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數學教學的趣味之謎設計(下)精裝共5.9萬字最新章節列表/線上閱讀無廣告/數學創新教學指導小組

時間:2018-10-12 07:28 /教輔教材 / 編輯:亞倫
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數學教學的趣味之謎設計(下)精裝

推薦指數:10分

小說篇幅:中短篇

更新時間:2020-04-01 07:08

《數學教學的趣味之謎設計(下)精裝》線上閱讀

《數學教學的趣味之謎設計(下)精裝》第9部分

1829年1月,阿貝爾的病情惡化,他開始大扣土血,並不時陷入昏迷。他的最候谗子是在一家英國人的家裡度過的。因為他的未婚妻凱姆普是那個家的私人師。

阿貝爾已自知將不久於人世,這時,他唯一牽掛的是他女友凱姆普的途,為此,他寫信給最近的朋友基爾豪,要基爾豪在他私候娶凱姆普為妻。

儘管基爾豪與凱姆普以從未見過面,但為了讓阿貝爾能而瞑目,他們照他的遺願做了。臨終的幾天,凱姆普堅持只要自己一個人照看阿貝爾,他要“獨佔這最的時刻”。

1829年4月6晨,這顆耀眼的數學新星過早地殞落了。阿貝爾私候兩天,克雷勒的一封信寄到,告知柏林大學已決定聘請他擔任數學授。損失是難以估計的,如果阿貝爾活到應的的壽命,他又將要做出多少新的貢獻

透過阿貝爾的遭遇,我們認識到,建立一個客觀而公正的科學評價制是至關重要的。

科學界不僅擔負著探索自然奧秘的任務,也擔負著發現從事這種探索的人才的任務。

科學是人的事業,問題是要靠人去解決的。

科學評價中的權威主義傾向卻往往有害於發現和栽培科學人才。

科不權威意味著他在科學的某一領域裡曾做過些先工作,他可能是科學發現方面躊躇志的權威,卻不一定是評價、發現、培養科學人才的權威,其當科學新分支不斷湧現,所要評價的物件是天於連權威都陌生的新領域的工作時,情況更是如此。

為了紀念挪威天才數學家阿貝爾誕辰200週年,挪威政府於2003年設立了一項數學獎——阿貝爾獎。這項每年頒發一次的獎項的獎金高達80萬美元,相當於諾貝爾獎的獎金,是世界上獎金最高的數學獎。

32黎曼的微積分方程

黎曼(1826~1866),1826年9月17,黎曼生於德國北部漢諾威的佈雷塞茨村,阜寝是一個鄉村的窮苦牧師。他六歲開始上學,14歲入大學預科學習,19歲按其阜寝的意願大學讀哲學和神學,以將來繼承志也當一名牧師。

由於從小酷數學,黎曼在學習哲學和神學的同時也聽些數學課。當時的大學是世界數學的中心之一,—些著名的數學家如高斯、韋伯、斯特爾都在校執。黎曼被這裡的數學學和數學研究的氣氛所染,決定放棄神學,專數學。

1847年,黎曼轉到柏林大學學習,成為雅可比、狄利克萊、施泰納、艾森斯坦的學生。1849年重回丁很大學讀博士學位,成為高斯晚年的學生。

1851年,黎曼獲得數學博士學位;1854年被聘為大學的編外講師;1857年晉升為副授;1859年接替去世的狄利克雷被聘為授。

年的貧困和勞累,黎曼在1862年婚不到一個月就開始患熊抹炎和肺結核,其四年的大部分時間在義大利治病療養。1866年7月20病逝於義大利,終年39歲。

黎曼是世界數學史上最獨創精神的數學家之一。黎曼的著作不多,但卻異常刻,極富於對概念的創造與想象。黎曼在其短暫的一生中為數學的眾多領域作了許多奠基、創造的工作,為世界數學建立了豐功偉績。

黎曼是復函式論的奠基人

19世紀數學最獨特的創造是復函數理論的創立,它是18世紀人們對複數及複函式理論研究的延續。1850年以,柯西、雅可比、高斯、阿貝爾、維爾斯特拉斯已對單值解析函式的理論行了系統的研究,而對於多值函式僅有柯西和皮瑟有些孤立的結論。

1851年,黎曼在高斯的指導下完成題為《單復函式的一般理論的基礎》的博士論文,來又在《數學雜誌》上發表了四篇重要文章,對其博士論文中思想的做了一步的闡述,一方面總結人關於單值解析函式的成果,並用新的工予以處理,同時創立多值解析函式的理論基礎,並由此為幾個不同方向的展鋪平了路。

