数学史 · 中文镜像

数学家传记

雅各布·施泰纳Jakob Steiner

出生
1796年3月18日 瑞士乌岑斯托夫
逝世
1863年4月1日 瑞士伯尔尼

雅各布·施泰纳是射影几何学最伟大的贡献者之一。

完整传记

雅各布·施泰纳的父母是安娜·芭芭拉·韦伯(1757-1832)和尼克劳斯·施泰纳(1752-1826)。安娜和尼克劳斯于1780年1月28日结婚,育有八个孩子。施泰纳是孩子中最小的,早年帮助父母打理他们在乌岑斯托夫村附近经营的小农场和生意,该村位于伯尔尼以北约24公里处。他直到14岁才学会读写,但随后证明自己极为宝贵[1]:-

童年时他不得不在农场和生意上帮助父母:他的计算技能帮了大忙。

施泰纳,然而,他想为自己谋求更好的出路,但他的父母却很高兴他能帮忙打理生意。18岁时,他违背父母的意愿,离家前往纳沙泰尔湖东南端的伊韦尔东,就读于约翰·海因里希·裴斯泰洛齐的学校。裴斯泰洛齐从1805年到1825年在该镇经营着他那所创新的学校,施泰纳于1814年春季入学。施泰纳无力为在该校的教育支付任何费用,这并非问题,因为裴斯泰洛齐想在穷人身上试验他的教育方法。裴斯泰洛齐的学校对施泰纳对待数学教学的态度以及他从事数学研究时的哲学都产生了非常显著的影响。他在1826年写道(例如见[1]):-

裴斯泰洛齐学校所使用的方法,把数学真理视为独立反思的对象,这使我在那里求学时,去为课程中提出的定理寻找教师所提供的根据之外的其它根据。只要可能,我就寻找更深层的基础,而且我常常成功,以至于我的教师宁愿要我的证明而不要他们自己的。结果,我在那里一年半之后,就被认为可以教授数学了。……在我不知情或并不希望的情况下,对教学的持续关注因追求科学统一性和连贯性而得到加强。正如数学某一分支中的相关定理在不同类中彼此衍生一样,我相信数学本身的分支也是如此。我瞥见了数学所有对象的有机统一这一观念;我当时相信,我能在某所大学里找到这种统一;即使不是作为一门独立学科,至少也以具体建议的形式。

1818年秋,施泰纳离开伊韦尔东,前往海德堡,在那里靠私人数学课谋生。他在海德堡大学听组合分析、微分与积分以及代数的讲座。也正是在这时,他对力学产生了兴趣,并在1821年、1824年和1825年就此写了三份未发表的手稿。1821年复活节,他离开海德堡前往柏林,在那里再次靠家教所得的非常微薄收入维持生活。他没有正式的教学资格,因此他决定需要参加必要的考试,以便能成为文理中学(Gymnasium)的数学教师。他并不完全成功,因为在柏林参加必要考试后,他只获得了有限的教学许可。他的问题不在数学,而在历史、文学等其它被考查科目。然而,这一有限许可足以让他被任命到柏林的韦尔德文理中学。

施泰纳在韦尔德文理中学担任数学教师的时期证明是困难的。起初,他的教学收到了良好的报告,但他与学校校长Zimmermann博士发生了争执。也许可以理解,Zimmermann希望施泰纳使用Zimmermann自己编写的教科书教授他的课程。施泰纳是Pestalozzi教学方法的坚定信徒,在课堂上使用了这些方法。Zimmermann声称这些只适合初级课程,施泰纳于1822年秋天被解雇。官方原因是他的教学受到批评,但真正原因显然是他希望使用他认为最好的方法,而不是校长Zimmermann博士所要求的方法。他再次从事私人辅导以赚取足够的钱,以便参加柏林大学的课程,他从1822年11月到1824年8月这样做了。卡尔·古斯塔夫·雅各布·雅可比虽然比施泰纳小八岁,但此时是柏林大学的学生,很快施泰纳和卡尔·古斯塔夫·雅各布·雅可比成为了朋友。1825年,施泰纳被任命为柏林技术学校的助理教师。

