数学史 · 中文镜像

数学家传记

波恩哈德·黎曼Bernhard Riemann

出生
1826年9月17日 汉诺威布雷塞伦茨(今德国)
逝世
1866年7月20日 意大利塞拉斯卡

波恩哈德·黎曼关于空间几何的思想对现代理论物理学的发展产生了深远影响。他通过定义我们现在所称的波恩哈德·黎曼积分,阐明了积分的概念。

完整传记

波恩哈德·黎曼的父亲弗里德里希黎曼是一位路德会牧师。Friedrich Riemann在中年时与夏洛特·埃贝尔结婚。黎曼是他们的六个孩子中的第二个,两个男孩和四个女孩。Friedrich Riemann担任他孩子的老师,他教黎曼直到他十岁。这时,一位来自当地学校名叫舒尔茨的老师协助了黎曼的教育。

1840年,黎曼直接进入汉诺威的中学三年级。在中学期间,他与祖母住在一起,但在1842年,他的祖母去世,黎曼搬到吕讷堡的约翰纽姆文理中学。黎曼似乎是一个好但不出色的学生,在希伯来语和神学等古典科目上努力学习。他对数学表现出特别的兴趣,中学校长允许黎曼从他自己的图书馆学习数学文本。有一次,他借给黎曼阿德里安-马里·勒让德关于数论的书,黎曼在六天内读完了这本900页的书。

1846年春天,黎曼进入哥廷根大学就读。他的父亲曾鼓励他学习神学,因此他进入了神学院。然而,他旁听了一些数学讲座,并询问父亲是否可以转到哲学院,以便学习数学。黎曼一直与家人非常亲近,没有父亲的许可,他绝不会改变专业。不过,父亲同意了,于是黎曼跟随莫里茨·亚伯拉罕·斯特恩和卡尔·弗里德里希·高斯学习数学课程。

人们可能认为黎曼正好处在在哥廷根学习数学的合适位置,但此时哥廷根大学在数学方面相当糟糕。卡尔·弗里德里希·高斯确实给黎曼讲课,但他只讲授初等课程,没有证据表明此时他认识到了黎曼的天才。然而,斯特恩确实意识到他有一个非凡的学生,后来描述此时的黎曼时说,他:-

……已经像金丝雀一样歌唱了。

黎曼于1847年春天从哥廷根迁往柏林大学,师从雅各布·施泰纳卡尔·古斯塔夫·雅各布·雅可比约翰·彼得·古斯塔夫·勒热纳·狄利克雷费迪南·艾森斯坦。这对黎曼来说是一段重要的时期。他从费迪南·艾森斯坦那里学到了很多,并讨论了在椭圆函数理论中使用复变量的问题。然而,此时对黎曼影响最大的人是约翰·彼得·古斯塔夫·勒热纳·狄利克雷菲利克斯·克莱因在[4]中写道:-

黎曼与约翰·彼得·古斯塔夫·勒热纳·狄利克雷因思想方式相似而产生的强烈内在共鸣而紧密相连。约翰·彼得·古斯塔夫·勒热纳·狄利克雷喜欢在直观的基础上把事物弄清楚;与此同时,他会对基础问题给出敏锐、逻辑的分析,并尽可能避免冗长的计算。他的方式适合黎曼,后者采纳了这种方式,并按照约翰·彼得·古斯塔夫·勒热纳·狄利克雷的方法工作。

黎曼的工作始终建立在直观推理的基础上,这种推理略低于使结论严密无懈可击所需的严格性。然而,他的著作中所包含的卓越思想之所以更加清晰,是因为他的工作没有过度充斥冗长的计算。正是在柏林大学期间,黎曼发展出了他的复变量一般理论,这一理论构成了他一些最重要工作的基础。

1849年,他回到哥廷根,他的博士学位论文由卡尔·弗里德里希·高斯指导,于1851年提交。然而,当时对黎曼产生强烈影响的不仅仅是卡尔·弗里德里希·高斯。在黎曼于柏林期间,威廉·韦伯已从莱比锡回到哥廷根担任物理学讲席,而黎曼做了他18个月的助手。此外,利斯廷于1849年被任命为哥廷根的物理学教授。通过威廉·韦伯利斯廷,黎曼获得了深厚的理论物理学背景,并从利斯廷那里获得了拓扑学中的重要思想,这些思想影响了他开创性的研究。

