“數學王子”高斯:他的成果如果全部發表,能讓數學多進步100年

李宗盛有一句話我非常贊同:任何一個領域站在頂峰的,靠的都是天賦,你不需要找,他就站在那裡,閃閃發光。“數學王子”高斯就是這樣的一個人。數學界有這樣一句話叫,這個世界上數學界分為兩類:其他數學家與高斯。今天我們就來聊聊高斯“神”一般的人生。

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高斯出身於一戶貧窮人家,彷彿是“數學之神”的阿基米德的轉世一般,高斯自小就顯示出強大的數學天賦,他的父親因為貧窮負債累累,高斯三歲的時候,當時高斯的父親是一位工頭,在核算工人們的週薪,高斯看了一眼賬本,就已經能夠幫父親糾正賬目的錯誤。

而在8歲的時候,這個到如今已經家喻戶曉的故事充分顯示了高斯強大的數學天分,高斯7歲的時候首次進入到了學習數學的班級,在這裡他遇到了自己人生的第二個伯樂與老師,班級的數學老師布特納,布特納有一天佈置了一道題目,從1加到100等於多少。

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這樣的問題對於如今7歲的孩童而言也已然有一定困難。布特納對學生其實並不友好,出這樣的問題也只是想消磨學生的時間,誰知道,高斯很快就算出了答案,起初高斯的老師布特納並不相信高斯算出了正確答案,而高斯則列出了自己的計算方法:1+100=101,2+99=101······50+51=101。從1加到100有50組這樣的數,所以50X101=5050。

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布特納第一次看見這樣的計算方法,當他隱隱感覺到,高斯未來會是一個成就不可限量的數學天才。他特意跑到漢堡去購買最好的數學教材送給高斯,布特納雖然並沒有教給高斯什麼東西,卻真正帶高斯走上了數學的道路。而這種算法如今也被命名為“高斯算法”。

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高斯第一個伯樂和老師其實是他的母親和舅舅,他的母親雖然只是一個貧窮石匠的女兒,卻智慧開明、目光長遠,她堅信高斯未來會有一番不一樣的成就,而不像自己的丈夫一樣希望高斯獲得一份安穩的工作就好。而高斯的舅舅弗利德里希和姐姐一樣富有智慧,為人熱情而又聰明能幹。

他發現姐姐的兒子聰明伶利,因此他將自己的一部分精力投注在高斯的身上,啟迪高斯的智慧開闊高斯的思想,並且經常鼓勵高斯走上學者的道路,正因為有舅舅在,給予高斯以支撐,才沒有讓高斯走上泥瓦匠的道路。高斯一直非常感謝舅舅的付出,認為舅舅是一位“天才“。

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高斯的人生可謂一路順遂,雖然出身貧窮卻一直擁有伯樂,讓他的人生可以走的非常平坦,可以自由幸福地用自己的思想去為數學的王國添磚加瓦。而在他幾十年後,未被他理睬過的伽羅瓦卻因為缺少伯樂,在21歲的年紀就抱憾而終,讓數學王國少了一顆璀璨的明星。

高斯11歲的時候,來到了文科學校,因為自己的聰慧,他的老師和他的母親將高斯舉薦給了布倫茲維克公爵卡爾·威廉·斐迪南,他又遇到了人生的第三位伯樂,公爵歲高斯一生的貴人,在他幾十年的人生中,公爵都無私地幫助著高斯,正是因為有公爵的存在,才讓高斯的數學研究可以無後顧之憂,按照自己的理想,勤奮地學習和開始進行創造性的研究。。如果沒有他,高斯的數學之路將會走的非常坎坷。

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布倫茲維克公爵卡爾·威廉·斐迪南

公爵不僅後來讓高斯在自己的卡羅琳學院繼續學習,還資助他考入了哥廷根大學。一直到高斯獲得博士學位,而後來高斯沒有工作的時候,公爵依然無私地支援著高斯,讓高斯可以拒絕聖彼得堡提供的教授職位,安心從事數學研究。公爵對高斯無私到了什麼樣的程度呢?

