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数学家传记

乔治·波利亚George Pólya

出生
1887年12月13日 匈牙利布达佩斯
逝世
1985年9月7日 美国加利福尼亚州帕洛阿尔托

乔治·波利亚从事概率论、分析、数论、几何学、组合学和数学物理研究。

完整传记

乔治·波利亚的父母是Anna Deutsch和Jakab 波利亚,两人都是犹太人。Anna来自一个在布达居住了许多代的家庭,1872年布达、老布达和佩斯三镇行政合并成为布达佩斯市时,她十九岁。也许我们应该稍微谈谈波利亚的姓名,因为情况并不完全像表面那样。事实上,尽管Jakab 波利亚在儿子György(或后来所知的波利亚)出生时姓“波利亚”,但在此前的五年里他一直自称波利亚。在那之前他的名字是Jakab Pollák,但是,为了理解Jakab Pollák为什么改名为波利亚,我们需要看看他的职业生涯以及一点匈牙利历史。

Jakab受过律师训练,经营过自己的律师事务所但失败了,然后为的里雅斯特的Assicurazioni Generali国际保险公司工作。然而他真正想要的是一份大学职位,以便能对他真正感兴趣的学科——即经济学和统计学——进行研究。1867年后,匈牙利在奥匈帝国君主制内获得了充分的内部自治,该国的政治理念是朝着一个在精神和制度上都是马扎尔人的匈牙利国家迈进。对于Jakab Pollák来说,还有什么比把一个听起来像犹太人的名字改成一个听起来真正匈牙利化的名字更好的办法来提高获得大学职位的机会呢?他正是在1882年这样做了,这是否有助于他成功获得布达佩斯大学Privatdozent的任命,无法断言,但他在五十出头去世前不久获得了这样一个职位,当时波利亚十岁。

事实上,尽管波利亚的父母是犹太人,但他在出生后不久就受洗加入了罗马天主教会。这是怎么回事呢?原来Jakab、Anna和他们当时的三个孩子在1886年,即波利亚出生的前一年,从犹太教改信了罗马天主教。

波利亚于1897年去世,留下了妻子Anna(当时44岁)和五个孩子。波利亚有一个哥哥Jenö,父亲去世时他21岁,正在学医;两个姐姐Ilona(比波利亚大10岁)和Flóra(比波利亚大8岁),她们去Assicurazioni Generali保险公司工作以帮助养家;还有一个弟弟Lásló(比波利亚小4岁)。值得指出的是,Jenö热爱数学,一直后悔没有从事这门学科,他在医学界也许正如波利亚在数学界一样知名。然而,Lásló被认为是孩子们中最聪明的,但遗憾的是他在第一次世界大战中阵亡,未能成名。也许考虑到他父亲为进入学术界付出了多少努力,波利亚的母亲竟然催促他继承父亲的律师职业,这有点令人惊讶,但这正是她所做的。

波利亚在布达佩斯上小学,并于1894年获得证书,证书上记载(例如见[2]):-

……勤奋且品行良好。

此后,他进入Dániel Berzsenyi 文理中学(Gymnasium),学习希腊语和拉丁语等古典语言,以及德语等现代语言,当然还有匈牙利语。在学校里,波利亚最喜欢的科目是生物和文学,在后一科目上他获得了“杰出”的成绩,地理和其他科目也是如此。一个后来一生对如此多不同数学分支如此着迷的人,竟然没有在学校爱上这门学科,这相当不寻常,但在波利亚的情况下,这正是所发生的事。他在中学的数学成绩并不特别高,他的几何作业仅被评为“满意”。然而,他的算术成绩确实要好一些。他在数学上缺乏成功的原因很可能归咎于糟糕的教学,他后来将中学的三位数学老师中的两位描述为“可鄙的老师”。

波利亚于1905年进入布达佩斯大学,由他的兄弟Jenö资助,后者当时已是一名外科医生。他开始学习法律,但觉得太无聊,一个学期后就放弃了。然后他学习了两年他最喜欢的学校科目语言和文学,获得了证书,允许他在中学教授拉丁语和匈牙利语。这是一项他引以为豪但从未使用的资格。之后他对哲学产生了浓厚兴趣,但他的教授Bernát Alexander建议他学习物理和数学课程以帮助他理解这门学科,所以最终他被迫学习数学。他说了一句俏皮话,不应认真对待[4]:-