施泰纳在韦尔德文理中学经历过的那类困难,在技术学校再次出现。人们期望他毫无疑问地服从校长K F von Klöden的命令。Klöden几乎可以肯定正确地认为,施泰纳没有给予他应得的尊重。他以严厉的方式报复,对施泰纳提出不合理的要求,[1]:-

……即使是受军纪约束的士兵,也很难指望会接受。

尽管气氛恶劣,施泰纳在技术学校任教期间仍设法进行了一些杰出的数学研究。他于1829年被提升为高级教师。我们已经提到,施泰纳与卡尔·古斯塔夫·雅各布·雅可比变得友好,但他也与柏林其他有影响力的数学家变得友好。其中也许最重要的是奥古斯都·利奥波德·克雷勒,但他于1826年抵达柏林后与尼尔斯·阿贝尔的友谊也很重要。施泰纳成为奥古斯都·利奥波德·克雷勒的期刊Journal für die reine und angewandte Mathematik的早期投稿人,该期刊是创办的第一本完全致力于数学的期刊。该期刊第一卷于1826年出版,其中包含施泰纳的第一篇长作,Einige geometrische Betrachtungen (一些几何考虑)。这篇论文很重要,因为它是首次发表的关于点相对于圆的幂的理论以及圆的相似点的系统论述。它也很重要,因为施泰纳在许多证明中使用了反演原理。这篇论文是施泰纳在奥古斯都·利奥波德·克雷勒的期刊上发表的62篇论文中的第一篇。在他的论文《关于平面和空间分割的若干规律》中,该文也出现在奥古斯都·利奥波德·克雷勒的期刊第一卷中,他考虑了这个问题:空间被nn个平面分割,最多能分成多少部分?这是一个优美的问题,其解为(n3+5n+6)/6(n^{3} + 5n + 6)/6。解法见[3]。

1832年,施泰纳出版了他的第一本书Systematische Entwicklung der Abhangigkeit geometrischer Gestalten voneinander(几何图形相互依赖关系的系统发展)。其中许多材料在此前六年已出现在施泰纳的论文中。该书的序言对施泰纳研究数学的一般方法以及书中几何材料的处理方式给出了一个有趣的视角:-

本著作试图发现使最丰富多样的空间现象彼此联系起来的有机体。存在有限数量的非常基本的关系,它们共同构成了一个图式,借助它,其余定理可以被逻辑地且毫无困难地展开。通过适当采用少数基本关系,人便成为整个领域的主人。秩序取代了混乱:人们看到所有部分如何自然地啮合,以最美的秩序排列,并形成定义明确的群。以这种方式,人们同时获得了自然在尽可能经济且以最简单的方式赋予图形无穷多性质时所由出发的元素。这里主要的事情既不是综合方法也不是分析方法,而是发现图形之间的相互依赖关系,以及它们的性质从简单图形传递到更复杂图形的方式。这种联系与过渡是几何学所有其余个别命题的真正来源。那些其存在本身以前必须通过巧妙证明才能使人相信、并且一旦被发现便作为某种奇妙之物而矗立的图形性质,现在被揭示为这些新发现的基本元素的共同性质的必然结果,而前者由后者先验地建立起来。

施泰纳因其卓越成就而受到表彰。1833年4月20日,经卡尔·古斯塔夫·雅各布·雅可比推荐,他被柯尼斯堡大学授予荣誉博士学位,随后于1834年6月5日当选为柏林科学院。1834年10月8日,他被任命为柏林大学新设立的几何学编外教授。这一职位是由亚历山大·冯·洪堡和威廉·冯·洪堡专门为他设立的;他担任该职位直至去世。1844年他在罗马,在这次访问中,他花时间研究一个现在被称为“罗马曲面”或“施泰纳曲面”的三类四次曲面。1854—55年冬天他在巴黎,逗留期间当选为Académie des Sciences

