卡爾·弗里德里希·高斯

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Carl Friedrich Gauss
卡爾·弗里德里希·高斯
Carl Friedrich Gauss.jpg
卡爾·弗里德里希·高斯的画像,由Christian Albrecht Jensen创作
出生 1777年4月30日(1777-04-30)
神圣罗马帝国Duchy of Brunswick-Wolfenbüttel布伦瑞克
逝世 1855年2月23日(77歲)
汉诺威王国哥廷根
居住地 汉诺威王国
国籍 德国
研究領域 数学物理学天文学大地测量学
任职於 哥廷根大学
母校 University of Helmstedt
博士導師 Johann Friedrich Pfaff
学术指导 Johann Christian Martin Bartels
博士學生 Christoph Gudermann
Christian Ludwig Gerling
理查德·戴德金
利斯廷
波恩哈德·黎曼
克里斯蒂安·彼得斯
Moritz Cantor
其他著名學生 约翰·弗朗茨·恩克
狄利克雷
费迪南·艾森斯坦
Carl Wolfgang Benjamin Goldschmidt
古斯塔夫·基尔霍夫
恩斯特·库默尔
奥古斯特·费迪南德·莫比乌斯
L. C. Schnürlein
Julius Weisbach
施影响於 索菲·热尔曼
Ferdinand Minding
獲獎 科普利奖章(1838年)
签名

约翰·卡爾·弗里德里希·高斯德语Johann Karl Friedrich Gauß关于这个音频文件英语Gauss拉丁语Carolus Fridericus Gauss;1777年4月30日-1855年2月23日), 德国著名数学家物理学家天文学家大地测量学家,生于布伦瑞克,卒于哥廷根。高斯被认为是歷史上最重要的数学家之一[1],并有「数学王子」的美誉[2]

1792年,15岁的高斯进入Collegium Carolinum,現今的布倫瑞克科技大學(Braunschweig University of Technology)。在那里,高斯开始对高等数学作研究。独立发现了二项式定理的一般形式、数论上的“二次互反律”、素数定理、及算术-几何平均数[3]

1795年高斯进入哥廷根大学。1796年,19岁的高斯得到了一个数学史上极重要的结果,就是《正十七边形尺规作图之理论与方法》。

1855年2月23日清晨,77岁的高斯于睡梦中去世。

生平[编辑]

在高斯的出生地不伦瑞克的雕像

高斯是一对普通夫妇的儿子。他的母亲是一个贫穷石匠的女儿,虽然十分聪明,但却没有接受过教育,近似于文盲。在她成为高斯父亲的第二个妻子之前,她从事女佣工作。他的父亲曾做过工头,商人的助手和一个小保险公司的评估师。当高斯三岁时便能够纠正他父亲的借债帐目的事情,已经成为一个轶事流传至今。他曾说,他能够在脑袋中进行复杂的计算。他的職業是园丁,他做事認真.

高斯10岁時利用很短的时间就计算出了小学老师提出的問題:自然数从1到100的求和。他所使用的方法是:对50对构造成和101的数列求和(1+100,2+99,3+98……),同时得到结果:5050。

小時候高斯家裡很窮,且他父親不認為學問有何用,但高斯依舊喜歡看書,話說在小時候,冬天吃完飯後他父親就會要他上床睡覺,以節省燃油,但當他上床睡覺時,他會將蕪菁的內部挖空,裡面塞入棉布卷,當成燈來使用,以繼續讀書。[4][5]

当高斯12岁时,已经开始怀疑几何原本中的基础证明。当他16岁时,预测在欧氏几何之外必然会产生一门完全不同的几何学,即非欧几里德几何学。他导出了二项式定理的一般形式,将其成功的运用在无穷级数,并发展了数学分析的理论。

高斯的老师布呂特內爾与他助手馬丁·巴爾特斯 很早就认识到了高斯在数学上异乎寻常的天赋,同时赫爾措克·卡爾·威廉·費迪南·馮·不倫瑞克也对这个天才儿童留下了深刻印象。于是他们从高斯14岁起便资助其学习与生活。这也使高斯能够在公元1792-1795年在Carolinum学院(今天不倫瑞克学院的前身)学习。18岁时,高斯转入哥廷根大学学习。在他19岁时,第一个成功的用尺规构造出了规则的17边形。