我以为我物理不够好,哲学又太好。数学介于两者之间。

在布达佩斯大学,波利亚的物理由厄特沃什·罗兰教授,数学由费耶尔教授。波利亚说[4]:-

我深受费耶尔的影响,我这一代的所有匈牙利数学家都是如此,事实上,有一两次在一些小事上我与费耶尔合作过。在他的一两篇论文中我有一些评论,他在我的一两篇论文中也做了评论,但这并不是真正深刻的影响。

1910-11学年,波利亚在维也纳大学学习,他通过给当地一位重要显贵的儿子授课来赚钱(他的这个学生显然毫无天赋)。在维也纳,他听了威廉·维廷格弗朗茨·梅滕斯的数学讲座,但对物理学仍保持着浓厚的兴趣,参加了相对论、光学和其他主题的讲座。次年他回到布达佩斯,在那里获得了数学博士学位,他基本上是在没有导师指导的情况下研究了几何概率论中的一个问题。随后,他在1912年和1913年的大部分时间都在哥廷根度过,在那里他与众多顶尖数学家交往,如菲利克斯·克莱因、康斯坦丁·卡拉西奥多里、大卫·希尔伯特卡尔·龙格埃德蒙·朗道赫尔曼·外尔埃里希·赫克理查·科朗特奥托·特普利茨

事实上,波利亚是在相当不幸的情况下离开哥廷根的。他在1921年写给路德维希·比贝尔巴赫的一封信中解释了这一事件(例如见[2]):-

1913年圣诞节,我乘火车从苏黎世前往法兰克福,当时我与一个坐在火车车厢对面的年轻人——关于我掉下来的篮子——发生了口角。我当时情绪过度激动,挑衅了他。当他对我的挑衅没有回应时,我打了他一记耳光。后来才知道,这个年轻人是某位Geheimrat的儿子;他偏偏还是哥廷根的学生。在一些误会之后,我被大学评议会要求离开。

他收到了法兰克福的聘任邀请,但在接受这一聘任之前,他于1914年初前往巴黎短暂访问,会见了埃米尔·皮卡雅克·阿达马,但这次访问并不十分愉快,主要是因为住宿条件糟糕。在波利亚遇到过的众多数学明星中,对他影响最大的数学家是阿道夫·赫维兹。因此,当波利亚在巴黎逗留期间得知阿道夫·赫维兹已为他安排了苏黎世联邦理工学院的Privatdozent职位,而阿道夫·赫维兹本人就在那里担任数学讲席时,波利亚决定接受[4]:-

我……深受阿道夫·赫维兹的影响。事实上,我去苏黎世就是为了靠近阿道夫·赫维兹,从我1914年到达苏黎世到他……1919年去世,我们密切交往了大约六年。我们有一篇合著论文,但这并不是全部。他给我留下了非常深刻的印象,我编辑了他的著作。他的手稿也给我留下了深刻印象。

在苏黎世,除了阿道夫·赫维兹之外,波利亚的同事还有Geiser保罗·贝尔奈斯恩斯特·策梅洛赫尔曼·外尔。当然,他到达苏黎世是在第一次世界大战开始的那一年,但起初这并没有给波利亚带来真正的问题,因为他学生时代所受的足球伤意味着他在医学上不适合在匈牙利军队服役。这对他来说是幸运的,因为此时他已持有坚定的和平主义观点。然而,随着战争的推进,生活变得更加困难,因为匈牙利军队随着战争的进展越来越急需士兵,要求波利亚返回匈牙利,参军并为他的国家而战;他拒绝了。这确实导致了战争结束多年后,波利亚才能回到匈牙利而不必担心因未服兵役而被捕。他取得了瑞士国籍,尽管这并未使他免受匈牙利当局的追究,1918年他与一位瑞士姑娘Stella Vera Weber结婚,她是纳沙泰尔大学物理学教授的女儿。事实上,尽管很难理解他为何等了这么久,波利亚直到1967年才回到匈牙利,距他上一次访问故土已54年。

波利亚大约在1913年在布达佩斯第一次见到加博尔·塞格,当时他在国外各种学习之间回到那里。加博尔·塞格此时是布达佩斯的学生,波利亚与加博尔·塞格讨论了他关于约瑟夫·傅里叶系数的一个猜想。事实上,加博尔·塞格后来证明了波利亚的猜想,这成为他的第一篇出版物。几年后,当波利亚决定写一本分析问题书时,他知道没有帮助就无法完成这项任务,于是他求助于加博尔·塞格,经过多年,两人汇编了一本精彩的问题集。在[4]中,波利亚解释了他为什么以不同于以往的方式传达数学思想:-

我很晚才接触数学。……当我接触数学并对其有所了解时,我想:嗯,事情就是这样,我明白了,证明看起来是确凿的,但人们是如何发现这样的结果的呢?我在理解数学上的困难:它是如何被发现的?