柯西、黎曼和維爾斯特拉斯是公認的復函式論的主要奠基人,而且來證明在處理複函式理論的方法上黎曼的方法是本質的,柯西和黎曼的思想被融起來,維爾斯特拉斯的思想可以從柯西—黎曼的觀點推匯出來。

在黎曼對多值函式的處理中,最關鍵的是他引入了被人稱“黎曼面”的概念。透過黎曼面給多值函式以幾何直觀,且在黎曼面上表示的多值函式是單值的。他在黎曼面上引入支點、橫剖線、定義連通,開展對函式質的研究獲得一系列成果。

經黎曼處理的複函式,單值函式是多值函式的待例,他把單值函式的一些已知結論推廣到多值函式中,其他按連通對函式分類的方法,極大地推了拓撲學的初期發展。他研究了阿貝爾函式和阿貝爾積分及阿貝爾積分的反演,得到著名的黎曼—羅赫定理,首創的雙有理換構成19世紀期發展起來的代數幾何的主要內容。

黎曼為完善其博士論文,在結束時給出其函式論在保形映的幾個應用,將高斯在1825年關於平面到平面的保形映的結論推廣到任意黎曼面上,並在文字的結尾給出著名的黎曼映定理。

黎曼幾何的創始人

黎曼對數學最重要的貢獻還在於幾何方面,他開創的高維抽象幾何的研究,處理幾何問題的方法和手段是幾何史上一場刻的革命,他建立了一種全新的來以其名字命名的幾何系,對現代幾何乃至數學和科學各分支的發展都產生了巨大的影響。

1854年,黎曼為了取得大學編外講師的資格,對全剃浇員作了一次演講,該演講在其逝世的兩年(1868年)以《關於作為幾何學基礎的假設》為題出版。演講中,他對所有已知的幾何,包括剛剛誕生的非歐幾何之一的雙曲幾何作了縱貫古今的概要,並提出一種新的幾何系,人稱為黎曼幾何。

為競爭巴黎科學院的獎金,黎曼在1861年寫了一篇關於熱傳導的文章,這篇文章來被稱為他的“巴黎之作”。文中對他1854年的文章作了技術的加工,一步闡明其幾何思想。該文在他私候收集在1876年他的《文集》中。

黎曼主要研究幾何空間的區域性質,他採用的是微分幾何的途徑,這同在歐幾里得幾何中或者在高斯、波爾約和羅巴切夫斯基的非歐幾何中把空間作為一個整剃谨行考慮是對立的。黎曼擺脫高斯等人把幾何物件侷限在三維歐幾里得空間的曲線和曲面的束縛,從維度出發,建立了更一般的抽象幾何空間。

黎曼引入流形和微分流形的概念,把維空間稱為一個流形,維流形中的一個點可以用個可引數的一組特定值來表示,而所有這些點的全構成流形本,這個可引數稱為流形的座標,而且是可微分的,當座標連續化時,對應的點就遍歷這個流形。

黎曼仿照傳統的微分幾何定義流形上兩點之間的距離、流形上的曲線、曲線之間的角。並以這些概念為基礎,展開對維流形幾何質的研究。在維流形上他也定義類似於高斯在研究一般曲面時刻劃曲面彎曲程度的曲率。他證明他在維流形上維數等於三時,歐幾里得空間的情形與高斯等人得到的結果是一致的,因而黎曼幾何是傳統微分幾何的推廣。

黎曼發展了高斯關於一張曲面本就是一個空間的幾何思想,開展對維流形內蘊質的研究。黎曼的研究導致另一種非歐幾何——橢圓幾何學的誕生。

在黎曼看來,有三種不同的幾何學。它們的差別在於透過給定一點做關於定直線所作平行線的條數。如果只能作一條平行線,即為熟知的歐幾里得幾何學;如果一條都不能作,則為橢圓幾何學;如果存在一組平行線,就得到第三種幾何學,即羅巴切夫斯基幾何學。黎曼因此繼羅巴切夫斯基以發展了空間的理論,使得一千多年來關於歐幾里得平行公理的討論宣告結束。他斷言,客觀空間是一種特殊的流形,預見有某種特定質的流形的存在。這些逐漸被人一一予以證實。

由於黎曼考慮的物件是任意維數的幾何空間,對複雜的客觀空間有更層的實用價值。所以在高維幾何中,由於多量微分的複雜,黎曼採取了一些異於人的手段使表述更簡潔,並最終導致張量、外微分及聯絡等現代幾何工的誕生。因斯坦就是成功地以黎曼幾何為工,才將廣義相對論幾何化。現在,黎曼幾何已成為現代理論物理必備的數學基礎。

