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数学家传记

斯特林James Stirling

出生
1692年5月 苏格兰斯特灵附近加登
逝世
1770年12月5日 苏格兰爱丁堡

斯特林是一位苏格兰数学家,其最重要的著作是1730年的《微分方法》,这是一部关于无穷级数、求和、插值和求积的论著。

完整传记

斯特林的父亲是Archibald Stirling,他的母亲,即Archibald Stirling的第二任妻子,是安娜·汉密尔顿。斯特林是他们的第三个儿子,他出生在加登的家族庄园,位于苏格兰城镇斯特林以西约20公里处。这个家族是詹姆斯党事业的坚定支持者,这对斯特林的一生有着重大影响。

詹姆斯党的事业就是斯图亚特国王詹姆斯·韦德尔·亚历山大(英国的——苏格兰的斯特林七世:拉丁语中为Jacobus)及其后代的事业,他在1688年革命后被流放。苏格兰于1707年与英格兰和威尔士合并。斯图亚特家族是苏格兰人,但信奉罗马天主教,因此他们只得到有限的支持。然而,他们在法国有一个流亡宫廷,为英国王位提供了一个替代选择,并得到了许多人的大力支持,例如斯特林家族。当斯特林大约17岁时,他的父亲因同情詹姆斯党而被逮捕、监禁并被指控犯有叛国罪。然而,他被宣判无罪。

关于斯特林的童年,或者他在苏格兰的本科岁月,我们一无所知。我们所知道的第一个确切信息是,他于1710年秋天前往牛津,以便在那里注册入学。事实上,斯特林于1711年1月18日作为斯内尔奖学金生在牛津大学贝利奥尔学院注册入学。

斯内尔展览奖学金的条款在[3]中有描述:-

斯内尔展览奖学金由艾尔郡人弗瑞兹·约翰斯内尔(1629?-1679)的遗嘱设立,用于贝利奥尔学院。最初面向苏格兰境内尚未毕业、之后将返回苏格兰担任英格兰教会神职人员的苏格兰学生。提名由格拉斯哥学院进行,候选人条件之一是在格拉斯哥至少学习过一年。

基于这一点,再加上拉姆齐(见[4])提供的信息——他晚年认识斯特林,并写道斯特林:-

在格拉斯哥大学接受教育

通常会说斯特林确实在格拉斯哥大学学习过(如[1]中所述)。然而这并非绝对确定。我们知道拉姆齐并不总是完全可靠。斯特林的名字并未出现在格拉斯哥的注册学生名单中(并非所有学生的名字都出现在其中,所以这并不十分重要)。特威德尔[3]指出,一位名叫'斯特林'的学生于1710年3月24日在爱丁堡大学注册,未毕业,其签名与这位数学家的签名相似。另一个并非不重要的事实是,斯特林的父亲是爱丁堡的毕业生。若能解决这个以及许多与斯特林生平相关的其他谜题固然很好,但它们可能永远都是谜。

斯特林于1711年10月获得第二份奖学金,即Bishop Warner Exhibition。他本应在注册入学时宣誓,但他对詹姆斯党人的同情使他无法这样做,因此获得豁免。安妮女王于1714年8月去世,德国人乔治一世继承英国王位。1715年爆发了第一次詹姆斯党人叛乱,在1715年11月13日舍里夫缪尔战役打成平局后,叛乱逐渐瓦解。然而,允许斯特林不宣誓的让步被撤销了。当他继续拒绝宣誓时,他失去了奖学金。随后他被指控与参与策划叛乱的詹姆斯党人通信。这段时间他的生活一定很艰难,他甚至因‘诅咒国王乔治’而出现在巡回法庭上,但被宣判无罪。

斯特林现在无法从牛津毕业,但他在那里又待了一段时间。在1717年4月4日伦敦皇家学会的一次会议记录中,当布鲁克·泰勒讲授方程求根和对数时,记录如下:-

牛津大学贝利奥尔学院的斯特林获准出席。

1717年,斯特林发表了他的第一部著作Lineae Tertii Ordinis Neutonianae(艾萨克·牛顿的三阶曲线),该书扩展了艾萨克·牛顿的三次平面曲线理论,在艾萨克·牛顿给出的72种曲线之外增加了四种新类型的曲线。该著作在牛津出版,艾萨克·牛顿本人收到了这部献给威尼斯大使尼古拉斯·特龙的著作的副本。