不僅博士論文的印刷費是他出的,還送他高斯一棟房子,還幫高斯印刷了許多他自己的研究成果,還負擔了高斯大部分的生活費用。。。簡直比對親兒子還親。。。高斯也特別感謝公爵,他在博士論文和《算術研究》中,寫下了情真意切的獻詞:"獻給大公","你的仁慈,將我從所有煩惱中解放出來,使我能從事這種獨特的研究"。

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嗯,布倫茲維克公爵卡爾·威廉·斐迪南就因為和高斯沾上了光,就成功留名歷史,而且還是研究高斯繞不開的名字,這錢花的真值的。

你會發現,每一個天才,無論是牛頓還是歐拉亦或是高斯,這些在歷史上如神一般的人物,無論出身如何,最終都可以遇到伯樂,讓自己的人生璀璨生光。只要是天才,無論你身處在什麼樣的環境,別人總會發現你,燃燒自己或者提供一個平臺,讓你的光芒可以讓世界所有人發現,即使是生無伯樂的伽羅瓦,也在死後遇見了自己難以等來的伯樂。

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電影中的高斯形象

當然了,公爵這樣無私是因為高斯的確非常出色,讓公爵可以相信這樣的人是萬中無一的天才。在高斯18歲的時候,他就自己發現了質數分佈定理和最小二乘法,根據這個發現,他自己創造了一套測量數據處理方法,根據這個新方法,他得到了一個具有概率性質的測量結果,並且把這個測量結果畫成了曲線,這種曲線函數分佈後來被後人稱作為高斯分佈圖,也被叫做標準正態分佈。

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高斯19歲的時候就發現了正十七邊形的尺規作圖法, 當年歐幾里得提出了尺規作圖,可是還遺留了許多問題,比如正多邊形的尺規作圖,難倒了2000多年來的許多數學家,高斯在大學二年級時就得出正十七邊形的尺規作圖法,並給出了可用尺規作圖的正多邊形的條件解決了兩千年來懸而未決的難題,他也是世界上第一個成功用代數方法解決幾何難題的數學家。才19歲而已,各位可以想想自己19歲的時候在做什麼?僅憑這一項高斯就可以青史留名。

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但這只是高斯開掛人生的開始,他在19歲那年又證明了二次互反律,二次互反律在數論的發展史中處於中心地位。就連歐拉都沒有給出嚴格的證明,高斯不僅給出了第一個嚴格的證明,證明了二次互反律,而且後來又給出了7種證明方式。提出一種已經可以算得上是大數學家了,提出了8種,讓其他數學家怎麼活!

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而在高斯博士畢業的時候他還發現了著名的代數基本定理,他認為任何一元代數方程都有根,這篇論文一出舉世震驚,後來高斯死後很多數學家都證明了代數基本定理的真實性,高斯也是世界上第一個發現這個定理的數學家。也是高斯的生平經歷中最光彩的一段。

不過在他29歲的時候,公爵在抵抗拿破崙的法軍中犧牲,這給高斯以沉重打擊。他悲痛欲絕,長時間對法國人有一種深深的敵意。沒有了資助,就只能自己找工作了,高斯想找工作的想法讓德俄兩國掀起了人才爭奪戰。

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電影中的高斯形象

因為高斯19歲解決了正十七邊形的尺規作圖法就已經聲名鵲起了,彼得堡科學院不斷暗示他,自從1783年萊昂哈德·歐拉去世後,歐拉在彼得堡科學院的位置一直在等待著像高斯這樣的天才。而德國一看不行呀,這麼牛的人才,怎麼能被你俄國人搶去了呢?