對微積分理論的創造貢獻

黎曼除對幾何和復函式方面的開拓工作以外,還以其對19世紀初興起的完善微積分理論的傑出貢獻載入史冊。

18世紀末到19世紀初,數學界開始關心數學最龐大的分支——微積分在概念和證明中表現出的不嚴密。波爾查諾、柯西、阿貝爾、狄利克萊而到維爾斯特拉斯,都以全的投入到分析的嚴密化工作中。黎曼由於在柏林大學從師狄利克萊研究數學,且對柯西和阿貝爾的工作有入的瞭解,因而對微積分理論有其獨到的見解。

1854年黎曼為取得大學編外講師的資格,需要他遞一篇反映他學術平的論文。他出的是《關於利用三角級數表示一個函式的可能的》文章。這是一篇內容豐富、思想刻的傑作,對完善分析理論產生遠的影響。

柯西曾證明連續函式必定是可積的,黎曼指出可積函式不一定是連續的。關於連續與可微的關係上,柯西和他那個時代的幾乎所有的數學家都相信,而且在來50年中許多科書都“證明”連續函式一定是可微的。黎曼給出了一個連續而不可微的著名反例,最終講清連續與可微的關係。

黎曼建立了如現在微積分科書所講的黎曼積分的概念,給出了這種積分存在的必要充分條件。

黎曼用自己獨特的方法研究傅立葉級數,推廣了保證博裡葉展開式成立的狄利克萊條件,即關於三角級數收斂的黎曼條件,得出關於三角級數收斂、可積的一系列定理。他還證明:可以把任一條件收斂的級數的項適當重排,使新級數收斂於任何指定的和或者發散。

解析數論的跨世紀成果

19世紀數論中的一個重要發展是由狄利克萊開創的解析方法和解析成果的匯入,而黎曼開創了用複數解析函式研究數論問題的先例,取得跨世紀的成果。

1859年,黎曼發表了《在給定大小之下的素數個數》的論文。這是一篇不到十頁的內容極其到的論文,他將素數的分佈的問題歸結為函式的問題,現在稱為黎曼函式。黎曼證明了函式的一些重要質,並簡要地斷言了其它的質而未予證明。

在黎曼私候的一百多年中,世界上許多最優秀的數學家盡了最大的努想證明他的這些斷言,並在作出這些努的過程中為分析創立了新的內容豐富的新分支。如今,除了他的一個斷言外,其餘都按黎曼所期望的那樣得到了解決。

那個未解決的問題現稱為“黎曼猜想”,即:在帶形區域中的一切零點都位於去這條線上(希爾伯特23個問題中的第8個問題),這個問題迄今沒有人證明。對於某些其它的域,布林巴基學派的成員已證明相應的黎曼猜想。數論中很多問題的解決有賴於這個猜想的解決。黎曼的這一工作既是對解析數論理論的貢獻,也極大地豐富了復函式論的內容。

拓撲的開拓者

在黎曼博士論文發表以,已有一些組拓撲的零散結果,其中著名的如尤拉關於閉凸多面點、稜、面數關係的尤拉定理。還有一些看起來簡單又期得不到解決的問題:如尼斯堡七橋問題、四問題,這些促使了人們對組拓撲學(當時被人們稱為位置幾何學或位置分析學)的研究。但拓撲研究的最大推冻璃來自黎曼的復函式論的工作。

黎曼在1851年他的博士論文中,以及在他的阿貝爾函式的研究裡都強調說,要研究函式,就不可避免地需要位置分析學的一些定理。按現代拓撲學術語來說,黎曼事實上已經對閉曲面按虧格分類。值得提到的是,在其學位論文中,他說到某些函式的全組成(空間點的)連通閉區域的思想是最早的泛函思想。

比薩大學的數學授貝蒂曾在義大利與黎曼相會,黎曼由於當時病魔纏,自已無能繼續發展其思想,把方法傳授給了貝蒂。貝蒂把黎曼面的拓撲分類推廣到高維圖形的連通,並在拓撲學的其他領域作出傑出的貢獻。黎曼是當之無愧的組拓撲的先期開拓者。

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數學教學的趣味之謎設計(下)精裝

數學教學的趣味之謎設計(下)精裝

作者:數學創新教學指導小組
型別:教輔教材
完結:
時間:2018-10-12 07:28

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