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数学家传记

陶哲轩Terence Tao

出生
1975年7月17日 澳大利亚南澳大利亚州阿德莱德

陶哲轩是澳大利亚裔美国数学家,因对偏微分方程、组合学、调和分析和加性数论的贡献,于2006年获得约翰·查尔斯·菲尔兹奖。他继续在极其广泛的课题上证明卓越的结果。

完整传记

陶哲轩被朋友和同事称为Terry 陶哲轩。他的父亲雅克·德·比伊 陶哲轩是一位出生于中国的儿科医生,曾从事天才儿童教育和自闭症研究。Terry的母亲Grace出生于香港,拥有物理学和数学大学学位。德·比伊和Grace在香港大学学习时相识,并于1972年移民澳大利亚。Grace Tao在移民澳大利亚之前曾在香港多所中学教授物理、化学、科学和数学,到达澳大利亚后也在那里的中学任教。本传记的主人公Terry是他们的长子,有两个弟弟Trevor(比Terry小两岁)和Nigel(比Terry小四岁)。

Trevor和Nigel都极具天赋,他们后来获得博士学位并从事研究工作。Trevor 陶哲轩(生于1977年11月22日)从两岁起被诊断为自闭症。他在阿德莱德大学攻读双学位,理学学士(数学和计算机科学)与音乐学士(钢琴表演和作曲双主修),于2000年完成。他是国际象棋大师,最高国际象棋等级分2440,青少年时期还获得过数学和音乐(古典音乐作曲)奖项。Nigel于2000年获得澳大利亚国立大学计算机科学荣誉学士学位。他曾在匹兹堡的WhizBang! Labs工作,但该公司于2002年5月关闭。2006年,他开始在悉尼的谷歌工作。让我们回到Terry 陶哲轩的传记。

Terry两岁时,他的父母意识到他与其他孩子不同。他们看到他教五岁的孩子拼写和加法,当他们问他如何学会这些技能时,他回答说他在电视上看《芝麻街》。他三岁半时,父母送他去一所私立学校,但六周后,他们意识到他还没有准备好上学,而且老师也不知道如何教像他这样的孩子。于是他们让他退学,直到他像其他孩子一样五岁时才重新开始上学。文章[21]对Terry八岁生日前夕的数学能力进行了评估,当时他正在阿德莱德的Blackwood高中就读。Ken Clements写道,当他走进他家时,Terry正:-

……坐在房间的远角,读着一本名为《微积分》的精装书。陶哲轩个子很小,即使对一个七岁的孩子来说也是如此。见过他的两个弟弟后,陶哲轩陪我去了他父亲的书房,在那里,简短交谈后,我开始了我对异常聪慧的小学学龄儿童的常规评估程序。

Clements发现Terry知道群的定义,并能用微分微积分解决图形绘制问题。他想知道他的母亲教了他多少,但发现她的角色[21]:-

……更多是引导和激发陶哲轩的发展,而不是教他。她说陶哲轩喜欢自己阅读数学,他经常在放学后花三四个小时阅读数学教科书。

1984年,陶哲轩九岁时,他的父亲带他去拜访一些世界顶尖的数学家。他们去了普林斯顿的高等爱德华·斯图迪研究所,在那里陶哲轩接受了查尔斯·费夫曼恩里科·邦别里的采访。查尔斯·费夫曼向陶哲轩提出了以下问题[8]:-

想象你被困在一个房间里,房间里有一头饥饿的狮子。你和狮子都被表示为空间中的点。假设狮子跑得比你快。假设你跑得比狮子快。假设你和狮子跑得完全一样快。你如何避免被吃掉?

尽管现在没有人记得陶哲轩的回答,但查尔斯·费夫曼说[8]:-

一个9岁的孩子能对一个数学问题提出想法,而这不是他在任何课堂上学到的常规内容,这让我印象深刻。

到Terry十一岁时,他的时间分配在1983年至1988年就读的Blackwood High School的学习和在阿德莱德的Flinders University上课之间,在那里他由Garth Gaudry(1941-2012)授课。甚至更早,在十岁时,他就开始参加国际数学奥林匹克。他在1986年获得铜牌,1987年获得银牌,1988年获得金牌,成为数学奥林匹克史上最年轻的金牌得主。但我们不应该认为每门学校科目对陶哲轩来说都很容易。他在有精确规则的科目上很出色,比如数学和拉丁语,但当他的英语老师要求全班写一篇关于“家”的文章时,他完全不知所措。