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彼得堡科學院

德國著名學者洪堡立馬聯合其他學者和政界人物,為高斯爭取到了享有特權的哥廷根大學數學和天文學教授,以及哥廷根天文臺臺長的職位。再加上公爵在世時堅決勸阻高斯去俄國,他甚至願意給高斯增加薪金,為他建立天文臺。高斯就留在了哥廷根。

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影視中的洪堡和高斯

這一鬧直接讓高斯的地位和名氣又上了一個檔次,俄國都來搶的超級人才,怎麼能夠不對他好呢?等又走了怎麼辦!所以高斯一直到去世都過著優渥的生活,他一生也幾乎沒有離開過哥廷根,畢竟,給了這麼豐厚的報酬,要錢給錢要權給全,哪裡好意思走。

但是哥廷根這代價花的值得啊,這為哥廷根數學學派的創立、德國成為世界科學中心和數學中心創造了條件,自此之後,哥廷根一直都是學術的中心,不僅是數學,物理也是,物理學家索末菲領導的哥廷根學派一直是20世紀初物理的中心之一。

當然了,高斯最傳奇的人生經歷之一,就是推測出了穀神星的位置,當時一名叫丟提斯的中學老師,發現一組數列每一項與當時已知的六大行星(即水星、金星、地球、火星、木星、土星)到太陽的距離比例(地球到太陽的距離定為1個單位)有著一定的聯繫。

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後來赫歇爾根據這個數列發現了天王星,證明了這組數列的正確性,可是還有一顆火星和木星軌道間的小行星沒有被發現。當時一名牧師皮亞齊已經觀測到,當是後來又不見了。高斯對這個事情非常感興趣,高斯經過艱苦的運算,以其卓越的數學才能創立了一種嶄新的行星軌道計算理論。他根據皮亞齊的觀測資料,利用這種方法,只用了一個小時就算出了穀神星的軌道形狀,並指出它將於何時出現在哪一片天空裡。

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皮亞齊

1801年12月31日夜,德國天文愛好者奧伯斯,在高斯預言的時間裡,用望遠鏡對準了這片天空。不出所料,穀神星再一次奇蹟般地出現了。這個嶄新的行星軌道計算理論也是後來天文學家公認的測量行星運動軌跡最簡便最科學的方法。高斯後來還用他計算出了智神星的天體運行軌跡。

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奧伯斯根據高斯的方法觀測到了穀神星和智神星

在以前的歐洲,幾何都是以歐幾里得幾何學派為宗,但是高斯卻認為這歐幾里得幾何學派已經沒有辦法解決一些問題了,他後來和其他數學家又提出了非歐幾何。非歐幾何影響著現代自然科學、現代數學和數學哲學的發展。

除此之外,被稱為“數學王子”的高斯在其他領域也都有著卓越的成就,也是一個全民開花的人。比如他自從用數學方法計算出了天體的運行軌跡,就出了一本書叫《天體運行理論》,時至今日,高斯當年的研究仍然是天文學計算的基石。

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1833年,高斯還和物理學教授威廉韋伯發明了第一臺電磁電報機。在哥廷根大學,他們倆一直在磁學領域不斷合作。他們建造了第一臺電報機,以連接天文臺和物理研究所,這個系統能夠每分鐘發送8個單詞。後來,國際單位制中磁通量的單位“韋伯”就是以威廉·韋伯的名字命名的。

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韋伯和高斯

高斯還發明瞭簡易版GPS系統——日光反射鏡,這是一種大大改善長距離土地測量的儀器。日光反射鏡用一面鏡子把太陽光反射到遙遠的地方,可以達到幾百千米遠,這能夠為測量員標記位置。可惜,這種儀器需要在天氣晴朗的情況下才有很好的效果。到了20世紀80年代,GPS技術取代了它。

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可以說,高斯他對數論、代數、統計、分析、微分幾何、大地測量學、地球物理學、力學、靜電學、天文學、矩陣理論和光學皆有貢獻。

以他名字“高斯”命名的成果達110個,屬數學家中之最,比如說高斯分佈(正態分佈),高斯模糊,高斯積分,高斯整數,高斯消元,高斯曲率,高斯濾波器,高斯引力常數。可以說大物裡有高斯、高數里也有高斯、幾何裡也有高斯、….你閉上眼睛,在理工科(技術類)書籍裡隨便挑一本書。裡面一定能找到Gaussian這麼個名字…你隨便拆一個app看代碼。,一般一定有不止一個公式(或者包裡的公式)和高斯有關。

