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数学家传记

布鲁克·泰勒Brook Taylor

出生
1685年8月18日 英格兰米德尔塞克斯埃德蒙顿
逝世
1731年12月29日 英格兰伦敦萨默塞特府

布鲁克·泰勒 是一位英国数学家,他为数学增添了一个现在称为“有限差分演算”的新分支,发明了分部积分法,并发现了被称为布鲁克·泰勒展开式的著名公式。

完整传记

布鲁克·泰勒的父亲是John Taylor,母亲是Olivia Tempest。John Taylor是Natheniel 泰勒的儿子,后者是科尔切斯特的记录官,也是奥利弗·克伦威尔议会中代表贝德福德郡的议员,而Olivia Tempest是Sir John Tempest的女儿。因此,泰勒出生在一个处于贵族边缘的家庭,当然他们相当富有。

泰勒成长在一个父亲以严格纪律管束的家庭中,但父亲是一位有文化修养的人,对绘画和音乐感兴趣。尽管John Taylor对儿子有一些负面影响,但也有一些正面影响,特别是让儿子爱上了音乐和绘画。泰勒长大后不仅成为一位有造诣的音乐家和画家,而且后来还将他的数学才能应用于这两个领域。

泰勒的家庭很富裕,能够为儿子聘请私人教师,事实上,这种家庭教育就是泰勒在1703年4月3日进入剑桥圣弗瑞兹·约翰学院之前所享受的全部教育。此时他在古典学和数学方面已有良好的基础。在剑桥,泰勒深深投入到数学中。他于1709年获得法学学士学位毕业,但此时他已经写了他的第一篇重要数学论文(在1708年),尽管它直到1714年才发表。我们从泰勒从本科时代起与约翰·梅钦Keill的通信中,了解到一些关于他对各种数学问题思考的细节。

1712年,泰勒当选为皇家学会会士。这是在4月3日,显然这次当选更多是基于约翰·梅钦、Keill等人所了解的泰勒的专业知识,而不是基于他发表的研究成果。例如,泰勒在1712年写信给梅钦,提供了一个关于约翰内斯·开普勒行星运动第二定律问题的解答。同样在1712年,泰勒被任命为委员会成员,该委员会负责裁定艾萨克·牛顿还是哥特弗里德·威廉·莱布尼茨发明了微积分这一主张是否正确。

我们上面提到的写于1708年的论文于1714年发表在Philosophical Transactions of the Royal Society上。这篇论文给出了物体振动中心问题的解,并导致了与约翰·伯努利的优先权之争。我们将在下面稍微多谈一些关于泰勒和约翰·伯努利之间的争论。回到这篇论文,它是一篇力学论文,严重依赖于艾萨克·牛顿对微分学的方法。

1714年也是泰勒被选为皇家学会秘书的年份。泰勒从那年1月14日担任这一职位,直到1718年10月21日辞职,部分原因是健康问题,部分原因是他对这个相当苛刻的职位缺乏兴趣。泰勒担任皇家学会秘书的时期确实标志着他数学上最多产的时期。1715年出版的两本书,Methodus incrementorum directa et inversaLinear Perspective,在数学史上极为重要。第一本书包含了现在被称为泰勒级数的内容,尽管直到1785年才以此闻名。第二版分别于1717年和1719年出版。我们将在下面详细讨论这些著作的内容。

泰勒多次访问法国。这些访问部分是为了健康原因,部分是为了拜访他在那里结交的朋友。他会见了皮耶·黑蒙·德蒙马特,并在返回后就各种数学主题与他通信。特别是他们讨论了无穷级数和probability。泰勒还就概率问题与亚伯拉罕·棣莫弗通信,有时这些数学家之间会进行三方讨论。

在1712年至1724年间,泰勒发表了十三篇文章,主题多样,包括描述毛细作用、磁性和温度计的实验。他描述了发现磁吸引定律的实验(1715年),以及通过给出计算对数的新方法来改进方程根的近似方法(1717年)。然而,他的生活从1721年左右开始遭遇一系列个人悲剧。那一年,他与来自萨里郡沃灵顿的Brydges小姐结婚。虽然她来自一个好家庭,但并不是一个有钱的家庭,泰勒的父亲强烈反对这桩婚事。结果是泰勒与父亲之间的关系破裂,父子之间直到1723年都没有联系。就在那一年,泰勒的妻子在分娩时去世。孩子,本应是他们的第一个孩子,也夭折了。

在失去妻子和孩子的悲剧之后,泰勒回到父亲身边生活,两人之间的关系得到了修复。两年后,即1725年,泰勒再次结婚,娶了来自肯特郡奥兰蒂的Sabetta Sawbridge。这桩婚姻得到了泰勒父亲的批准,他于四年后的1729年4月4日去世。泰勒继承了父亲的Bifons庄园,但进一步的悲剧降临,他的第二任妻子Sabetta在次年分娩时去世。这一次,孩子,一个女儿Elizabeth,活了下来。