1989年,十四岁时,他开始在Flinders University进行全日制大学学习,并在1990年,当他还是一个15岁的学童时,写了他的第一本书Solving mathematical problems. A personal perspective。在书中,陶哲轩写道,一个问题的解决方案:-

……应当相对简短、易懂,并且最好带一点优雅。发现它应当是有趣的。

第一版于1992年出版,第二版于2006年出版;你可以在THIS LINK读到1990年的序言、2005年写的序言,以及2006年版书评的摘录。

他于1991年12月获得荣誉理学士学位。他说[109]:-

我仍然记得在澳大利亚弗林德斯大学读大学时的那次领悟:数学不仅仅是一场抽象符号的游戏,还可以用作分析和理解现代世界的工具。

他在[89]中写到了这一领悟的时刻:-

为什么有些统计数据可信,有些却不可信?为什么有些投资策略稳健,另一些却有风险?为什么计算机能在几秒钟内为你搜索整个互联网,却连一个哪怕只是稍微变形或模糊的印刷字都读不出来?为什么我们现代的卫星阵列能以惊人的精度告诉数百万司机他们的位置,却无法正确预测两周后的天气?数学知识可以回答这些问题,并使世界变得可理解、有秩序,而不是神秘莫测、反复无常。一旦我看到这种知识的力量,以及当一切“豁然贯通”、一个令人困惑的问题自行化为清晰解答时那种满足感,我就终生着迷了。我想用数学尽可能多地探索和理解这个世界。

然而,他本科阶段并非事事顺利[116]:-

在大学里,我有一门Fortran课,我抗拒它,理由是我已经会BASIC了;我记得我挑衅地用BASIC而不是Fortran写了期末作业代码(结果这门课挂了)。

他继续在弗林德斯大学攻读硕士学位,导师是Garth Gaudry。陶哲轩在[88]中写道:-

我从在弗林德斯大学读本科时就认识Garth了。他当时是院长(大致相当于美国的系主任),但仍能每周抽出一小时与我会面讨论实分析,当时我正在研读沃尔特·鲁丁的《实分析与复分析》,然后是埃利亚斯·施泰因的《奇异积分》,最终在他的指导下完成了一篇关于威廉·金顿·克利福德值奇异积分的硕士论文。

陶哲轩于1992年8月获得学位,撰写了学位论文Convolution operators generated by right-monogenic and harmonic kernels。他获得了弗林德斯大学颁发的大学奖章和富布赖特研究生奖学金,使他能够在美国进行研究。他在[109]中解释道:-

我其实并没有在四年内完成两个学位;我在正式入学前以非全日制身份就读于弗林德斯大学,他们决定将这些课程计入我的学位。

陶哲轩在1992年十六岁时前往美国开始读研究生[8]:-

研究生阶段是陶哲轩第一次离家,这一转变被证明是困难的。他的父亲在开学的第一周陪着他,教他如何做诸如洗衣服和开银行账户之类的基本事务。在空闲时间,陶哲轩加入了电影俱乐部,并玩桌上足球、在线桥牌和电脑游戏。

他开始在普林斯顿大学进行研究,导师是埃利亚斯·施泰因。起初事情很困难,因为在此之前陶哲轩一直觉得一切都很容易,以至于没有培养出任何学习技能。在一次考试中勉强及格后,他决心更加努力。他在[90]中写道:-

我与埃利亚斯·施泰因的每周会面往往是这样进行的:我会汇报过去一周我为解决当前研究问题所尝试的许多不同方法,但都没有取得多大成功;埃利亚斯·施泰因会耐心地听我说的一切,集中思考片刻,然后走到他的文件柜前,找出一篇预印本递给我,说:“我认为这篇论文的作者遇到了类似的问题,并用方法X解决了它。”然后我会回到办公室阅读这篇预印本,确实他们面临过类似的问题,我常常能借鉴其中的技巧来解决眼前的障碍(结果下周又会遇到新的障碍,但研究往往就是这样,尤其是作为研究生)。除其他事项外,这些会面让我深刻体会到数学经验的价值,因为能够在几分钟内在一个问题上取得比我整整一周所能完成的更关键的进展。

