数学王子高斯 (高斯为什么叫数学王子)

高斯,全名:约翰·卡尔·弗里德里希·高斯,国籍:德国,主要成就:对超几何级数、复变函数论、统计数学、椭圆函数论有重大贡献。他的曲面论是近代微分几何的开端。著有《算术研究》《天体运动论》等。

三岁“帮”父亲算账

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,却没有接受过教育。高斯的父亲文化程度也不高,除了从事园艺工作外,也当过各种杂工,平时经常要干些记账的活。高斯从小对数字很敏感,他最爱待在父亲身边,看父亲记记算算。每当这个时候,高斯都显得十分兴奋。

高斯3岁那年,有一次,父亲正在整理他的借债账目,费了好大一番工夫却一直算不清。他苦恼极了,低声嘀咕道:“真是怪了!”一旁眼尖的高斯却一眼就看出了其中的错误,指着账本小声对父亲说:“爸爸,你这里算错了,应该是这样……”父亲压根不相信高斯小小年纪能看懂他的账目,不耐烦地说:“一边去,小孩子别捣乱!”

“是真的,爸爸。”高斯没有被父亲的严厉吓倒,仍然坚持自己的意见。

高斯的父亲怀疑地再算了一次,果然小高斯说的答案是正确的。奇怪的是,没有人教过高斯怎样计算,小高斯仅靠平日的观察,不知不觉地竟自己学会了计算。父亲很自豪,逢人便说儿子的过人之处。就这样,高斯在数学上的天分,渐渐被外界了解。

高斯在12岁时,已经开始怀疑元素几何学中的基础证明。当他16岁时,就预测在欧氏几何之外必然会产生一门完全不同的几何学,即后来的非欧几里得几何学。他还导出了二项式定理的一般形式,将其成功地运用在无穷级数上,并发展了数学分析的理论。

高斯在数学上异乎常人的天赋,让老师们惊讶和赞叹。他的计算能力、独到的数学方法以及非同一般的创造力,都让老师对他刮目相看。尤其是布特纳与他的助手巴蒂尔,经常亲昵地称高斯是“数学小王子”。他们一起学习,相互探讨、争论,解决难题。高斯由此开始了真正的数学研究,数学知识快速增长。

智断瓶中线

高斯少年时,就已经在科学上取得了许多成绩,这使得邻里的一些小伙子很是嫉妒。于是他们决定设法刁难高斯。

一天,这帮小伙子拎着个玻璃瓶,在街上拦住高斯,傲慢地说:“你不是挺有学问的吗?看看这瓶子,你有本事不打破瓶子,不动瓶塞,就把瓶中的线弄断吗?”

高斯对他们的故意刁难有些生气,但当他看了看瓶子后,又觉得很有兴趣来解决这道难题。这是一只壁很薄的瓶子,里面有一根线悬着一枚硬币,线的另一端系在瓶塞上。

面对那帮小伙子嘲弄的眼神和不断的催促声,高斯从容地从衣袋里取出一面放大镜。他将放大镜放在阳光下,对着瓶里的棉线照着,不一会儿,只听“当”的一声,悬空的硬币落到了瓶底,棉线居然断了!那帮小伙子都瞪圆了眼睛,张着嘴,几乎不敢相信刚才发生的事。

高斯收起放大镜,解释说:“我用放大镜聚集太阳光,照在棉线上,时间长了,受光处的温度就会升得很高,棉线就被烧断了。”

从此那帮邻家小伙子对高斯敬佩不已,再也不刁难他了。

意外获得资助

高斯在数学方面的出色才华得到了布伦斯维克公爵费迪南的青睐和资助。而这个获得资助的过程非常具有戏剧性。

有一天,高斯在回家时,一面走一面全神贯注地看书,不知不觉走进了布伦斯维克宫的庭园。正在散步的公爵夫人看到这个小孩那么喜欢读书,就亲切地和他交谈。她惊奇地发现,这个小男孩对书中深奥的内容理解得一清二楚,觉得非常不可思议。于是她把这件“奇闻”告诉了公爵。公爵早就听说布伦斯维克有一个聪明的小神童,当时他并未在意,现在听夫人这么一说,才相信真有这么回事,于是派人把高斯接到家里,当面考查。费迪南公爵很赏识高斯的才能,决定给他经济资助,让他有机会受高等教育。这个从天而降的好消息令高斯一家无比兴奋。