是什么伟大的创新使得波利亚和加博尔·塞格的分析问题集如此与众不同?那是波利亚的想法,即不按主题而是按解题方法来分类问题。波利亚和加博尔·塞格在1923年向出版商Springer提出了他们关于两卷本著作的想法,1925年Aufgaben und Lehrsätze aus der Analysis(《微积分中的问题与定理》)问世。这部著作是[5]:-

……一部数学杰作,确立了他们的声誉。

波利亚于1920年在苏黎世的ETH被提升为编外教授。1924年,他获得洛克菲勒奖学金,得以在英国与戈弗雷·哈罗德·哈代一起学习。1924年,他部分时间在牛津,部分时间在剑桥,与戈弗雷·哈罗德·哈代利特尔伍德合作,他们开始合作撰写Inequalities,该书于1934年出版。在撰写这本书期间,波利亚继续发表了一系列引人注目的论文,在1926-28这三年间共发表了31篇论文。鉴于这些出版物的范围、深度和数量,他在1928年被提升为ETH的正教授也就不足为奇了。

在评论3时,波利亚对波利亚的数学成就作了如下总结:-

波利亚可以说是20世纪最有影响力的数学家。他的基础研究贡献横跨复分析、数学物理、概率论、几何学和组合学。他是一位杰出的教师,在其漫长的职业生涯中始终对教学问题保持着浓厚的兴趣。

在苏黎世期间,他的数学产出非常丰富且范围广泛。例如,1918年他发表了关于级数、数论、组合学和投票系统的论文。第二年,除了关于这些主题的论文外,他还发表了关于天文学和概率的论文。在进行这些广泛工作的同时,他还在整函数研究中证明了他的一些最深刻的结果。

1933年,波利亚获得了第二笔洛克菲勒奖学金,这次是让他访问普林斯顿。他在美国期间,Blichfeldt邀请他访问斯坦福,他去了,并且非常喜欢那里。他回到了苏黎世,但1940年欧洲的政治局势迫使波利亚移居美国,在那里,在布朗大学工作两年、史密斯学院短暂工作一段时间后,他接受了斯坦福的职位。在去美国之前,波利亚有一本用德语写的书How to solve it的草稿。他不得不尝试了四家出版社,才找到一家在美国出版英文版,但多年来它售出了超过一百万册,并被翻译成17种语言。Schoenfeld在[24]中描述了它的重要性:-

对于数学教育和问题求解领域来说,它标志着两个时代之间的分界线,即波利亚之前和之后的问题求解。

波利亚在How to solve it中解释说,解决问题需要研究启发法:-

启发法的目的是研究发现与发明的方法和规则……启发法作为形容词,意思是“用于发现的”。……其目的是发现当前问题的解法。……什么是好的教育?系统地给学生机会,让他自己发现事物。

他还给出了明智的建议:——

如果你不能解决一个问题,那么就有一个更容易的问题你能解决:找到它。

波利亚出版了更多关于解决数学问题艺术的书籍。例如Mathematics and plausible reasoning(1954),以及分两卷出版的Mathematical discovery(1962,1965)。

在我们审视波利亚对教学的贡献时——许多人认为这是他对数学最大的贡献——让我们再引用一些波利亚关于这一主题的论述。首先引用一段关于小学数学教学的演讲:——

小学数学有一个良好而狭窄的目标,这在小学里相当清楚。……然而,我们有一个更高的目标。我们希望发展成长中儿童的一切资源。而数学所起的作用主要关乎思维。数学是思维的好学校。但什么是思维?你在数学中能学到的思维,例如,是处理抽象。数学关乎数。数是抽象。当我们解决一个实际问题时,那么从这个实际问题出发,我们必须首先把它变成一个抽象问题。……但我认为有一点甚至更重要。你看,数学不是一项观赏性运动。理解数学意味着能够做数学。而做数学意味着什么?首先,它意味着能够解决数学问题。