黎曼的学位论文研究了复变量理论,特别是我们现在所称的黎曼曲面。因此,它将拓扑学方法引入了复函数理论。这项工作建立在奥古斯丁·路易·柯西多年来建立的复变量理论基础之上,也建立在维克托·皮瑟的分支点思想之上。然而,黎曼的学位论文是一项极其原创的工作,它考察了解析函数的几何性质、共形映射以及曲面的连通性。

在证明其学位论文黎曼中的一些结果时,他使用了一个变分原理,后来他将其称为约翰·彼得·古斯塔夫·勒热纳·狄利克雷原理,因为他是在柏林从约翰·彼得·古斯塔夫·勒热纳·狄利克雷的讲座中学到的。然而,约翰·彼得·古斯塔夫·勒热纳·狄利克雷原理并非起源于约翰·彼得·古斯塔夫·勒热纳·狄利克雷,因为卡尔·弗里德里希·高斯乔治·格林开尔文都曾使用过它。黎曼的学位论文是博士论文中出现的最卓越的原创性工作之一,于1851年12月16日接受审查。在关于该论文的报告中,卡尔·弗里德里希·高斯将黎曼描述为具有:-

……一种辉煌而富有成果的原创性。

卡尔·弗里德里希·高斯的推荐下,黎曼被任命到哥廷根的一个职位,他为获得教授资格论文(Habilitation)而努力,这个学位将使他能够成为讲师。他花了三十个月的时间撰写他的特许任教资格学位论文,内容是关于函数可由三角级数表示的问题。他给出了一个函数具有积分的条件,即我们现在所称的黎曼可积性条件。在论文的第二部分,他考察了用以下话语描述的问题:-

虽然前面的论文已经表明,如果一个函数具有某种性质,那么它可以由一个Fourier series表示,我们提出相反的问题:如果一个函数可以由一个三角级数表示,那么关于它的行为我们能说些什么。

为了完成他的特许任教资格,黎曼必须做一次演讲。他准备了三场演讲,两场关于电学,一场关于几何学。卡尔·弗里德里希·高斯必须从这三场中选择一场让黎曼来宣讲,而出乎黎曼的意料,卡尔·弗里德里希·高斯选择了关于几何学的那场演讲。黎曼的演讲Über die Hypothesen welche der Geometrie zu Grunde liegen(《论几何学基础中的假设》),于1854年6月10日宣讲,成为数学的经典。

黎曼的演讲分为两部分。在第一部分,他提出了如何定义一个nn维空间的问题,并最终给出了我们今天称之为黎曼空间的定义。汉斯·弗洛伊登萨在[1]中写道:-

它具有最短线,现在称为测地线,类似于普通的直线。事实上,在测地坐标系中,作为一阶近似,这样的度量是平坦欧几里得的,就像曲面在忽略高阶项时看起来像它的切线平面一样。生活在曲面上的生物可能会发现他们世界的曲率,并根据观察到的与毕达哥拉斯定理的偏差,在任意点计算它。

事实上,黎曼演讲这一部分的要点是曲率张量的定义。黎曼演讲的第二部分提出了关于几何学与我们生活的世界之间关系的深刻问题。他问实空间的维数是多少,以及什么几何学描述了实空间。这场演讲远远超前于它的时代,无法被当时大多数科学家所欣赏。莫纳斯提尔斯基在[6]中写道:-

在黎曼的听众中,只有卡尔·弗里德里希·高斯能够领会黎曼思想的深度。……这次讲座超出了他的所有期望,令他大为惊讶。回到系务会议后,他怀着极大的赞赏和罕见的热情,向Wilhelm 威廉·韦伯谈起黎曼所呈现的思想的深度。

直到六十年后才被完全理解。汉斯·弗洛伊登萨在[1]中写道:-

广义相对论出色地证明了他的工作。在从黎曼的演讲发展出来的数学工具中,阿尔伯特·爱因斯坦找到了适合他的物理思想、他的宇宙论宇宙起源论的框架:而黎曼演讲的精神正是物理学所需要的:由数据确定的度量结构。

