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第23章 克莱因

克莱因(1849~1925)德国数学家。1849年4月25日生于杜塞尔多夫,1925年6月22日卒于格丁根。

克莱因在杜塞尔多夫读的中学,毕业后,他考入了波恩大学学习数学和物理。他本来是想成为一位物理学家,但是数学教授普律克改变了他的主意。1868年克莱因在普律克教授的指导下完成了博士论文。

在这一年里,普律克教授去世了,留下了未完成的几何基础课题。克莱因是完成这一任务的最佳人选。后来克莱因又去服了兵役。

1871年,克莱因接受哥廷根大学的邀请担任数学讲师。1872年他又被埃尔朗根大学聘任为数学教授,这时他只有23岁。

1875年他在慕尼黑高等技术学院取得了一个教席。在这里,他的学生包括胡尔维茨、冯戴克、洛恩、普朗克、毕安奇和里奇。五年之后,克莱因应邀去莱比锡大学讲授几何学。在这里他和他过去的出色的学生冯戴克、洛恩、司徒迪和恩格尔等成为了同事。

1886年,克莱因接受了哥廷根大学的邀请来到哥廷根,开始了他的数学家的生涯。他讲授的课程非常广泛,主要是在数学和物理之间的交叉课题,如力学和势论。他在这里直到1913年退休。他实现了要重建哥廷根大学作为世界数学研究的重要中心的愿望。

著名的数学杂志《数学年刊》就是在克莱因的主持管理下才能在重要性上达到和超过了《克莱尔杂志》的。这本杂志在复分析、代数几何和不变量理论方面很有特色。在实分析和群论新领域也很出色。

要了解克莱因对在几何学上所作的贡献的特点是有点难的,因为即使用我们今天数学思想的大部分来理解他的结果的新奇之处也是很困难的。

克莱因在数学上做出的第一个贡献是在1870年与李合作发现的。他们发现了库默尔面上曲线的渐近线的基本性质。他进一步地与李合作研究W-曲线。1871年克莱因出版了两篇有关非欧几何的论文,论文中证明了如果欧氏几何是相容的,那么非欧几何也是相容的。这就把非欧几何置于与欧氏几何同样坚实的基础之上。

克莱因在他的著名的埃尔朗根纲领中,以变换群的观点综合了各种几何的不变量及其空间特性,以此为标准来分类,从而统一了几何学。今天这些观点已经成为大家的标准。变换在现代数学中扮演者主要角色。克莱因指明了如何用变换群来表达几何的基本特性的方法。

而克莱因自己认为他对数学的贡献主要在函数理论上。1882年他在一篇论文中用几何方法来处理函数理论并把势论与保形映射联系起来。他也经常把物理概念用在函数理论上,特别是流体力学。

克莱因对大于四次的方程特别是用超越方法来解五次的一般方程感兴趣。在厄尔米特和克隆耐克尔建立了与布里奥斯奇类似的方法之后,克莱因立刻就用二十面体群去试图完全解决这个问题。这个工作导致他在一系列论文中对椭圆模函数的研究。

1884年,克莱因在他的一本关于二十面体的重要著作中,得到了一种连接代数与几何的重要关系,他发展了自守函数论。他和一位来自莱比锡的数学家罗伯特,弗里克合作出版了一套四卷本的关于自守函数和椭圆模函数的著作,这本著作影响以后20年。另一个计划是出版一套数学百科全书。他积极地参与到这个工作中,与K,穆勒一起编辑力学部分的四卷。

我们还要提到克莱因发现的克莱因瓶,一种只有一个面的曲面。

1885年克莱因被英国皇家学会选为国外会员并被授予科普勒奖金。

1908年克莱因被国际数学会选为在罗马召开的数学家大会主席。

克莱因认为:微积分的创立,首先是处于17世纪主要两科学问题,即有四种主要类型的问题有待微积分去解决。

第一类:已知物体移动的距离表示为时间的函数的公式,求物体在任意时刻的速度和加速度;反过来,已知物体的加速度表示为时间的函数的公式,求速度和距离。

第二类:问题是求曲线的切线,这是一个几何问题,但对科学的应用有巨大的影响。

第三类:问题是求函数的极大极小值。

第四类:问题包括求曲线的长度,曲线围成的面积等等。

首先对微积分的创造作出贡献的是开普勒和伽利略。用无数个无穷小之和计算面积和体积是开普勒的基本思想,而这一思想的精华是从阿基米德的著作中吸收的,伽利略则奠定了实验和理论协调的近代科学精神,这对于微积分的形成是至关重要的。

对于微积分的孕育有重要影响的是1635年卡瓦列利(意大利)《不可分连续量的几何学》的发表,他对前人的那些微积分结果作了初步系统的综合。并创立了一种简易形式的积分法棗不可分量法,使卡瓦列利的不可分量更接近于定积分计算的,是法国的帕斯卡()和英国的瓦里士。瓦里士是牛顿、莱布尼兹之前把分析方法引入微积分的工作做得最多的人。对微积分的孕育具有重要影响的人物是法国的费马,最迟在1636年他已达到求积分方法上的算术化程度,微积分的另一个重要课题棗求极值的方法也是费马创造的。

在17世纪,至少有10多位大数学家探索过微积分,而牛顿、莱布尼兹,则处于当时的顶峰。牛顿、莱布尼兹的最大功绩在于能敏锐的从孕育微积分的各种“个例形态中”洞察和清理出潜藏着的共性的东西棗无穷小分析,并把它提升和确立为数学理论。1665年5月20日,牛顿在他的手稿里第一次提出“流数术”,这一天可作为微积分诞生的日子,形成牛顿流数术理论的主要有三个著作:《应用无穷多位方程的分析学》,《流数术和无穷级数》和《曲边形的面积》。

尤其是1687年牛顿出版了划时代的名著《自然哲学的数学》,这本三卷著作虽然是研究天体力学的,但对数学史有极大的重要性,这不仅因为这本著作提出的微积分问题激励着他自己去研究和探索,而且书中对许多问题提出的新课题和研究方式,也为下世纪微积分的研究打下了基础。

莱布尼兹在1672年到1677年间引进了常量,变量与参变量等概念,从研究几何问题入手完成了微积分的基本理论,他创造了微分符号dx,dy与积分符号ò,现在使用的“微分学”、“积分”、“函数”、“导数”等名称也是他创造的,他给出了复合函数,幂函数,指数函数,对数函数以及和、差、积、商、幂,方根的求导法则,还给出了用微积分求旋转体体积的公式,1684年,莱布尼兹在自己创造的期刊上发表了一篇标题很长的论文:《一种求极大极小和切线的新方法,此方法对分式和无理式能通行无阻,且为此方法中的独特方法》,具有划时代的意义1686年,莱布尼兹发表了另一篇题为《论一种深邃的几何学和不可分量解析及……》的论文,应用他的方法,不仅能代数曲线的方程,而且也能给出非代数曲线即所谓超越曲线的方程。

牛顿和莱布尼兹几乎同时进入微积分的大门,他们的工作是互相独立的,正如笛卡儿和费马二人基本同时而又独立地创立了解析几何一样,经过二人的努力,微积分不再象希腊那样,所有的数学都是几何学的一个分支或几何学的延伸,而成为一门崭新的独立学科。

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