黎曼,一位低调内向的数学大神
yund56 2025-06-02 22:06 37 浏览
说到整个数学发展史,涌现出了很多了不起的大神级数学家,比如欧几里得、阿基米德、牛顿、高斯、欧拉等。
这些人要么开创了某一数学分支,要么发现了某一定理、公式,他们都对数学的发展做出了推动性、开创性的巨大贡献。
此外,还有一些名气稍低的数学家,如黎曼、庞加莱、笛卡尔、莱布尼茨等,他们也是数学发展过程中不可或缺的天才。
今天我们要说的这位,就是低调的大神黎曼,他虽没有高斯“数学王子”、阿基米德“数学之神”、欧几里得“几何之父”的华丽称号,但并不影响他在数学史上的成就。
有人认为,黎曼就是数学史上的“无冕之王”,实际情况又如何呢?他都有哪些数学成就?
一、波恩哈德·黎曼其人
黎曼,德国数学家,1826年出身于一个牧师家庭,在兄弟姐妹六人中排行老二。从小体弱多病且性格内向的他,喜欢独来独往,很少与人交际。
在父亲的熏陶下,黎曼从小就修习神学与哲学。除了学习之外,其余时间并非是去找朋友玩耍,而是在某个角落思考自己的身体是得了哪些病。
有人说他可能患有“疑病症”,大概与自身体弱多病有关吧。
20岁时,黎曼考入根廷根大学,专业还是哲学和神学。在教授高斯的影响下,黎曼经常去听数学讲座,最终更换到数学专业。
25岁时,黎曼获得哥廷根大学获博士学位。他的数学成就也从此开始。
同年,柯西-黎曼方程问世。两年后,黎曼积分和三角级数收敛准则问世。又一年后,黎曼几何问世,这年黎曼28岁。
31岁那年,黎曼曲面问世。33岁时,迄今未被全部证明的黎曼猜想问世。
36岁那年,黎曼结婚。四年后,一代数学家死于肺结核,终年40岁。
这时的黎曼并不很出名,由于他的数学方法过于超前,未被当时的学界所欣赏。以现代人的眼光来看,黎曼的学术深度和重要在当时都是首屈一指的。
二、黎曼的重大数学成就
黎曼的数学成就主要有:黎曼几何、黎曼曲面、黎曼洛赫定理、黎曼映射定理、黎曼猜想等。下面我们逐一介绍。
黎曼几何
欧几里得的《几何原本》统治了数学界两千多年,直到19世纪初,罗巴切夫斯基才开创了第一种与欧氏几何不一样的非欧几何,被称为“罗氏几何”。
此后,非欧几何蓬勃发展,黎曼的椭圆几何就是后续非欧几何的典型代表。
黎曼几何既不同于欧氏几何,也不同于罗氏几何,他另辟蹊径,提出了:在同一平面内任何两条直线都有交点的新公设,其模型近似一个球面。
这三种几何学各自独立,都在自己的模型中构建了一个严密的公理体系。简而言之,欧氏几何是平面空间几何,罗氏几何是负曲率空间几何,黎曼几何是正曲率空间几何。
黎曼的正曲率空间具有开创性,他用“过直线外一点所作任何直线都与该直线相交”来代替欧氏几何中的第五公设,实质上是对“平行线”存在的一种否认。
这种几何也叫“球面几何”,现在被广泛用于航海、航空等领域。
后来,黎曼几何迅速发展,在代数拓扑学、偏微分方程、多复交函数论等等领域及现代物理学中发挥着重要作用。
爱因斯坦的广义相对论中的空间几何用的就是黎曼几何,爱因斯坦就是借鉴性的用到了黎曼的空间几何思想,其重要性可见一斑。
近代以来,黎曼几何已经成为数学中的一个重要工具,在微分几何、微分方程、变分法及复变函数等领域都有重要应用。
黎曼曲面
黎曼曲面,即一维复流形,是为了给多值解析函数设想一个单值的定义域而提出的一种曲面。牵扯到单/多复变函数论、复流形、代数几何/数论、 自守函数等。