在他职业生涯的这个阶段,他在澳大利亚和美国两地度过时间。他是弗林德斯医学中心的助理研究员(1992-94),在他父亲的研究小组中担任计算机程序员,并在1993-94年期间担任普林斯顿大学的助理研究员。1995年,他获得了斯隆研究生奖学金。1996年6月,他凭借学位论文Three regularity results in harmonic analysis获得了博士学位。1996年,他的研究论文开始发表,当年发表了四篇论文。这些是:Weak-type endpoint bounds for Riesz means;(与Andrew C Millard合作)On the structure of projective group representations in quaternionic Hilbert spaceOn the almost everywhere convergence of wavelet summation methods;以及Convolution operators on Lipschitz graphs with harmonic kernels

获得博士学位后,陶哲轩被任命为加州大学洛杉矶分校的Hedrick助理教授,他于1996年至1998年担任该职位。他继续担任加州大学洛杉矶分校的助理教授,并于2000年二十四岁时被提升为正教授。这使他成为加州大学洛杉矶分校有史以来最年轻的正教授。

当他开始在加州大学洛杉矶分校讲课时,他教的一个班上有一个名叫Laura的学生,她[114]:-

……她不记得在她开始把作业塞进教授办公室门缝后不久,是谁先提议他们去喝咖啡的。她喜欢陶哲轩那种放松而稳重的样子。

她后来毕业成为电气工程师,并在加州理工学院的美国宇航局喷气推进实验室工作。陶哲轩和Laura于2002年结婚,他们有两个孩子,William Tao和Madeleine 陶哲轩。当文章[114]写成时(2015年3月),William Tao十一岁,Madeleine 陶哲轩三岁。十一岁的William是[114]:-

……学习钢琴、吉他和单簧管。有一天,他在一家商场被一家人才中介公司看中——“我们喜欢他的脸,”他们说——他为莱斯特·佛特和迪士尼拍过广告。“他在某些方面和我不同,”陶哲轩说,他喜欢和儿子一起看《神秘博士》。“他喜欢数学,而且擅长数学,但他喜欢自由形式;他喜欢我从未涉足的东西,比如写作。我在学校从来都不太擅长……人文学科……任何更取决于观点的事情。”

2007年,陶哲轩被任命为加州大学洛杉矶分校的James and Carol Collins讲席教授。

为像陶哲轩这样正处于创造力巅峰的人写传记是非常困难的。任何关于他研究贡献的记述都会很快过时,因为他继续在极其广泛的不同领域中贡献重大成果。然而,他在年轻时就已经产出了一系列惊人的成果,从而获得了数学界所有最高奖项,而这位杰出的数学家仍在数学的多个领域不断取得重大进展。

在考察他的贡献之前,我们先列出他所获得的奖项和荣誉(尽管这份于2023年11月编制的名单,随着他不断获奖,注定会很快过时)。这些奖项包括:拉斐尔·塞勒姆奖(2000年);American Mathematical Society马克希莫·博谢纪念奖(2002年);克莱数学研究所的克莱研究奖(2003年);American Mathematical Society的Levi L Conant奖(2005年);Australian Mathematical Society奖章(2005年);国际分析、应用与计算学会的ISAAC奖(2005年);SASTRA 拉马努金奖(2006年);约翰·查尔斯·菲尔兹奖章(2006年);亚历山大·奥斯特洛夫斯基基金会的亚历山大·奥斯特洛夫斯基奖(2007年);美国国家科学基金会的Alan T Waterman奖(2008年);昂萨格奖章(2008年);信息论学会论文奖(2008年);弗林德斯大学校友会毕业典礼奖(2008年);费萨尔国王国际奖(数学)(2010年);西北大学的Nemmers数学奖(2010年);Society for Industrial and Applied Mathematics乔治·波利亚奖(2010年);克拉福德奖(2012年);数学突破奖(2014年);Royal Society of London的物理科学皇家奖章;PROSE奖“数学”类别(2015年);波恩哈德·黎曼奖(2019年);阿斯图里亚斯公主技术与科学研究奖(2020年);Hungarian Academy of Sciences鲍耶国际数学奖(2020年);联合西格玛智能协会数学奖(2021年);Advance Global Australian Awards的教育与研究奖(2022年);全球澳大利亚年度人物奖(2022年),以及法国科学院的大奖章(2022年)。

关于授予陶哲轩这些奖项的更多信息,见THIS LINK

此外,他还获得了斯隆基金会研究奖学金(1999-2001年)、弗洛伦斯·南丁格尔·大卫与露西尔·帕卡德基金会基金会奖学金(1999-2006年)、麦克阿瑟基金会的麦克阿瑟奖学金(2007-11年),并被任命为西蒙斯研究员(2012年)。他先后当选为澳大利亚科学院(2006年)、Royal Society会士(2007年)、National Academy of Sciences(2008年)和美国艺术与科学院(2009年)。他于2007年入围澳大利亚年度人物。

