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        名人故事:數學王子高斯

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            十八九世紀之交,德國產生了一位偉大的數學家,他就是人稱“數學王子”的高斯。
            對數學的癡迷,加上勤奮的學習,18歲時高斯發(fā)明了用圓規(guī)和直尺作正17邊形的方法,從而解決了2000年來懸而未解的難題。他21歲大學畢業(yè),22歲獲博士學位。他在博士論文中證明了代數基本定理,即一元n次議程在復數范圍內一定有根。在幾何方面,高斯是非歐幾何的發(fā)明人之一。高斯重要的貢獻還是在數論上,他的偉大著作《算術研究》標志著數論成為獨立的數學分支學科的開始,而且這本書所討論的內容成為直到20世紀數論研究的方向。高斯首先使用了同余記號,并系統而深入地闡述了同余式的理論;他證明了數論中的重要結果二次互反律等。高斯去世后,人們建立了以正17邊形棱柱為基座的高斯像,以紀念這位偉大的數學家。
            1777年4月30日生于不倫瑞克的一個工匠家庭,1855年2月23日卒于格丁根。幼時家境貧困,但聰敏異常,受一貴族資助才進學校受教育。1795~1798年在格丁根大學學習1798年轉入黑爾姆施泰特大學,翌年因證明代數基本定理獲博士學位。從1807年起擔任格丁根大學教授兼格丁根天文臺臺長直至逝世。高斯是近代數學奠基者之一,在歷影響之大, 可以和阿基米德、牛頓、歐拉并列,有“數學王子”之稱。高斯的成就遍及數學的各個領域,在數論、非歐幾何、微分幾何、超幾何級數、復變函數論以及橢圓函數論等方面均有開創(chuàng)性貢獻。他十分注重數學的應用,并且在對天文學、大地測量學和磁學的研究中也偏重于用數學方法進行研究。
            科學成就
            高斯長期從事于數學并將數學應用于物理、天文學和大地測得學等領域的研究,著述豐富,成就甚多。他一生中共發(fā)表323篇(種)著作,提出404項科學創(chuàng)見(發(fā)表178項),完成4項意義重大的發(fā)明:(日光)、回照器(1820)、光度計(1821)、電報(1832)和磁強計(1837)。在各領域的主要成就有:1.物理學和地磁學中,關于靜電學(如高斯定理)、溫差電和摩擦電的研究、利用絕對單位(長度、質量和時間)法則量度非力學量(如磁場強度)以及地磁場分布的理論研究(如把地面上任一點的磁勢進行球諧分析)。2.利用幾何學知識研究光學系統近軸光線行為和成像,建立高斯光學。3.天文學和大地測量學中,如小行星軌道的計算,地球大小和形狀的理論研究等。4.結合實驗數據的測算,發(fā)展了概率統計理論和誤差理論,發(fā)明了小二乘法,引入高斯誤差曲線。此外在純數學方面,他對數論、代數、幾何學的若干基本定理作出嚴格證明,如自然數為素數乘積定理、二項式定理、散度定理等。
            職業(yè)生涯
            他幼年時就表現出超人的數學天才。1795年進入格丁根大學學習。第二年他就發(fā)現正十七邊形的尺規(guī)作圖法。并給出可用尺規(guī)作出的正多邊形的條件,解決了歐幾里得以來懸而未決的問題。
            高斯的數學研究幾乎遍及所有領域,在數論、代數學、非歐幾何、復變函數和微分幾何等方面都做出了開創(chuàng)性的貢獻。他還把數學應用于天文學、大地測量學和磁學的研究,發(fā)明了小二乘法原理。高理的數論研究 總結 在《算術研究》(1801)中,這本書奠定了近代數論的基礎,它不僅是數論方面的劃時代之作,也是數學不可多得的經典著作之一。高斯對代數學的重要貢獻是證明了代數基本定理,他的存在性證明開創(chuàng)了數學研究的新途徑。高斯在1816年左右就得到非歐幾何的原理。 他還深入研究復變函數,建立了一些基本概念發(fā)現了著名的柯西積分定理。他還發(fā)現橢圓函數的雙周期性,但這些工作在他生前都沒發(fā)表出來。1828年高斯出版了《關于曲面的一般研究》,全面系統地闡述了空間曲面的微分幾何學,并提出內蘊曲面理論。高斯的曲面理論后來由黎曼發(fā)展。 高斯一生共發(fā)表155篇論文,他對待學問十分嚴謹,只是把他自己認為是十分成熟的作品發(fā)表出來。其著作還有《地磁概念》和《論與距離平方成反比的引力和斥力的普遍定律》等。