Lineae Tertii Ordinis Neutonianae包含斯特林获得的其他结果。有关于最速降曲线的结果,有关于悬链线的结果(特别是将这一问题与在拱中放置球体的问题联系起来),以及关于正交轨线的结果。正交轨线问题由哥特弗里德·威廉·莱布尼茨提出,除斯特林外,许多数学家也研究过这个问题,包括约翰·伯努利尼古拉·伯努利一世尼古拉·伯努利二世和Leonard 莱昂哈德·欧拉。已知斯特林在1716年初解决了这个问题。

1717年,斯特林前往威尼斯。威尼斯大使Tron于1717年6月离开伦敦返回威尼斯,几乎可以肯定斯特林与他同行。斯特林似乎曾被许诺在威尼斯获得一个数学讲席,但由于某种未知原因,这项任命未能实现。斯特林在威尼斯做了什么也不得而知,但他肯定继续了他的数学研究。

斯特林在1719年确实在威尼斯,因为他当时从威尼斯向伦敦皇家学会提交了一篇论文Methodus differentialis Newtoniana illustrata (牛顿的微分方法示例)。该论文由皇家学会收到,并在1719年6月18日的会议上报告。

尼古拉·伯努利一世从1716年到1722年担任帕多瓦大学的讲席。斯特林一定见过尼古拉·伯努利一世并与他相当熟悉,因为1719年,他再次从威尼斯写信给艾萨克·牛顿,提出充当中间人。1721年,斯特林在帕多瓦,我们知道他当时就读于帕多瓦大学。

1722年,斯特林回到了格拉斯哥,也许大约是在他的朋友尼古拉·伯努利一世离开帕多瓦的时候。Tweedie在[5]中讲述了一个故事,说斯特林在意大利期间学到了玻璃工业的秘密,并因担心性命而不得不逃跑,因为玻璃制造商可能曾试图暗杀他,以防止他们的秘密被人知道。从那时到1724年末他做了什么并不清楚,但至少从1722年起,他就有意在伦敦成为一名教师。

1722年8月,科林·麦克劳林在伦敦拜访了艾萨克·牛顿艾萨克·牛顿给他看了一封斯特林的来信,斯特林在信中写道他打算在伦敦成为一名数学教师。当然,斯特林与艾萨克·牛顿关系友好,这封信几乎肯定是在请求艾萨克·牛顿在这一事业上给予帮助,而艾萨克·牛顿通过告诉科林·麦克劳林关于斯特林的计划来提供这种帮助。

1724年末,斯特林前往伦敦,并在那里待了10年。这十年间,斯特林在数学上非常活跃,与许多数学家通信,并享受着与艾萨克·牛顿的友谊。艾萨克·牛顿提名斯特林为伦敦皇家学会的会士,并于1726年11月3日,斯特林当选。

斯特林在伦敦成为教师的愿望实现了,他被任命到伦敦考文特花园小塔街的威廉·瓦特学院,该学院是[1]:-

……伦敦最成功的学校之一;尽管他不得不借钱购买所需的数学仪器。

该校1727年的招生简章列出了一门由斯特林等人讲授的机械与实验哲学课程。教学大纲包括力学、流体静力学、光学和天文学。

在伦敦期间,斯特林于1730年出版了他最重要的著作Methodus Differentialis (微分方法)。这本书是一部关于无穷级数、求和、插值和求积的论著。n!n!的渐近公式,现在以斯特林公式闻名,斯特林最为人所知的就是这个公式,它作为Methodus Differentialis (微分方法)命题28的例2出现。见THIS LINK

这本书的主要目的之一是考虑加速级数收敛的方法。斯特林在序言中指出,艾萨克·牛顿曾考虑过这个问题。作为他试图解决的问题的一个例子,斯特林给出了级数12n(2n1)\sum \large\frac{1}{2n(2n-1)}\normalsize的例子,威廉·布朗克在其关于双曲线下面积的工作中研究过这个级数。斯特林在Methodus Differentialis(微分方法)中写道:-