因此,这项杰出的工作使黎曼有资格开始讲课。然而[6]:-

不久之前,在九月,他在哥廷根科学研究者与医师协会的一次会议上宣读了一篇报告《论静电分布定律》。在给父亲的一封信中,黎曼除其他事情外还回忆道,“我在一次科学会议上发言这一事实对我的讲课有帮助”。十月,他开始着手准备关于偏微分方程的讲座。黎曼写给深爱的父亲的信中充满了关于他所遇到困难的回忆。尽管只有八名学生听讲,黎曼却完全快乐。他逐渐克服了天生的羞怯,与听众建立了融洽的关系。

1855年,卡尔·弗里德里希·高斯在哥廷根的讲席由约翰·彼得·古斯塔夫·勒热纳·狄利克雷接任。此时有人试图为黎曼争取一个个人讲席,但未能成功。然而两年后,他被任命为教授,同年,即1857年,他的另一部杰作出版了。论文Theory of abelian functions是多年工作的成果,包含在他1855-56年给三个人讲授的一门课程中。这三人之一是理查德·戴德金,他得以在黎曼早逝后通过出版这些材料而使黎曼讲座的美妙之处流传下来。

阿贝尔函数论文接着他的学位论文的工作继续展开,进一步发展了黎曼曲面及其拓扑性质的思想。他把多值函数视为特殊黎曼曲面上的单值函数,并解决了尼尔斯·阿贝尔卡尔·古斯塔夫·雅各布·雅可比曾对椭圆积分解决的一般反演问题。然而黎曼并不是唯一研究这类思想的数学家。菲利克斯·克莱因在[4]中写道:-

……当卡尔·魏尔斯特拉斯于1857年向柏林科学院提交关于一般阿贝尔函数的第一份处理时,黎曼关于同一主题的论文出现在奥古斯都·利奥波德·克雷勒的杂志第54卷上。它包含如此多意想不到的新概念,以至于卡尔·魏尔斯特拉斯撤回了他的论文,事实上此后不再发表。

黎曼在其学位论文中使用过的约翰·彼得·古斯塔夫·勒热纳·狄利克雷原理,被他再次用于这篇1857年论文的结果。然而,卡尔·魏尔斯特拉斯表明约翰·彼得·古斯塔夫·勒热纳·狄利克雷原理存在一个问题。菲利克斯·克莱因写道[4]:-

大多数数学家背离了黎曼……黎曼有着相当不同的看法。他完全承认卡尔·魏尔斯特拉斯批评的公正与正确,但他说,正如⟦N3⟧曾告诉我的那样,他求助于约翰·彼得·古斯塔夫·勒热纳·狄利克雷原理只是把它当作手边方便的工具,而他的存在性定理仍然正确。

我们在本文末尾回到这一点,以说明黎曼工作中使用约翰·彼得·古斯塔夫·勒热纳·狄利克雷原理的问题是如何得到解决的。

1858年,恩里科·贝蒂Casorati弗朗切斯科·布廖斯基访问了哥廷根,黎曼与他们讨论了他的拓扑学思想。这给黎曼带来了特别的乐趣,也许恩里科·贝蒂尤其从与黎曼的接触中受益。当黎曼于1863年在意大利访问恩里科·贝蒂时,这些接触得以更新。在[16]中,重印了恩里科·贝蒂的两封信,展示了他从黎曼那里学到的拓扑思想。

1859年约翰·彼得·古斯塔夫·勒热纳·狄利克雷去世,黎曼于7月30日被任命为哥廷根大学数学讲席。几天后,他当选为柏林科学院会士。他是由三位柏林数学家恩斯特·爱德华·库默尔卡尔·威廉·博尔夏特卡尔·魏尔斯特拉斯提名的。他们的提名书写道[6]:-

在他最近的工作[阿贝尔函数理论]出现之前,黎曼对数学家们来说几乎不为人知。这一情况多少为我们需要更详细地考察他的工作作为我们论述的基础提供了理由。我们认为有责任提请科学院注意我们的同事,我们推荐他并非作为一个带来巨大希望的年轻才俊,而是作为我们科学领域中一位完全成熟且独立的研究者,他在很大程度上推动了该领域的进展。

一位新当选的柏林科学院成员必须报告其最近的研究,黎曼提交了一份关于On the number of primes less than a given magnitude的报告,这是他的另一部伟大杰作,将以极其重要的方式改变数学研究的方向。在其中,黎曼考察了ζ函数