为了了解他的研究贡献,我们首先注意到他获得了2006年约翰·查尔斯·菲尔兹奖章:-

……表彰他对偏微分方程、组合学、调和分析和加性数论的贡献。

文章[1]描述了约翰·查尔斯·菲尔兹奖章的颁发,给出了如下概述:-

陶哲轩是一位顶尖的问题解决者,其卓越的工作影响了多个数学领域。他兼具纯粹的技术力量、灵光乍现的独创性以及令人惊讶的自然视角,让其他数学家不禁感叹:“为什么之前没人想到这一点?”31岁的陶哲轩已经撰写了八十多篇研究论文,合作者超过三十人,他的兴趣横跨数学的广阔领域,包括调和分析、非线性偏微分方程和组合数学。“我在多个领域工作,但我并不认为它们是割裂的,”他在克莱数学研究所年度报告发表的一次采访中说。“我倾向于将数学视为一个统一的学科,尤其高兴能有机会参与同时涉及多个领域的项目。”

我们在此注意到,他现在已大大超过了2006年文章中提到的八十篇研究论文,MathSciNet记录了1996年至2023年间的353篇出版物。宣布将约翰·查尔斯·菲尔兹奖章授予陶哲轩的新闻稿列举了他在多个领域的成就,这些成就促成了这一最负盛名的数学奖项的颁发。首先,它描述了他在素数分布方面与Ben Green的合作。他们证明了一个非凡的结果:素数包含任意长度的等差数列。他于2006年4月3日星期一在蒙特利尔大学作了关于 Long Arithmetic Progressions in the Primes的André-Aisenstadt讲座。以下是他的摘要[4]:-

塞迈雷迪·安德烈的一个著名而困难的定理断言,整数集的任何正密度子集都包含任意长的等差数列;这个定理有四种不同的证明(图论、遍历论、约瑟夫·傅里叶分析以及超图论),每一种都极具影响力、重要且深刻。一段时间以来,人们一直猜想同样的结果对素数也成立(素数当然具有零密度)。我将讨论最近与Ben Green合作获得这一猜想的工作,方法是将素数视为具有正相对密度的几乎素数(素因子很少的数)的子集。关键在于,由于筛法技术,如Goldston和Yildirim最近的工作,几乎素数比素数本身更容易控制。要将塞迈雷迪·安德烈的定理“转移”到这种相对设定中,需要借鉴塞迈雷迪·安德烈定理所有四种已知证明的技术,尤其是遍历论证明。

然而,这一了不起的成就只是众多成就之一,还有更多值得一说。陶哲轩做出许多贡献的一个领域是挂谷问题。这个问题最初在二维中提出,要求的是能够将一根针旋转180°的形状的最小面积。答案相当令人惊讶,事实上你可以使面积小于任何选定的数。陶哲轩研究了nn维挂谷问题,其中最小体积同样可以任意小,但形状的分形维数未知。这个问题听起来相当专门,但恰恰相反,它与约瑟夫·傅里叶分析和非线性波有着惊人的联系。陶哲轩工作过的另一个领域是求解描述引力的广义相对论方程的特殊情形。对方程施加柱对称性会导致“波映射”问题,尽管该问题尚未解决,但陶哲轩的贡献引发了兴趣的极大复苏,因为他的想法似乎使解决方案成为可能。陶哲轩引入新颖想法、使该主题焕然一新的另一个领域是非线性埃尔温·薛定谔方程理论。这些方程有相当大的实际应用,陶哲轩的洞见再次对特定埃尔温·薛定谔方程的行为提供了大量启示。

让我们简要提及陶哲轩的其他一些显著贡献。2015年,他解决了埃尔德什差异问题,证明了埃尔德什在1932年提出的猜想。2016年,他提出了一种处理描述流体流动的克洛德-路易·纳维-乔治·加布里埃尔·斯托克斯方程的新方法。关于这些方程有一些重要问题,它们出现在克莱数学研究所的七个千禧年问题中。陶哲轩继续研究这些方程,并在2019年取得了进一步的重大进展。同样在2019年,陶哲轩在解决洛萨·考拉兹猜想方面取得了进展。给定任意整数nin_{i},如果nin_{i}是偶数,定义ni+1=12nin_{i+1} = \large\frac{1}{2}\normalsize n_{i},如果nin_i是奇数,定义ni+1=3ni+1n_{i+1} = 3n_{i} + 1洛萨·考拉兹在1937年提出的洛萨·考拉兹猜想指出,给定任意整数n0n_{0},上述过程给出的序列总是在有限步内达到1 [36]:-

