数学史 · 中文镜像

数学家传记

雅克·夏尔·弗朗索瓦·施图姆Charles Sturm

出生
1803年9月29日 瑞士日内瓦
逝世
1855年12月18日 法国巴黎

雅克·夏尔·弗朗索瓦·施图姆最为人所铭记的是雅克·夏尔·弗朗索瓦·施图姆-约瑟夫·刘维尔问题,这是二阶微分方程中的一个特征值问题。

完整传记

雅克·夏尔·弗朗索瓦·施图姆的父亲是Jean-Henri施图姆,其家族从斯特拉斯堡来到日内瓦定居,大约在施图姆出生前50年。Jean-Henri施图姆是一位算术教师,娶了Jeanne-Louise-Henriette Gremay。施图姆的父母给了他良好的教育,在学校他表现出极大的前途,特别是在希腊和拉丁诗歌方面,他有非凡的才能。

施图姆来自一个新教家庭,为了学习德语,他参加了当地的路德教会,那里用该语言布道。当施图姆十六岁时,他的父亲去世,他改变了学术研究的方向,离开人文学科,开始学习数学。1821年,他在日内瓦科学院由SimonLhuilier教授数学,Lhuilier立即认出了施图姆的数学天才。然而,Lhuilier当时已年过七十,接近退休,所以是他的继任者Jean-Jacques Schaub启发了施图姆。Schaub不仅教施图姆数学,还在科学院为他提供经济支持。施图姆的父亲去世后,家庭陷入相当大的经济困难,所以经济援助让施图姆能够继续他的教育。

在科学院施图姆最好的朋友是Daniel Colladon,这段友谊对施图姆早期的研究生涯产生了显著影响。离开科学院后,施图姆被任命为位于日内瓦附近科佩城堡的斯塔尔夫人的小儿子的家庭教师。他于1823年5月上任,发现这给了他大量空闲时间致力于自己的研究。他很好地利用了自己的时间,开始撰写关于几何学的文章,这些文章发表在约瑟夫·热尔岗Annales de mathématiques pures et appliquées上。1823年底之前,这家人从城堡搬到了巴黎,在那里待了六个月,施图姆作为家庭教师自然随行。

在巴黎,他通过这个家庭被引入了科学界。施图姆写信给他的朋友Colladon(见[1]):-

至于M 弗朗索瓦·阿拉戈,我曾两三次置身于他每周四邀请到他家的科学家群体中,在那里我见到了顶尖科学家皮埃尔·西蒙·拉普拉斯西莫恩·德尼·泊松约瑟夫·傅里叶、Gay-Lussac、安德烈-马里·安培等……我经常参加每周一举行的研究所会议。

这对施图姆来说显然是一个极其幸运的机会。尽管他在1824年5月回到了城堡,但六个月后他又离开了,投身于科学研究。Paris Academy设定了一个关于水的压缩性的奖项题目,施图姆和他的朋友Colladon决定在日内瓦湖上开始实验,目的是提交参赛作品。实验并不十分成功,因为它们没有产生预期的结果,而且Colladon在进行实验时手部受了重伤。

1825年12月,施图姆和Colladon前往巴黎学习数学和物理课程,并收集更多仪器以重复他们的实验。施图姆在巴黎建立的人脉证明是有用的,因为他曾在弗朗索瓦·阿拉戈家中住了一段时间,担任其儿子的家庭教师。他还获准使用安德烈-马里·安培的实验室。这段时间对施图姆来说非常富有成果,他听了安德烈-马里·安培、Gay-Lussac、奥古斯丁·路易·柯西西尔维斯特·佛朗索瓦·拉克鲁瓦的讲座。约瑟夫·傅里叶为施图姆和Colladon都建议了研究项目,他认识到Colladon本质上是一位物理学家,而施图姆是一位数学家。

尽管他们完成了为Académie des Sciences大奖赛准备的论文,但他们没有获奖;事实上,没有一份提交的作品被认为足够好,同一题目被再次设立。此时,施图姆和Colladon都在为约瑟夫·傅里叶做助手。Colladon在日内瓦湖上做了进一步的实验,在修改了他们的联合论文后,他们成功赢得了奖项。奖金的数额足以让施图姆和Colladon在巴黎继续他们的研究。这一点标志着他们成功合作的结束,两人开始了不同的研究项目。施图姆在数学物理方面的理论工作涉及焦散曲线以及圆锥曲线的极点和极线。

施图姆最著名的论文之一Mémoire sur la résolution des équations numériques(关于解数值方程的学位论文)于1829年发表。它考虑了确定方程在给定区间上实根个数的问题。这个问题是一个著名的问题,有着悠久的历史,曾被勒内·笛卡儿米歇尔·罗尔约瑟夫·拉格朗日约瑟夫·傅里叶考虑过。第一个给出完整解的是奥古斯丁·路易·柯西,但他的方法繁琐且不实用。施图姆凭借他的论文获得了名声,该论文利用约瑟夫·傅里叶的思想,给出了一个简单的解。夏尔·埃尔米特写道:-

施图姆的定理有幸立即成为经典,并在教学中占据了一个它将永远保持的位置。他的证明只利用了最基本的考虑,是简洁和优雅的罕见例子。

奇怪的是,尽管该定理很快成为经典,但它不久就被 relegated 到历史中,并且与夏尔·埃尔米特所相信的相反,从教科书中消失了。正如标题所示,[5]考察了施图姆代数定理历史上的两个事件。作者描述了阿尔弗雷德·塔斯基如何在1940年表明施图姆的证明方法可用于数学逻辑中,以证明初等代数和几何的完备性。1829年的论文并不是施图姆关于这些代数方程工作的最后成果,在[12]中Sinaceur:-

...试图确定奥古斯丁·路易·柯西和Ch-F 施图姆从1829年到大约1840年关于代数方程根的研究之间的相互影响。

当时,对于外国人和新教徒来说,巴黎不是一个容易获得职位的地方,尽管他因1829年的论文而闻名,但他并未被任命。1830年七月革命改变了政治气候,此后弗朗索瓦·阿拉戈成功让施图姆被任命为罗林学院的数学教授。他于1833年成为法国公民,并于1836年当选为Académie des Sciences。这些年间,他发表了一些关于微分方程的重要成果。

施图姆对获得西莫恩·德尼·泊松热理论中出现的特定微分方程的结果产生了兴趣。约瑟夫·刘维尔也在研究从热理论导出的微分方程。施图姆和约瑟夫·刘维尔在1836-1837年关于微分方程的论文涉及函数的级数展开,今天被称为施图姆-约瑟夫·刘维尔问题,是二阶微分方程中的一个eigenvalue问题。

他于1838年起在巴黎的巴黎综合理工学院工作,1840年成为分析与力学教授。同年,他接替西莫恩·德尼·泊松担任巴黎理学院力学讲席。在大约十年间,他讲授了出色的课程,但他希望给学生提供尽可能好的课程,这意味着他花费大量时间准备关于微分与积分学以及理性力学的讲义。这些讲义成为广泛使用的教材Cours d'analyse de l'École Polytechnique 2 Vol(1857-63)和Cours de mécanique de l'École Polytechnique 2 Vol(巴黎综合理工学院力学教程,第2卷)(1861),两者均在他去世后出版。

他用于研究的时间现在有限,但他仍做出了重要贡献,从事无穷小几何、射影几何以及曲线与曲面的微分几何的研究。他还在几何光学方面做了重要工作。

从1851年起,他的健康开始恶化,尽管他勇敢地试图克服问题并重返教学(他设法坚持了一段时间),但他在长期患病后去世。

参考文献

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