泰勒为数学增添了一个现在称为“有限差分学”的新分支,发明了分部积分,并发现了著名的级数,称为泰勒展开。这些思想出现在他1715年的书Methodus incrementorum directa et inversa中,上面已提到。事实上,泰勒首次提到今天称为泰勒定理的某个版本,是在他1712年7月26日写给梅钦的一封信中。在这封信中,泰勒仔细解释了他从哪里得到这个想法。

据泰勒记载,这源于约翰·梅钦在Child's Coffeehouse的一次评论,当时他谈到用“艾萨克·牛顿爵士的级数”来解约翰内斯·开普勒的问题,以及用“爱德蒙·哈雷博士的求根法”来解多项式方程。事实上,1715年的论文中给出了泰勒定理的两个版本,对现代读者来说它们看起来等价,但[8]的作者令人信服地论证说,它们的动机不同。泰勒最初推导出作为命题11出现的版本,是作为爱德蒙·哈雷近似求解约翰内斯·开普勒方程根的方法的推广,但很快发现它是雅各布·伯努利级数的推论。这就是受上述咖啡馆谈话启发的版本。第二个版本作为命题7的推论2出现,被认为是将流数方程的解展开为无穷级数的一种方法。

我们绝不能给人这样的印象:这个结果是 泰勒 首先发现的。詹姆斯·格雷果里艾萨克·牛顿哥特弗里德·威廉·莱布尼茨约翰·伯努利亚伯拉罕·棣莫弗 都发现了 泰勒 定理的变体。例如,詹姆斯·格雷果里 知道

arctanx=x13x3+15x517x7+...\arctan x = x - \large\frac{1}{3}\normalsize x^{3} + \large\frac{1}{5}\normalsize x^{5} - \large\frac{1}{7}\normalsize x^{7} + ...

他的方法在 [13] 中讨论。艾萨克·牛顿 的 泰勒 级数思想与 詹姆斯·格雷果里 的思想之间的差异在 [15] 中讨论。所有这些数学家都是独立做出发现的,泰勒 的工作也独立于其他人的工作。泰勒 定理的重要性直到 1772 年才被认识到,当时 约瑟夫·拉格朗日 宣布它是微分学的基本原理。术语“泰勒 级数”似乎首次由 Lhuilier 在 1786 年使用。

你可以在THIS LINK看到更多关于泰勒级数的内容。

1715年的Methodus incrementorum directa et inversa中还包含其他一些重要想法,当时并未被认为重要。这些包括微分方程的奇解、变量替换公式,以及将函数的导数与反函数的导数联系起来的方法。书中还包含关于振动弦的讨论,这一兴趣几乎肯定来自泰勒早年对音乐的热爱。

泰勒在研究振动弦时,并不是试图建立运动方程,而是从摆的等时性角度考虑柔性弦的振动。他试图找到振动弦的形状和等时摆的长度,而不是找到它的运动方程。对这些思想的进一步讨论见[14]。

泰勒还在Linear Perspective(1715)中提出了透视法的基本原理。第二版标题不同,称为New principles of linear perspective。这部著作首次对消失点作了普遍处理。泰勒对这门学科采取了高度数学化的方法,对艺术家毫不迁就,而艺术家本应认为这些思想对他们至关重要。有时即使对数学家来说,也很难理解泰勒的结果。“线性透视”一词是泰勒在这部著作中发明的,他将不平行于画面的一条直线的消失点定义为:过眼睛且平行于给定直线的直线与画面的交点。他还将不平行于画面的给定平面的消失线定义为:过眼睛且平行于给定平面的平面与画面的交线。他没有发明消失点和消失线这两个术语,但他是最早强调其重要性的人之一。泰勒线性透视理论的主要定理是:不平行于画面的一条直线的投影通过其交点及其消失点。

还有一个有趣的反问题,即为了从艺术家所意图的视角观看图画而寻找眼睛的位置。泰勒并不是第一个讨论这个反问题的人,但他确实对此类透视问题的理论做出了创新性的贡献。人们当然可以把这项工作视为描述性几何与射影几何理论的基础。

泰勒向“非英国数学家”发起挑战,要求他们积分某个微分。必须将这一挑战视为牛顿派与莱布尼茨派之间争论的一部分。Conte在7中讨论了约翰·伯努利法尼亚诺对泰勒挑战的回应。我们上文提到了约翰·伯努利与Taylor之间的争论。泰勒虽然并非在所有争论中都获胜,但肯定能在相当平等的条件下与约翰·伯努利辩论。Jones在1中描述了这些争论:-

他们在期刊上的辩论偶尔包含相当激烈的言辞,并且一度以五十几尼打赌。当约翰·伯努利在私人信件中建议他们以更有绅士风度的措辞进行辩论时,泰勒回复说,他有意显得尖锐,并要“表现出愤慨”。

Jones还在1中解释说,泰勒是一位远比许多人所认为的更为深刻的数学家:-

对泰勒生平与工作的研究揭示,他对数学发展的贡献远大于仅以一个定理冠以其名所暗示的程度。他的工作简洁而难以理解。他所触及、初步发展但未能进一步阐述的重要概念数量惊人,这令人遗憾地想到,健康、家庭忧虑与悲伤,或其他无法评估的因素,包括财富和父母的支配,限制了他相对短暂一生中数学上富有成果的部分。

参考文献

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