他是射影几何的最伟大贡献者之一。他发现了“施泰纳曲面”,其上有一个双无限的conic sections。“施泰纳定理”指出,从圆锥曲线的两个点投影它的两个 pencil 是射影相关的。另一个著名结果是“让-维克托·彭赛列-施泰纳定理”,它表明欧几里得作图只需要一个给定的圆和一把直尺。这基本上是他的第二本书Die geometrischen Konstructionen ausgefuhrt mittelst der geraden Linie and eines festen Kreises (通过直线和圆执行的几何作图)(1833)的主题。证明,基本上如施泰纳所给出的,在[3]中重现。他的许多出版物涉及圆锥曲线和曲面的研究。例如,他考虑了这个问题:在所有可以外接于(内接于)给定三角形的椭圆中,哪一个具有最小(最大)面积?今天这些椭圆被称为“施泰纳椭圆”。

在1848年写的一篇具有根本重要性的短文中,题为Allgemeine Eigenschaften algebraischer Curven(代数曲线的一般性质),他讨论了一个点相对于给定曲线的极曲线。他还引入了施泰纳曲线,讨论了拐点处的切线、二重切线、尖点和二重点。特别地,他指出了四次曲线的二十八条二重切线的相应关系。然而,这些丰富的材料被呈现出来时,完全没有给出施泰纳所找到的证明的任何提示。奥托·黑塞描述这些结果时说:-

……它们像皮埃尔·德·费马的定理一样,是当代和未来世代的谜。

本文中所有结果的完整证明由安东尼奥·路易吉·高登齐奥·朱塞佩·克雷莫纳找到,并发表在他关于代数曲线的书中。

施泰纳不喜欢代数和分析,认为计算取代思考,而几何激发思考。托马斯·阿彻·赫斯特这样描述他:-

他是个中年人,身材相当粗壮,有一张长长的富有智慧的脸,留着胡须和八字胡,前额突出而饱满,头发深色,偏向于变灰。他脸上首先让你注意到的是有一丝忧虑和焦虑,几乎是痛苦,仿佛源于身体上的痛苦——他患有风湿病。他从不事先准备讲座。因此他常常在当下卡住或无法证明他想证明的东西,而每次这样的失败,他肯定会说些有特色的评论。

卡尔·古斯塔夫·雅各布·雅可比这样写他的朋友施泰纳:-

从少数空间性质出发,施泰纳试图借助简单的图式,对大量被割裂的几何定理获得一个全面的看法。他寻求为每个定理指定其相对于其他定理的特殊位置,为混乱带来秩序,按照自然将所有部分相互连接,并将它们组装成定义明确的群。在发现连接最多样空间现象的有机体时,他不仅促进了几何综合的发展;还为数学所有其他分支提供了一个完整方法和执行的模型。

尽管是数学天才,在其他方面施泰纳是个难相处的人。约翰·卡尔·布尔克哈特写道[1]:-

学生和同时代人写到施泰纳几何研究的辉煌,以及他在引导他人进入他发现的新领域时展现的火热气质。与此相结合的是非常自由的政治观点。此外,他常常行为粗鲁,说话直率,从而疏远了一些人。

施泰纳生命中的最后十年因疾病而日益艰难。肾脏问题使他一年中大部分时间都待在故乡瑞士,只在冬季前往柏林授课。最终他完全卧床不起,无法履行任何教学职责。施泰纳终身未婚,也许正因为如此,他去世时留下了一笔财富。这笔财富的三分之一捐给了柏林科学院,用以设立施泰纳奖。其余的钱则分给了他的亲属和他故乡乌岑斯托夫村的学校。他最后的愿望是,家乡的贫困儿童能够获得比他本人更好的教育机会。

参考文献

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