他的論文令「巴黎紙貴」,如果有沒他,第二次數學危機會持續更久

2020-12-03 數學真美

柯西年輕的時候向「巴黎科學院學報」投遞論文,其產量非常之高,使得印刷論文所花的紙張非常之多,以致於造成了市面上的紙張短缺,紙價大增,印刷廠成本也因此大大增加。

「巴黎科學院」難以承擔如此高昂的印刷費用,只得規定,以後發表論文每篇篇幅不得超過4頁。

柯西認為4頁紙無法將自己的論文寫清楚,所以不得不將一些長篇論文投遞到外國刊物發表。

從這樣一個小故事可以看出,柯西的數學研究成果之巨,可略見一斑。

柯西最重要的功績在於他給「微積分」的基礎概念做出了清晰的定義。

柯西將」無窮」用來定義更精確的數學含義,他把數學的「微分」看成是「無窮小的變化」,把「積分」表示為「無窮多個無窮小之和」。

柯西用「無窮」重新定義「微積分」,以至於今天大學裡的每一本「微積分」課本上,都會寫在扉頁上作為重點進行介紹。

柯西第一次清晰地闡明了「複變函數論」的概念,並且最先用「積分」來研究數學中各種各樣的問題,如「實定積分」的計算」、「級數與無窮乘積」的展開、用含「參變量」的積分表示「微分方程」的解等等。

柯西所編寫的「分析課程」為推動「數學教育」起到了非常重要的作用。

自從牛頓和萊布尼茨發明了「微積分」(即「無窮小分析」,以下簡稱「分析」)以來,「分析」這門課程的「理論基礎」是模糊的,極待建立起「分析的嚴格化」理論,柯西為此建立了「極限論」,確切地定義了「連續函數」及其「積分」的定義,準確地證明了「泰勒公式」,給出了「級數收斂」的定義和一些「判別法」。

柯西在「分析」方面最深刻的貢獻在「常微分方程」領域,他首先證明了方程解的「存在」和「唯一性」,在柯西之前,沒有人提出過這種問題。

他通過計算「強級數」,可以證明「逼近步驟收斂」,其「極限」就是方程所求的解。

柯西所作出的這些極為重要的數學研究成果,為徹底解決「第二次數學危機」起到了至關重要的作用,為數學的發展做出了巨大的貢獻。如果沒有柯西,「第二次數學危機」,還會持續更加長久的時間。

「無窮」的概念在「分析」中是極為重要的,數學大師「伯努利」曾說過:「只有數學能夠探討『無窮』,而『無窮』正是上帝的屬性之一」。

與數學相比,物理、化學、生物都是討論「有窮」的學科,「無窮」才能準確描述深遂宇宙、無涯時空中萬事萬物的「極限」之美。

正如柯西於1821年所發表的著名「特徵值」理論時所說:「在純數學的領域裡,沒有『實際的物理現象』來印證,也沒有『自然界的事物可說明』,但那是數學家遙遙望見的『應許之地』。理論數學家不是一個發現者,而是這個「應許之地」的報導者」。

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