ζ(s)=1ns=11ps\zeta(s) = \sum \Large\frac 1 {n^{s}}\normalsize = \prod \Large\frac 1 {1- p^{-s}}

这已经被莱昂哈德·欧拉考虑过。这里求和是对所有自然数nn,而乘积是对所有素数。黎曼考虑了一个与莱昂哈德·欧拉所考虑的问题非常不同的问题,因为他将zeta函数视为复函数而非实函数。除少数平凡例外,ζ(s)\zeta(s)的根都位于0和1之间。在论文中,他指出zeta函数有无穷多个非平凡根,并且它们似乎都可能具有实部12\large\frac{1}{2}\normalsize。这就是著名的黎曼假设,它至今仍是数学中最重要的未解决问题之一。

黎曼研究了zeta函数级数表示的收敛性,并发现了zeta函数的一个函数方程。该论文的主要目的是给出小于给定数的素数数量的估计。黎曼获得的许多结果后来由雅克·阿达马和de la 夏尔-让·德拉瓦莱·普桑证明。

1862年6月,黎曼与Elise 海里格·冯·科赫结婚,后者是他妹妹的朋友。他们有一个女儿。结婚那年秋天,黎曼得了重感冒,后来转为肺结核。他一生从未有过好身体,事实上他严重的健康问题很可能远早于这次感冒。实际上,他的母亲在黎曼20岁时去世,而他的兄弟和三个姐妹都英年早逝。黎曼试图通过前往气候更温暖的意大利来对抗疾病。

1862-63年的冬天是在西西里度过的,随后他游历意大利,与恩里科·贝蒂及其他曾访问哥廷根的意大利数学家共度时光。他于1863年6月返回哥廷根,但健康状况很快恶化,于是再次回到意大利。在1864年8月至1865年10月间在意大利北部度过之后,黎曼返回哥廷根度过1865-66年的冬天,然后于1866年6月16日回到马焦雷湖畔的塞拉斯卡。理查德·戴德金在[3]中写道:-

他的体力迅速衰退,他自己也感到末日将至。但即便如此,在去世前一天,他安坐在一棵无花果树下,灵魂因壮丽的景色而充满喜悦,他仍在从事最后的工作,不幸的是,这项工作未能完成。

最后,让我们回到卡尔·魏尔斯特拉斯对黎曼使用约翰·彼得·古斯塔夫·勒热纳·狄利克雷原理的批评。卡尔·魏尔斯特拉斯已经表明,约翰·彼得·古斯塔夫·勒热纳·狄利克雷原理并不保证存在一个极小化函数。这产生了使人们怀疑黎曼方法的效果。汉斯·弗洛伊登萨在[1]中写道:-

所有人都使用了黎曼的材料,但他的方法却被完全忽视了。……在本世纪余下的时间里,黎曼的结果产生了巨大的影响:他的思维方式却影响甚微。

卡尔·魏尔斯特拉斯坚信黎曼的结果,尽管他自己发现了约翰·彼得·古斯塔夫·勒热纳·狄利克雷原理的问题。他让他的学生雅各布·赫尔曼 赫尔曼·阿曼杜斯·施瓦茨尝试寻找黎曼存在性定理的其他证明,这些证明不使用约翰·彼得·古斯塔夫·勒热纳·狄利克雷原理。他在1869-70年间成功做到了这一点。然而,菲利克斯·克莱因对黎曼的几何方法着迷,他在1892年写了一本书,给出了他对黎曼工作的版本,但写作风格非常符合黎曼的精神。汉斯·弗洛伊登萨在[1]中写道:-

这是一本美丽的书,了解它是如何被接受的会很有趣。可能许多人因其缺乏严格性而感到不满:菲利克斯·克莱因太像黎曼,无法说服那些不相信后者的人。

1901年,大卫·希尔伯特通过给出使黎曼的证明严格化所需的约翰·彼得·古斯塔夫·勒热纳·狄利克雷原理的正确形式,修补了黎曼的方法。然而,寻找严格证明并没有浪费时间,因为阿尔弗雷德·克莱布什保罗·哥尔丹Brill马克斯·诺特在试图证明黎曼的结果时发现了许多重要的代数思想。Monastyrsky在[6]中写道:-

在十九世纪数学史上,很难再回忆起另一个为严格证明而奋斗却带来如此丰硕成果的例子。

参考文献

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