你好不容易學一個平面設計,平面設計裡還有高斯模糊。。。可以說,高斯無處不在。

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高斯之墓

這還是高斯並沒有把自己所有研究成果全部發表出來的情況下,高斯是一個非常謹慎的人,估計是怕打臉,他對自己的工作態度是精益求精,非常嚴格地要求自己的研究成果。他自己曾說:寧可發表少,但發表的東西是成熟的成果。許多當代的數學家要求他,不要太認真,把結果寫出來發表,這對數學的發展是很有幫助的。

歐幾何的的開山祖師有三人,分別是高斯、 洛巴切夫斯基,波爾約。其中波爾約的父親是高斯大學的同學,他曾想試著證明平行公理,雖然父親反對他繼續從事這種看起來毫無希望的研究,小波爾約還是沉溺於平行公理。最後發展出了非歐幾何,並且在1832~1833年發表了研究結果,老波爾約把兒子的成果寄給老同學高斯,想不到高斯卻回信道:我無法誇讚他,因為誇讚他就等於誇獎我自己。早在幾十年前,高斯就已經得到了相同的結果,只是怕不能為世人所接受而沒有公佈而已。

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波爾約

快速傅立葉變換FFT的基本思路在1965年之後開始為人所知。但後來發現,實際上發現這思路的兩位作者只是重新發明了高斯在1805年就已經提出的算法。可想而知,高斯領先了同時代的人160年。

數學家雅克比跟高斯差不多生活在同一個時代,但是他要比高斯小近三十歲。雅克比本人在橢圓函數領域上做了很多工作,他曾經拜訪過幾次高斯並向高斯陳述了自己在橢圓函數方面的最新進展,但是每次高斯都能從書桌裡拿出一堆三十多年前的手稿向雅克比證明“你剛才說的東西我早就發現了”......

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經歷過幾次這樣的事情後,雅克比寫信給他的兄長,在信中他是這麼說的:“像高斯這樣的巨人,如果他不是把晚年的精力放在天文學上,今天的數學界恐怕完全會是另外一種模樣了。“

高斯和阿基米德、牛頓、歐拉並列為世界四大數學家,和歐拉一樣,歐拉的許多成果毀於大火,而高斯的成果則散落於與朋友的書信以及筆記之間,沒有發表。如果這兩位大師都可以把自己的所有成果公佈於眾,那麼數學的發展至少要提前一個世界。

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高斯是"人類的驕傲"。天才、早熟、高產、創造力不衰……人類智力領域的幾乎所有褒獎之詞,可以說對於高斯都不過分。而愛因斯坦曾評論說:“高斯對於近代物理學的發展,尤其是對於相對論的數學基礎所作的貢獻(指曲面論),其重要性是超越一切,無與倫比的。”

貝爾曾經這樣評論高斯:在高斯死後,人們才知道他早就預見一些十九世紀的數學,而且在1800年之前已經期待它們的出現。如果他能把他所知道的一些東西洩漏,很可能比當今數學還要先進半個世紀或更多的時間。

“數學王子”高斯:他的成果如果全部發表,能讓數學多進步100年

果然,天才都各有各的優秀,學渣都是相同的廢。但其實中國也有許多偉大的數學家,雖然並不是高斯在各大領域都能全面開花,但是在數學領域也是成就卓越,比如華羅庚,他是中國解析數論、矩陣幾何學、典型群、自守函數論與多元複變函數論等多方面研究的創始人和開拓者,並被列為芝加哥科學技術博物館中當今世界88位數學偉人之一。國際上以華氏命名的數學科研成果有“華氏定理”、“華氏不等式”、“華—王方法”等。

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當然,49年培養的數學家也有非常多,比如堵丁柱、張恭慶、曹懷東等,都是在世界上卓有成就的。

最後說一句:高斯真牛!

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