高斯于公元1805年10月5日与来自不倫瑞克的Johanna Elisabeth Rosina Osthoff小姐(1780-1809)结婚。在公元1806年8月21日迎来了他生命中的第一个孩子Joseph。此后,他又有两个孩子。威廉妮(18091840)和路易斯(18091810)。1807年高斯成为哥廷根大学的教授和当地天文台的台长。

1838年出版的天文學通報中高斯肖像。

虽然高斯作为一个数学家而闻名于世,但这并不意味着他热爱教书。尽管如此,他越来越多的学生成为有影响的数学家,如后来闻名于世的戴德金黎曼

高斯非常信教且保守。他的父亲死于1808年4月14日,晚些时候的1809年10月11日,他的第一位妻子Johanna也离开人世。次年8月4日高斯迎娶第二位妻子弗雷德妮卡·威廉妮(1788-1831))。他们又有三个孩子:歐根(1811-1896)、威廉(1813-1883)和 特雷瑟(1816-1864)。

1831年9月12日他的第二位妻子也死去,1837年高斯开始学习俄语。1839年4月18日,他的母亲在哥廷根逝世,享年95岁。高斯于1855年2月23日凌晨1点在哥廷根去世。

贡献[编辑]

18岁的高斯发现了最小二乘法,并猜测了質数定理。通过对足够多的测量数据的处理后,可以得到一个新的、概率性质的测量结果。在这些基础之上,高斯随后專注于曲面曲线的计算,并成功得到高斯钟形曲线(正态分布曲线)。其函数被命名为标准正态分布(或高斯分布),并在概率计算中大量使用。

在高斯19岁时,仅用尺规便构造出了17边形。并为流传了2000年的欧氏几何提供了自古希腊时代以来的第一次重要补充。

高斯总结了复数的应用,并且严格证明了每一个n阶的代数方程必有n个实数或者复数解。在他的第一本著名的著作《算术研究》中,作出了二次互反律的证明,成为数论继续发展的重要基础。在这部著作的第一章,导出了三角形全等定理的概念。

高斯在最小二乘法基础上创立的测量平差理论的帮助下,测算天体的运行轨迹。他用这种方法,测算出了小行星谷神星的运行轨迹。

谷神星于1801年被意大利天文学家皮亚齐发现,但因病他耽误了观测,从而失去了这颗小行星的轨迹。皮亚齐以希腊神话中的“丰收女神”对它命名,称为谷神星,并将自己以前观测的数据发表出来,希望全球的天文学家一起寻找。高斯通过以前3次的观测数据,计算出了谷神星的运行轨迹。奥地利天文学家海因里希·歐伯斯根据高斯计算出的轨道成功地发现了谷神星。高斯将这种方法发表在其著作《天体运动论》(Theoria Motus Corporum Coelestium in sectionibus conicis solem ambientium)中。

为了获知每年复活节的日期,高斯推导了复活节日期的计算公式。

1818年至1826年间,高斯主导了汉诺威公国的大地测量工作。通过最小二乘法为基础的测量平差的方法和求解线性方程组的方法,显著地提高了测量的精度。

高斯亲自参加野外测量工作。他白天观测,夜晚计算。在五六年间,经他亲自计算过的大地测量数据超过100万个。当高斯领导的三角测量外场观测走上正轨后,高斯把主要精力转移到处理观测成果的计算上,写出了近20篇对现代大地测量学具有重大意义的论文。在这些论文中,他推导了由椭圆面向圆球面投影时的公式,并作出了详细证明。这个理论直至现在仍有应用的价值。

汉诺威公国的大地测量工作至1848年结束。这项大地测量史上的巨大工程,如果没有高斯在理论上的仔细推敲,在观测上力图合理和精确,在数据处理上尽量周密和细致,就不能圆满的完成。在当时的不发达的条件下,布设了大规模的大地控制网,精确地确定2578个三角点的大地坐标。

为了用椭圆在球面上的正形投影理论以解决大地测量中出现的问题,在这段时间内高斯亦从事了曲面和投影的理论,并成为了微分几何的重要理论基础。相对论证明了宇宙空间实际上是非欧几何的空间。高斯的思想被近100年后的物理学接受了。

高斯试图在汉诺威公国的大地测量中通过测量Harz的Brocken——Thuringer Wald的Inselsberg——哥廷根的Hohen Hagen三个山头所构成的三角形的内角和,以验证非欧几何的正确性,但未成功。高斯的朋友鲍耶的儿子雅诺斯在1823年证明了非欧几何的存在。高斯对他勇于探索的精神表示了赞扬。1840年,罗巴切夫斯基用德文写了《平行线理论的几何研究》一文。这篇论文的发表引起了高斯的注意。他非常重视这一论证,积极建议哥廷根大学聘请罗巴切夫斯基为通信院士。为了能直接阅读他的著作,从这一年开始,63岁的高斯开始学习俄语,并最终掌握了这门外语。高斯最终成为微分几何的始祖(高斯、雅诺斯和罗巴切夫斯基)之一。