……如果有人要找到这个级数精确到九位的值……他们将需要十亿项;而这个级数比许多其他级数收敛得快得多……

书中给出了他的方法的许多例子,包括哥特弗里德·威廉·莱布尼茨的问题

π4=113+1517+19...\large\frac{\pi}{4}\normalsize = 1 - \large\frac{1}{3}\normalsize + \large\frac{1}{5}\normalsize - \large\frac{1}{7}\normalsize + \large\frac{1}{9}\normalsize - ...

他还给出了一个处理无穷乘积收敛性的定理。在这部关于加速收敛的著作中,包含了对亚伯拉罕·棣莫弗方法的讨论。

我们上面提到他在Methodus Differentialis(微分方法)中研究了插值。例如,他用T1=1T_{1} = 1定义了级数Tn+1=nTnT_{n+1} = nT_{n}。然后他考虑了T3/2T_{3/2},介于项T1T_{1}T2T_{2}之间。用今天的记号,这将是Γ(32)\Gamma (\large\frac{3}{2}\normalsize ),而这里的斯特林正在研究伽马函数。他计算了T3/2T_{3/2}到十位小数。事实上

T3/2=Γ(32)=12Γ(12)=12πT_{3/2} = \Gamma (\large\frac{3}{2}\normalsize ) = \large\frac{1}{2}\normalsize \Gamma (\large\frac{1}{2}\normalsize ) = \large\frac{1}{2}\normalsize √\pi

这本书还包含关于Gamma函数和超几何函数的其他结果。

亚伯拉罕·棣莫弗于1730年出版了Miscellanea Analytica(杂分析)。斯特林写信给亚伯拉罕·棣莫弗,指出他在书中阶乘的对数表里犯的一些错误,并告诉亚伯拉罕·棣莫弗关于Methodus Differentialis(杂分析)中命题28的例2。亚伯拉罕·棣莫弗能够利用斯特林的想法扩展他早先的结果,并在几个月后出版了Miscellanea Analytica的补编。显然,斯特林和亚伯拉罕·棣莫弗在这段时间经常通信,因为在1730年9月,斯特林在给加布里尔·克拉默的信中叙述了亚伯拉罕·棣莫弗的这一事件和新结果。

斯特林的工作中还有另一个领域我们将要考察,即他关于引力和地球形状的工作。然而,在此之前,我们将看一下斯特林与莱昂哈德·欧拉之间的一次通信,因为这与我们刚刚讨论的关于级数的工作有关。莱昂哈德·欧拉于1736年6月8日从圣彼得堡写信给斯特林。我们引用他信中表达对斯特林工作看法的地方(见[7]或[3]):-

……我从您那些出色的文章中了解得越多——这些文章我在您的《汇刊》中各处见到过,关于级数的性质,这一研究我确实投入了大量精力——我就越希望结识您,以便能从您本人那里获得更多,同时也能将我自己的思考提交给您评判。但在我写信给您之前,我怀着极大的热切四处寻找您那部关于差分方法的出色著作,不久前我在《莱比锡学报》上看到过它的评论,直到我如愿以偿。如今我已勤勉地通读完毕,我确实惊叹于如此小的一卷书中竟包含如此丰富的大量出色方法,通过这些方法您展示了如何轻松地对缓慢收敛的级数求和,以及如何对非常难以处理的数列进行插值。但特别令我高兴的是第一部分的命题XIV,其中您给出了一种方法,通过这种方法,即使其递进规律尚未确立的级数,也可以仅利用最后几项的关系非常轻松地求和,当然这一方法适用范围极广,用途极大。事实上,这个命题的证明——您似乎有意隐去——给我造成了巨大的困难,直到最后我非常高兴地成功从先前的结果中推导出了它,这就是为什么我至今还未能详细考察所有后续命题的原因

