数学王子 — 高斯

郑英元

(原载《数学教学》2010年第9期)

高斯(Carl Friedrich Gauss, 1777--1855)是德国著名的数学家、物理学家、天文学家、大地测量学家。由于他在数学领域上的诸多重大贡献而被誉为数学王子 (图1为1955年原联邦德国纪念高斯逝世100周年邮票)。

高斯从小聪颖好学,思维慎密。10岁时就发现等差数列的求和公式。15岁(1792年)时进入不伦瑞克学院。在那里专心阅读牛顿、欧拉、拉格朗日这些欧洲著名数学家的论著。 他对牛顿的工作特别钦佩,并很快地掌握了牛顿的微积分理论。在那里他独立发现了二项式定理的一般形式、数论上的“二次互反律”、质数分布定理、算术几何平均。 他发现了数据拟合中最为有用的最小二乘法,提出了概率论中的正态分布公式并用曲线形象地予以说明。

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图 1(左):原联邦德国;  图 2(右):原民主德国

1795年,高斯进入哥廷根大学。1796年3月30日,当他差一个月满19岁时,他用代数方法给出只用直尺和圆规作圆内接正17边形的方法 — 《正十七边形尺规作图之理论与方法》,这是一个有着二千多年历史的数学悬案。为了纪念他少年时期这一重要的发现, 他希望死后在他的墓碑上能刻上一个正17边形 (图2是1977年原民主德国纪念高斯诞生200周年邮票,图中右方是圆规与无刻度直尺。 图3是1977年原联邦德国为高斯诞生200周年首日封,邮票图案是复平面;邮戳为正态分布曲线和公式)。 1799年,高斯获博士学位,他的博士论文是证明在复数域里任何一元代数方程都有一个根。这个结论被称为“代数基本定理”,也称为“高斯定理”。

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图 3:原联邦德国首日封

1801年,他出版了《算术研究》,这是关于数论的系统论著,在这里他首次介绍了“同余”概念。

1812年发表的论文《无穷极数的一般研究》,引入了高斯级数的概念,对级数的收敛性进行系统的研究。从而开辟了19世纪中叶关于分析学的严密化道路。

1827年高斯出版了《关于曲面的一般研究》,全面系统地阐述了空间曲面的微分几何学,并提出内蕴曲面理论,这是近代微分几何的开端。

高斯的研究几乎遍及所有数学领域,在数论、代数学、非欧几何、复变函数和微分几何等方面都做出了开创性的工作。他还把数学应用于天文学、大地测量学和电磁学的研究, 也都取得显著的成果。

正由于高斯在科学方面的诸多贡献,德国于1991年发行高斯肖像的10(德国)马克的纸币,以资纪念(图4为德国纸币)。

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图 4:德国纸币


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