出于对实际应用的兴趣,高斯发明了日光反射仪。日光反射仪可以将光束反射至大约450公里外的地方。高斯后来不止一次地为原先的设计作出改进,试制成功了后来被广泛应用于大地测量的镜式六分仪。

19世纪30年代,高斯发明了磁强计。他辞去了天文台的工作,而转向物理的研究。他与韦伯1804-1891)在电磁学领域共同工作。他比韦伯年长27岁,以亦师亦友的身份与其合作。1833年,通过受电磁影响的罗盘指针,他向韦伯发送出电报。这不仅是从韦伯的实验室与天文台之间的第一个电话电报系统,也是世界首创的第一个电话电报系统。尽管线路才8公里长。

1840年,他和韦伯画出了世界第一张地球磁场图,并且定出了地球磁南极和磁北极的位置。次年,这些位置得到美国科学家的证实。

高斯在数个领域进行研究,但只把他认为已经成熟的理论发表出来。他经常对他的同事表示,该同事的结论已经被自己以前证明过了,只是因为基础理论的不完备而没有发表。批评者说他这样做是因为喜欢抢出风头。事实上高斯把他的研究结果都记录起来了。他死后,他的20部纪录着他的研究结果和想法的笔记被发现,证明高斯所说的是事实。一般人认为,20部笔记并非高斯笔记的全部。

下萨克森州和哥廷根大学图书馆已经将高斯的全部著作数位化,并放置于互联网上。

高斯的肖像曾被印刷在从1989年至2001年流通的10元德国马克纸币上。

宗教[编辑]

Bühler写道,根据高斯与Rudolf Wagner的通信,高斯并不相信人格化的上帝。他被认为是一位自然神论者。Bühler进一步阐述道,尽管高斯坚信灵魂的永恒和人死后存在某种生命形式,他绝对不能被认为是一位基督徒,因为他对Wagner说他不相信圣经。

根據Dunnington的資料,高斯的信仰基於尋求真理。他相信「精神個性上的不朽,像是個人在死後的持久性,還有最後命令的東西,以及永恆的、正義的、無所不知和無所不能的上帝。」高斯也堅持宗教的寬容,他相信打擾其他正處在他們自己和平信念中的人是不對的。[1]

家庭[编辑]

高斯個人的生活因為他的第一任妻子Johanna Osthoff在1809年早逝,以及他的孩子Louis也相繼死去而顯得黯然失色。高斯跌入一個他從來沒有完全恢復的憂鬱深淵。他後來再婚,對象是他第一任妻子的朋友,名叫Friederica Wilhelmine Waldeck,但通常稱作Minna。當他的第二任妻子在長期的病痛後死於1831年時[6],他的其中一個女兒Therese接手了整個家庭並且照顧高斯直到他的生命結束。他的母親則從1817年居住在他家直到1839年她死去。[1]

高斯有六個小孩。Johanna所生的小孩有Joseph(1806–1873),Wilhelmina(1808–1846)以及Louis(1809–1810)。高斯的所有小孩當中,據說Wilhelmina最接近他的天賦,但她年輕時就去世了。高斯與Minna Waldeck也有3個小孩:Eugene (1811–1896), Wilhelm (1813–1879) and Therese(1816–1864)。Eugene有着和高斯相同的在语言和计算方面的天才。[7]Therese照顧著整個家庭直到高斯去世,之後才結婚。

高斯最後與他的兒子發生了衝突。他不希望他的任何一個兒子進入數學或科學的領域,唯恐"玷汙了家人的名字"。[7]高斯希望Eugene成為一名律師,但Eugene想學習語言類別的。而Eugene與高斯的另一個爭執是-高斯拒絕支付由Eugene所舉辦的派對的費用。Eugene很生氣,所以在大約1832年時移居美國,他在那裡相當成功。Wilhelm也定居在密蘇里州,從一開始的農民工作成為了在聖路易斯相當富有的製鞋企業。Eugene花了很多年得來的成功,抵消了他在高斯的朋友與同事間不好的聲譽。也在9月3日看到了羅伯特高斯給菲莉克斯克萊因的信。