数学家们把洛萨·考拉兹猜想视为泥潭,互相警告要远离它。但现在陶哲轩取得的进展比任何人几十年来的都多。

陶哲轩的部分结果,该猜想仍未解决。

2022年,陶哲轩与Rachel Greenfeld一起找到了一个铺砌猜想的反例。2016年,Siddhartha Bhattacharya证明了如果只允许对瓷砖进行平移,那么单块瓷砖无法非周期性地铺满平面而不周期性地铺满平面。人们曾猜想这在更高维度中也成立,但陶哲轩和Greenfeld找到了一块充满扭曲和孔洞的单块瓷砖,它存在于一个非常高维的空间中(或许维度大于21001002^{100^{100}}),该瓷砖能非周期性地铺满那个空间但不能周期性地铺满。

陶哲轩与Tamar Ziegler合作在最近(2023年)的一篇论文中证明了以下定理[91]:-

... there exist infinite sets A={a1,a2,...}A = \{ a_{1}, a_{2}, ... \} and B={b1,b2,...}B = \{b_{1}, b_{2}, ... \} of natural numbers such that ai+bja_{i} + b_{j} is prime whenever 1i<j1 ≤ i < j

人们可能会想,凭借其惊人的研究论文产出,陶哲轩不会有时间写书。然而,这完全错了,因为他既出版了研究专著,也出版了本科生教材。现在让我们来看看这些。2006年,陶哲轩出版了我们在上面提到的Solving mathematical problems。同年,他出版了一部两卷本教材Analysis

关于这本书的更多信息,见THIS LINK

同样在2006年,陶哲轩出版了Nonlinear dispersive equations,但令人惊讶的是,这仍然没有列完陶哲轩2006年的书,因为在那一年,他与Van Vu合作出版了Additive combinatorics

关于这两本书的更多信息,见THIS LINK

毫不奇怪,陶哲轩在他所做的一切事情上都是如此创新,他创造了一种新的书籍风格。上面描述的教材和研究专著在方法上具有创新性,但属于传统类型的书籍。2008年,陶哲轩出版了Structure and randomness. Pages from year one of a mathematical blog一书,2009年又出版了两本类似的书Poincaré's legacies, pages from year two of a mathematical blog第一部分和第二部分。你可以在THIS LINK给出的序言摘录中读到陶哲轩自己对这些博客的想法。

2010年,陶哲轩系列中的下一本An epsilon of room, I: real analysis. Pages from year three of a mathematical blog出版了。当我们在2011年撰写陶哲轩传记的第一版时,我们预期接下来几年会出现一系列漫长而引人入胜的著作。确实,我们是对的!他出版了An introduction to measure theory(2011年)、Topics in random matrix theory(2012年)、Higher order Fourier analysis(2012年)、Compactness and contradiction(2013年)、Hilbert's fifth problem and related topics(2014年)和Expansion in finite simple groups of Lie type(2015年)。我们注意到Hilbert's fifth problem and related topics获得了2015年PROSE奖最佳数学图书奖。关于这些书的详细信息,包括陶哲轩的序言和评论摘录,可在THIS LINK找到。

在访谈[116]中被问及爱好时,他回答说:-

如今,工作和家庭让我没有太多时间娱乐——基本上仅限于能在手机上几分钟内完成的活动。例如,近年来我每天花几分钟通过一个应用学习一门语言(目前是希伯来语)。……我会弹一点钢琴,尽管在这一点上,我认为我的两个孩子都超过了我。

让我们以来自8的一句引文结束:-

陶哲轩说,他的洞见是在大量艰苦工作之后才出现的。他从阅读、从其他数学家、从长途散步中获得想法。有时,一个想法会让他想起他在别处见过的类似问题,而那个问题现在可能有用。大多数路径都通向死胡同,但即使在死胡同里,他也能学到一些东西。“一旦你解决了一个问题,”他继续说道,“你往往只记得从A到B的那条短路径。你忘记了所有的死胡同。这有点遗憾。它给人一种错误的印象,即擅长数学的人只选择正确的步骤。但实际上有大量的试错和非常令人尴尬的想法。有时会有‘尤里卡’时刻,但更多时候是一种拍脑袋的时刻:‘当然,我为什么这么笨?’

参考文献

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延伸资源

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