下面我们引用波利亚关于一般教学的一段话:-

教学不是一门科学,而是一门艺术。如果教学是一门科学,那就会存在一种最佳的教学方式,每个人都必须那样教。既然教学不是一门科学,就存在很大的自由度和许多个人差异的可能性。……让我告诉你们我对教学的看法。也许第一点是广泛接受的,即教学必须是主动的,或者更确切地说是主动学习。……数学教学的主要点是发展解决问题的策略。

让我们简要讨论波利亚在数学的许多不同领域中进行的一些研究。其范围如此广泛,数量如此丰富,我们只能提及几个方面。在概率论中,波利亚研究了概率测度的约瑟夫·傅里叶变换,于1923年证明它是一个特征函数。他撰写了关于正态分布的论文,并于1920年创造了“中心极限定理”这一术语,这已成为现在的标准用法。1921年,他证明了关于整数格上随机游走的著名定理。他考虑了一个dd维的格点阵列,其中一个点以等概率移动到其任何邻居。他问,给定格中任意一点AA,从原点开始执行随机游走的点是否会以概率1到达AA。波利亚令人惊讶的答案是,对于d=1d = 1d=2d = 2会,但对于d3d ≥ 3则不会。在后来的工作中,他研究了两个执行独立随机游走的点,以及满足移动点从不两次经过同一格点条件的随机游走。

几何对称性以及对象的对称类的枚举多年来是波利亚感兴趣的主要领域。1924年,他通过用平面的镶嵌来图示17个平面晶体群,增进了对它们的理解。这篇论文启发了莫里茨·科内利斯·埃舍尔,使他创作了关于周期图画的著名工作。波利亚使用生成函数和置换群来枚举有机化学中的异构体,这项工作具有根本的重要性。

他对组合数学的主要贡献是他的枚举定理,发表于1937年。Read在[18]中将其描述为:-

……一篇非凡论文中的一个非凡定理,是组合分析史上的一个里程碑。

该定理解决了具有某些性质的构型有多少个的问题。它有诸如化合物枚举和图论中有根树的枚举等应用。事实上,基于波利亚的思想,图论中一个全新的领域——枚举图论——发展起来了。

波利亚对复分析的兴趣促使他研究幂级数的奇点、间隙定理、整系数幂级数以及在正整数上取整数值的幂级数、指数型整函数的波利亚表示以及零点的位置。他还研究共形映射potential theory,并因此被引导去研究偏微分方程边值问题以及与它们相关的各种泛函理论。他的方法特别适用于具有高度对称性的区域中的等周问题。1951年,他与加博尔·塞格合写了如今已成为经典的著作Isoperimetric inequalities in mathematical physicsSchiffer在[23]中写道:

整部著作展现了作者们对具体而明确的结果、对优雅与巧妙方法的品味。

1953年,波利亚从斯坦福退休,但仍继续着极其活跃的数学活动,尤其关注数学教育。他继续以荣休教授的身份与斯坦福保持联系,1977年12月13日,那里为他90岁生日举行了晚宴,许多朋友和同事都致以热烈的颂词。然而,他的教学生涯仍未结束,1978年他在斯坦福计算机科学系讲授了一门组合数学课程。

他因其杰出贡献而获得许多荣誉,我们这里只提及少数几个。他被选为Hungarian AcademyLondon Mathematical Society、大不列颠的数学协会以及瑞士数学会的名誉成员。他被选入国家科学院 of the United StatesAmerican Academy of Arts and Sciences、布鲁塞尔国际科学哲学科学院以及加利福尼亚数学委员会。他是巴黎Académie des Sciences的通讯成员。

让我们以Frank Harary对波利亚的颂词来结束本文[11]:

毫不犹豫地说,波利亚是我个人心目中的数学家英雄。……[他]不仅是一位杰出的绅士,而且是一位最善良温和的人:他那洋溢的热情、眼中的光芒、巨大的好奇心、慷慨地付出时间、轻快有力的步伐、温暖真诚的友善、欢迎访客到他家中并向他们展示他所认识的伟大数学家的照片——这些都是他快乐性格的组成部分。作为一名数学家,他的深度、速度、才华、多才多艺、力量和普遍性都令人鼓舞。但愿有办法教授和学习这些品质。

参考文献

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