人格[编辑]

高斯是個熱心的完美主義者並且很認真的工作。他從來不是個多產作家,他拒絕發布他不認為完整和無可指責的作品。這符合他個人的座右銘。他的個人日記裡有說到,他在幾年還是幾十年前就已提出了一些重要的數學發現,與他同一時代的人發表了他的發現。數學歷史學家埃里克·梵鐘估計,若高斯及时发表他的發現,將使高等數學往前推50年。[8]

高斯不喜歡教學是眾所皆知,教授的學生不多。有人說他只參加過1828年在柏林的科學會議,但他的一些學生卻成為了具有影響力的數學家,其中包括理查德·戴德金黎曼弗里德里希·貝塞爾。索菲熱爾曼建議在她死後由高斯接受她的榮譽學位。

高斯往往都是很優雅的拒絕提出他怎麼發現這些數學原理的直覺。他更喜歡他們來自"無中生有",所以消除了所有他如何發現這些數學原理的痕跡。

著作[编辑]

  • 1799年:关于代数基本定理的博士论文(Doktorarbeit uber den Fundamentalsatz der Algebra)
  • 1801年:算术研究 (Disquisitiones Arithmeticae)
  • 1809年:天体运动论(Theoria Motus Corporum Coelestium in sectionibus conicis solem ambientium)
  • 1827年:曲面的一般研究(Disquisitiones generales circa superficies curvas)
  • 1843-1844年:高等大地测量学理论(上,Untersuchungen uber Gegenstande der Hoheren Geodasie, Teil 1)
  • 1846-1847年:高等大地测量学理论(下,Untersuchungen uber Gegenstande der Hoheren Geodasie, Teil 2)

紀念活動[编辑]

從1989年直到2001年年底,他的肖像和他所寫的常態分佈曲線與一些在哥廷根突出的建築物,一起被放入德國10馬克的鈔票中。另一方面,在漢諾威有和他有關的雞血石以及三角測量方法。在德國也發行了三種用以表彰高斯的郵票。第一種郵票(第725號)發行於1955年−他死後的第100周年;另外兩種郵票(第1246號.第1811號)發行於1977年,他出生的第200周年。

Daniel Kehlmann在2005年寫的一本小說《Die Vermessung der Welt》,在2006年的時候被翻譯成英文版《Measuring the World》,以小說的歷史鏡頭來探索高斯的一生和工作,藉此與另一位德國地理學家亞歷山大·馮·洪堡作對比。

2007年的時候,他的半身像被引進瓦爾哈拉神殿[9]

在高斯的榮耀中,以他命名的事物包括:

  1. 用在磁場的CGS制計量單位以高斯來命名。
  2. 月球上的坑洞以他來命名。[10]
  3. 小行星1001又稱為「高斯星」。
  4. 一艘名為「高斯」的船,是高斯遠征南極時所使用的船。

參見[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 Dunnington, G. Waldo. (May 1927). "The Sesquicentennial of the Birth of Gauss".[失效連結] Scientific Monthly XXIV: 402–414. Retrieved on 29 June 2005. Comprehensive biographical article.
  2. ^ Zeidler, Eberhard. Oxford User's Guide to Mathematics. Oxford, UK: Oxford University Press. 2004: 1188. ISBN 0-19-850763-1. 
  3. ^ O'Connor, John J.; Robertson, Edmund F., Gauss, MacTutor History of Mathematics archive 
  4. ^ 參考資料一:http://home.educities.edu.tw/sanchiang/h1.htm
  5. ^ 參考資料二:http://www.pcsh.tpc.edu.tw/supply/math/m11.htm[失效連結]
  6. ^ Gauss biography. Groups.dcs.st-and.ac.uk. [2008-09-01]. 
  7. ^ 7.0 7.1 Letter:GAUSS, Charles Henry to Florian Cajori – 1898-12-21. Susan D. Chambless. 2000-03-11 [2011-09-14]. 
  8. ^ Bell, E. T. Ch. 14: The Prince of Mathematicians: Gauss//Men of Mathematics: The Lives and Achievements of the Great Mathematicians from Zeno to Poincaré. New York: Simon and Schuster. 2009: 218–269. ISBN 0-671-46400-0. 
  9. ^ Bayerisches Staatsministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst: Startseite. Stmwfk.bayern.de. [2009-07-19]. 
  10. ^ Andersson, L. E.; Whitaker, E. A., (1982). NASA Catalogue of Lunar Nomenclature. NASA RP-1097.