1735年,斯特林回到苏格兰,在那里他被任命为拉纳克郡“苏格兰矿业公司,利德希尔斯”的经理,年薪120英镑。这是一份斯特林做得非常出色的工作,他[8]:-

……作为一位讲求实际的管理者极为成功,由于他采用雇工开矿的方法,矿业公司的状况大为改善。

然而这项工作非常繁重。过了两年他才抽空回复上面我们引用过的莱昂哈德·欧拉的来信。在1738年4月16日从爱丁堡写来的回信中,他解释了自己为何迟迟未复(见[7]或[3]):——

最近这两年我卷入了大量事务,不得不频繁前往苏格兰,然后再返回伦敦。正是由于这些事务,首先你的信很晚才到我手中,其次,直到今天,几乎都没有时间以应有的专注通读你的信。因为当思考被长时间打断,更不用说被搁置之后,需要耐心才能让头脑重新思考同样的事情。

在同一封信中,斯特林提出愿意提名莱昂哈德·欧拉参选伦敦皇家学会。然而他并没有那样做,可能还是因为矿业公司的工作压力,直到1746年,他才由几位数学家提名,其中不包括斯特林。

看来斯特林从未回复莱昂哈德·欧拉的这第二封信。他在1738年10月26日写信给科林·麦克劳林说,莱昂哈德·欧拉的第二封信:——

……充满许多巧妙的东西,但它很长,我并未完全掌握所有细节。

1745年,斯特林发表了一篇关于矿井通风的论文。他当然没有在矿业公司任职后就放弃数学,在[3]中讨论了斯特林笔记本中未发表的数学工作,这些工作可能写于1730年至1745年之间。

1745年是詹姆斯党人叛乱中最重大的一次发生的年份,科林·麦克劳林在爱丁堡抵御詹姆斯党人的防御中发挥了积极作用。1745年9月17日,年轻的王位觊觎者查尔斯·爱德华率2400人的军队进入爱丁堡。1746年科林·麦克劳林去世,部分原因是前一年战斗的后果,而斯特林被考虑接任他在爱丁堡的讲席。然而,斯特林对詹姆斯党事业的强烈支持意味着这样的任命是不可能的,尤其是在叛乱之后的那一年。

斯特林于1746年当选为柏林皇家科学院的成员。1753年,他辞去了皇家学会的职务,因为他欠学会的钱,再也无力支付年度订阅费。辞职花了他20英镑。

斯特林的一项非数学贡献在[8]中有描述(另见[5]):-

……他勘测了克莱德河,以期通过一系列船闸使其可通航,从而迈出了使格拉斯哥成为苏格兰商业首都的第一步。市民们并非不知感激,于1752年赠予他一把银茶壶,‘以酬其服务、辛劳与烦劳’。

最后我们必须讨论斯特林的第二项主要数学贡献,即他关于地球形状的工作。1733年12月6日,斯特林向皇家学会宣读了一篇题为Twelve propositions concerning the figure of the Earth的论文。该学会的会议记录写道:-

斯特林被命令致谢,并被要求交流他的命题。

斯特林确实提交了一份扩展版的结果,于1735年以Of the figure of the Earth, and the variation of gravity on the surface发表。在[1]中,该论文被描述为:-

他在其中未经证明地断言地球是一个扁球体,支持艾萨克·牛顿而反对与之竞争的乔凡尼·多美尼科·卡西尼观点。

在接下来的几年里,斯特林被所有人——包括后来自己做出重大贡献的科林·麦克劳林托马斯·辛普森——认为是该主题上领先的英国专家。正如斯特林未发表的手稿所表明的[3],他确实比1735年的论文走得远得多,但很可能矿业公司的工作压力使他几乎没有时间打磨这项工作。他在1738年10月26日写给科林·麦克劳林的一封信中解释了为什么尽管有出版的压力他仍未出版:——

去年夏天我收到约翰·梅钦先生的一封信,完全关于地球的形状和新的测量,他似乎认为现在是我发表关于该主题的命题的适当时机,因为每个人都在对此议论纷纷;但我宁愿等到法国人从南方回来,我听说很快就会回来。到目前为止,我还未能将北方的测量与理论调和起来……

事实上,被斯特林称为“南方”的法国厄瓜多尔远征队于1735年出发,但直到1744年才返回。

参考文献

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