1792年,15岁的高斯在费迪南公爵善意的帮助下,进入著名的卡罗林学院,开始学习古代和现代语言,同时也研习了牛顿、拉格朗日、欧拉等人的著作,很快掌握了微积分理论,开始了对高等数学的攻关研究。

数学领域崭露头角

1795年,18岁的高斯考入了著名的哥廷根大学。一个学期后,他就取得了轰动世界的数学成果。他不仅独立发现了“质数分布定理”和“最小二乘法”,还在此基础上发现了数论中的二次互反定律,并作出了严密的证明。

1796年3月,高斯出色地解决了数学史上的一个著名难题——正十七边形的尺规作图。这个两千多年来一直未能解决的难题,居然被一个大学一年级的学生一下子攻克了,这怎能不令人感到惊疑呢?据说,当高斯带着他的结果去见他的老师——哥廷根大学的克斯特纳教授,克斯特纳根本不相信,还很不耐烦地把高斯训斥了一顿,并将他赶出了家门。

用直尺和圆规作出圆内接正七、正九、正十一、正十三、正十七边形,是从古希腊以来一直悬而未决的著名数学难题,它困扰了许多著名的数学家,有的甚至为之付出一生的努力,却毫无所获。高斯是在一次偶然的阅读中,知道了用直尺和圆规作出圆内接正七边形这道难题。这使他非常着迷,并决心要攻克它。他首先查找了前人的作图方法,仔细研究他们失败的原因,最后他发现,应该摆脱几何的思维框框,将其转化为一个由整数组成的代数方程的求解问题。通过半年多的努力,他终于成功作出了正七边形。接着,他又陆续完成了正九、正十一、正十三边形的尺规作图。没多久,就连复杂的正十七边形也被他攻克了。

高斯用代数的方法解决了这道著名的几何难题,他视之为平生得意之作,因此交代要把正十七边形刻在他的墓碑上。在他去世后,人们还在他的家乡布伦瑞克建立了一尊以正十七棱柱作为底座的纪念像。

面对第一次取得的成功,高斯异常兴奋,他决心把自己的一生都献给数学。他在19岁时,还发现了椭圆函数的双周期性。1799年,高斯在他的博士论文中,最先证明了代数基本定理:任一多项式都有(复数)根。事实上,在高斯之前有许多数学家都认为已给出了这个结果的证明,可是没有一个证明是严密的。牛顿、拉格朗日等一大批著名数学家曾试图证明它,但都没有成功。高斯把前人证明的缺失一一指出来,然后提出自己的见解。后来他又先后给出了另外三个不同的证明。当作出第四个证明时,他已经是年逾古稀的老人。1801年,他发表了《算术研究》,论述了数论和高等代数的一些问题。由于此书融合了高斯众多的思想成果,因此被认为是他一生中最伟大的作品。著名数学家拉格朗日还曾亲自致信给高斯,表达由衷的祝贺。

高斯对数学的研究涉及很多方面,除了在复变函数、统计数学、椭圆函数论上有突出贡献外,他在向量分析、正态分布的正规曲线、质数定理的验算研究上也取得了成绩。

不可磨灭的贡献

高斯不断地探索,不断有惊人的发现,并且涉及的面相当广泛,在诸如数论、非欧几何、微分几何、大地测量、磁学、光学、天文学等多个领域都有伟大的发现,做出了不可磨灭的贡献。比如1840年,高斯和合作伙伴韦伯画出了世界上第一张地球磁场图,而且定出了地球磁南极和磁北极的位置。1841年美国科学家证实了高斯的理论,找到了磁南极和磁北极的确切位置。高斯24岁就担任了哥廷根大学天文台台长和数学教授,在他的努力下,哥廷根大学渐渐成了世界著名的研究中心。另外,在主持指导汉诺威公园的大地测量工作时,他曾亲自计算过超过100万个大地测量数据,通过对这些数据的处理分析,他写出了近20篇对现代大地测量学有重要意义的论文。

德国著名的数学家F.克莱因曾说:“如果我们把18世纪的数学家想象为一系列的高山峻岭,那么最后一个使人肃然起敬的巅峰便是高斯——那样一个在广泛丰富的领域充满了生命的新元素。”勤奋好学、善于观察分析是高斯成功的秘诀,再加上他自身的天赋,刻苦的探索,持之以恒的工作态度,使他成为了人类历史上最伟大的数学家之一。