             高斯出名的故事就是他十歲時,小學老師出了一道算術難題:“計算1+2+3…+100=?”。 這可難為初學算術的學生,但是高斯卻在幾秒后將答案解了出來,他利用算術級數(等差級數)的對稱性,然后就像求得一般算術級數和的過程一樣,把數目一對對的湊在一起:1+100,2+ 99,3+98,……49+52,50+51 而這樣的組合有50組,所以答案很快的就可以求出是: 101×50=5050。 1801年高斯有機會戲劇性地施展他的優(yōu)勢的計算技巧。那年的元旦,有一個后來被證認為小行星并被命名為谷神星的天體被發(fā)現當時它好像在向太陽靠近,天文學家雖然有40天的時間可以觀察它,但還不能計算出它的軌道。高斯只作了3次觀測就提出了一種計算軌道參數的方法,而且達到的精確度使得天文學家在1801年末和1802年初能夠毫無困難地再確定谷神星的位置。高斯在這一計算方法中用到了他大約在1794年創(chuàng)造的小二乘法(一種可從特定計算得到小的方差和中求出佳估值的方法在天文學中這一成就立即得到公認。他在《天體運動理論》中敘述的方法今天仍在使用,只要稍作修改就能適應現代計算機的要求。高斯在小行星”智神星”方面也獲得類似的成功。
            數學神童
              歷間或出現神童。神童常常出現在數學、音樂、棋藝等方面??枴じダ椎吕锵!じ咚?,一位數學神童,是各式各樣的天才里出色的一個。就像獅子號稱萬獸,高斯在數學家之林中稱王,他有一個美號——數學王子。高斯不僅被公認為是十九世紀偉大的數學家,并且與阿基米德、牛頓并稱為歷三個偉大的數學家?,F在阿基米德和牛頓的名字早已進入了中學的教科書,他們的工作或多或少成為大眾的常識,而高斯和他的數學仍遙不可及,甚至于在大學的基礎課程中也不出現。但高斯的肖像畫卻赫然印在10馬克——流通廣泛的德國紙上,相應地出現在美元和英鎊上的分別是喬治·華盛頓和伊麗莎白二世。1777年4月30日,高斯出生在德國下薩克森洲的不倫瑞克(Braunscheig),他的祖先里沒有一個人可以說明為什么會產生高斯這樣的天才。高斯的父親是個普通的勞動者,做過石匠、纖夫、花農,母親是他父親的第二個妻子,當過女仆,沒有受過什么教育,但她聰明善良,有幽默感,并且個性很強,她以97歲高壽仙逝,高斯是她的獨養(yǎng)兒子。據說高斯3歲時就發(fā)現父親帳簿上的一處錯誤。高斯9歲那年在公立小學讀書,他的老師為了讓學生們有事干,叫他們把從1到100這些數加起來,高斯幾乎立刻就把寫好結果的石板面朝下放在自己的桌子上,當所有的石板終被翻過時,這位老師驚訝地發(fā)現只有高斯得出了正確的答案:5050,但是沒有演算過程。高斯已經在腦子里對這個算術級數求了和,他注意到了1+100=101,2+99=101,3+98=101……這么一來,就等于50個101相加,從而答案是5050。高斯在晚年常幽默地宣稱,在他會說話之前就會計算,還說他問了大人字母如何發(fā)音,就自己學著讀起書來。高斯的早熟引起了不倫瑞克公爵的注意,這位公爵是個熱心腸的贊助人。高斯14歲進不倫瑞克學院,18歲入哥廷根大學。當時的哥廷根仍默默無聞,由于高斯的到來,才使得這所日后享譽世界的大學變得重要起來。起初,高斯在做個語言學家抑或數學家之間猶豫不決,他決心獻身數學是1796年3月30日的事了。當他差一個月滿19歲時,他對正多邊形的歐幾里德作圖理論(只用圓規(guī)和沒有刻度的直尺)做出了驚人的貢獻,尤其是,發(fā)現了作正十七邊形的方法,這是一個有著二千多年歷史的數學懸案。高斯初出茅廬,就已經爐火純青了,而且以后的五十年間他一直維持這樣的水準。高斯所處的時代,正是德國浪漫主義盛行的時代。高斯受時尚的影響,在其私函和講述中,充滿了美麗的詞藻。高斯說過:“數學是科學的皇后,而數論是數學的女王?!蹦莻€時代的人也都稱高斯為“數學王子”。事實上,縱觀高斯整個一生的工作,似乎也帶有浪漫主義的色彩。