在复杂的数学分析中,一个黎曼曲面就是一个一维复流形。从每个点的局部来看,黎曼曲面好比一片复平面,但整体的拓扑有很大的不同。
黎曼曲面的几何性质最为巧妙,在特定条件下,也被推广到开曲面和高维复流形。希尔伯特提出的第22个问题就是靠此曲面原理解决的。
黎曼–罗赫/映射定理
黎曼–罗赫定理是研究复分析于代数几何的一个重要工具,可用来计算具有指定零点与极点的亚纯函数空间的维数。
这个定理的前身是黎曼不等式,后来黎曼的学生罗赫证明了黎曼曲面的确定形式,最终推广到代数曲面和高维代数簇等。
黎曼映射用在复分析中,这个定理非常深刻,同时也是复变函数几何理论的最重要定理。
这个定理出现在黎曼的博士论文中,那个时候还不太完整,后来卡拉西奥多里在20世纪初补充完整。
黎曼猜想
黎曼猜想是关于黎曼ζ函数ζ(s)的零点分布的猜想,希尔伯特在20世纪初提出的23个数学问题中,就有黎曼猜想。
很多人可能对费马猜想和哥德巴赫猜想耳熟能详,没怎么听说过黎曼猜想,但从数学的贡献度和重要性方面来讲,黎曼猜想要远超前两者。
据统计,目前有超千条的数学命题都是以黎曼猜想前提和基础。黎曼猜想就像一座高地,150多年以来,数学界一直无人攻克它。
黎曼猜想的初稿论文题目是“论小于给定数值的素数个数”,这篇论文仅有8页纸,便是黎曼猜想的源头。
黎曼猜想的核心,就是发现了素数分布的秘密完全蕴含在一个特殊的函数中,这个函数取值为零的一系列特殊点对素数分布的规律有着重要影响。
这个函数即黎曼ζ函数,特殊的点即非平凡零点。
黎曼猜想论文短小精悍,惜字如金而又字字珠玑,好多证明过程都以“证明从略”来代替,这便是引人入胜的地方,关键过程全略过。
这并非是黎曼已经证明过了而故意掩饰,实则是他自己也无法证明,但一个半世纪以来,就是没有能证明其真伪。
三、对黎曼成就的总结
若从纯数学成就角度来看,黎曼在整个19世纪都算得上是一颗耀眼的数学明星,就算放在整个数学史上,也能进入前三甲(纯数学成就)。
不论是重要性、创造性,还是深度、广度,黎曼都要远超其他数学家。以现在的眼光来看,黎曼的数学成就具有统治性。
一般观点认为,发明数学定理或者开创某一数学分支,就已经是大神级的存在了。但黎曼所做的工作还要更高档一些,他是将各个分支进行大一统,构造出了诸多通用工具。
黎曼的思想、方法,直接将几何、分析、拓扑、数论,甚至是物理都串联起来。
假如没有黎曼几何,可能广义相对论还要晚一些才能问世。所以说,黎曼从事的数学工作都具有创造性,再找不到第二个像他这样带有大一统思想的数学家。
黎曼一生仅有18篇论文,但任何一篇都是超重量级的。除了上述成就外,黎曼还有柯西黎曼条件、黎曼积分、黎曼许瓦兹定理、黎曼泽塔函数等等。
黎曼的数学思想非常深邃,同时期并不被其他数学家所理解,他开辟的思想方法到了现代才大放光芒,其猜想也是50多年后被人问津。
“黎曼具有非凡的直观能力,他的理解天才胜过所有同代数学家。”这是黎曼之后的数学家克莱因对黎曼的评价。
综上所述,黎曼是19世纪数学史上最耀眼的那颗数学之星,可能有之一,但在笔者的认知范围中,黎曼就是那条街最靓的仔。
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