去世,拉格朗日非常抑郁。三年后腓特烈二世去世,拉格朗日在柏林的地位变得不那么愉快。许多意大利邦国看到了机会,试图引诱他回意大利。

然而,对拉格朗日最具吸引力的提议并非来自意大利,而是来自巴黎,并包含一项条款,意味着拉格朗日无需教学。1787年5月18日,他离开柏林,成为巴黎Académie des Sciences的成员,并在那里度过了余下的职业生涯。拉格朗日在法国大革命中幸存下来,而其他人则未能幸免,这在一定程度上可能归因于他多年前所表达的态度,他写道:

我认为,一般来说,每个智者的首要原则之一就是严格遵守他所居住国家的法律,即使这些法律不合理。

拉格朗日在柏林撰写的Mécanique analytique(分析力学)于1788年出版。它已获Académie des Sciences的一个委员会批准出版,该委员会由皮埃尔·西蒙·拉普拉斯、Cousin、阿德里安-马里·勒让德尼古拉·德·孔多塞组成。阿德里安-马里·勒让德担任该著作的编辑,负责校对和其他工作。Mécanique analytique总结了自艾萨克·牛顿时代以来力学领域的所有工作,并因其运用微分方程理论而著称。通过这部著作,拉格朗日将力学转变为数学分析的一个分支。他在序言中写道:

在这部著作中找不到图形。我所阐述的方法既不需要作图,也不需要几何或力学论证,只需要代数运算,遵循规则而统一的进程。

1790年5月,拉格朗日成为Académie des Sciences负责统一度量衡的委员会成员。他们致力于公制,并提倡十进制。拉格朗日于1792年第二次结婚,妻子是Renée-Françoise-Adélaide Le Monnier,他是他在Académie des Sciences的一位天文学家同事的女儿。他当然并非不受政治事件的影响。1793年,恐怖统治开始,Académie des Sciences与其他学术团体一起于8月8日被取缔。度量衡委员会是唯一被允许继续存在的,当化学家Lavoisier、让-夏尔·德博尔达皮埃尔·西蒙·拉普拉斯夏尔·奥古斯丁·德·库仑Brisson让·巴蒂斯特·约瑟夫·德朗布尔等人被逐出委员会时,拉格朗日成为了其主席。

1793年9月,通过了一项法律,下令逮捕所有出生在敌国的外国人,并没收其全部财产。Lavoisier代表拉格朗日进行了干预,后者确实符合该法律的规定,并获得了豁免。1794年5月8日,经过不到一天的审判,一个革命法庭判处曾使拉格朗日免于逮捕的Lavoisier及其他27人死刑。Lavoisier在审判当天下午被送上断头台,拉格朗日在Lavoisier去世时说:

只需片刻就能让这颗头颅落下,而一百年也不足以产生一个与之相媲美的人。

巴黎综合理工学院成立于1794年3月11日,并于1794年12月开学(尽管在其成立的第一年被称为中央公共工程学院)。拉格朗日是该校首位分析学教授,于1794年开学时受聘。1795年,巴黎高等师范学院成立,旨在培养学校教师。拉格朗日在那里教授初等数学课程。我们上文提到,拉格朗日的合同中写有“不教学”条款,但大革命改变了情况,拉格朗日被要求授课。然而,他并不是一位好讲师,因为1795年在巴黎高等师范学院听过他课的约瑟夫·傅里叶写道:

他的声音非常微弱,至少他不会变得激动;他有很重的意大利口音,把s发成z……学生们,其中大多数无法欣赏他,对他不太欢迎,但教授们弥补了这一点。

同样,1799年在巴黎综合理工学院听过他课的Bugge写道:

……这位伟人所说的任何话都值得最高程度的考虑,但他对年轻人来说太抽象了。

拉格朗日出版了两卷微积分讲义。1797年,他出版了第一部实变量函数理论,即Théorie des fonctions analytiques(《解析函数理论》),尽管他未能对收敛性问题给予足够关注。他指出,这部著作的目的是给出:

……微分学的原理,摆脱了对无穷小量或消失量、极限或流数的一切考虑,被归结为有限量的代数分析。

他还指出:——

代数的通常运算足以解决曲线论中的问题。

然而,并非所有人都认为拉格朗日处理微积分的方法是最好的,例如de Prony在1835年写道:——

拉格朗日的微积分基础无疑是人们可以称之为纯哲学研究的一个非常有趣的部分:但是,当问题在于使超越分析成为探索天文学、海洋工程、大地测量学以及工程师的不同科学分支所提出的问题的工具时,对无穷小的考虑以一种更恰当、更迅速、更直接适应问题性质的方式导向目标,这就是莱布尼茨方法在法国学校中普遍盛行的原因。

拉格朗日关于这一主题的第二部著作Leçons sur le calcul des fonctions(《函数计算教程》)于1800年问世。

1808年,拿破仑授予拉格朗日荣誉军团勋章和帝国伯爵爵位。1813年4月3日,他被授予留尼汪帝国勋章大十字勋章。一周后他去世了。

参考文献

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延伸资源

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