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大數(shù)學(xué)家歐拉

來(lái)源:本站 | 作者:admin | 時(shí)間:2006-07-15 04:36:07 ]

  歐拉(L.Euler,1707.4.15-1783.9.18)是瑞士數(shù)學(xué)家。生于瑞士的巴塞爾(Basel),卒于彼得堡(Petepbypt)。父親保羅·歐拉是位牧師,喜歡數(shù)學(xué),所以歐拉從小就受到這方面的熏陶。但父親卻執(zhí)意讓他攻讀神學(xué),以便將來(lái)接他的班。幸運(yùn)的是,歐拉并沒(méi)有走父親為他安排的路。父親曾在巴塞爾大學(xué)上過(guò)學(xué),與當(dāng)時(shí)著名數(shù)學(xué)家約翰·伯努利(Johann Bernoulli,1667.8.6-1748.1.1)及雅各布·伯努利(Jacob Bernoulli,1654.12.27-1705.8.16)有幾分情誼。由于這種關(guān)系,歐拉結(jié)識(shí)了約翰的兩個(gè)兒子:擅長(zhǎng)數(shù)學(xué)的尼古拉(Nicolaus Bernoulli,1695-1726)及丹尼爾(Daniel Bernoulli,1700.2.9-1782.3.17)兄弟二人,(這二人后來(lái)都成為數(shù)學(xué)家)。他倆經(jīng)常給小歐拉講生動(dòng)的數(shù)學(xué)故事和有趣的數(shù)學(xué)知識(shí)。這些都使歐拉受益匪淺。1720年,由約翰保舉,才13歲的歐拉成了巴塞爾大學(xué)的學(xué)生,而且約翰精心培育著聰明伶俐的歐拉。當(dāng)約翰發(fā)現(xiàn)課堂上的知識(shí)已滿足不了歐拉的求知欲望時(shí),就決定每周六下午單獨(dú)給他輔導(dǎo)、答題和授課。約翰的心血沒(méi)有白費(fèi),在他的嚴(yán)格訓(xùn)練下,歐拉終于成長(zhǎng)起來(lái)。他17歲的時(shí)候,成為巴塞爾有史以來(lái)的第一個(gè)年輕的碩士,并成為約翰的助手。在約翰的指導(dǎo)下,歐拉從一開始就選擇通過(guò)解決實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行數(shù)學(xué)研究的道路。1726年,19歲的歐拉由于撰寫了《論桅桿配置的船舶問(wèn)題》而榮獲巴黎科學(xué)院的資金。這標(biāo)志著歐拉的羽毛已豐滿,從此可以展翅飛翔。

  歐拉的成長(zhǎng)與他這段歷史是分不開的。當(dāng)然,歐拉的成才還有另一個(gè)重要的因素,就是他那驚人的記憶力!,他能背誦前一百個(gè)質(zhì)數(shù)的前十次冪,能背誦羅馬詩(shī)人維吉爾(Virgil)的史詩(shī)Aeneil,能背誦全部的數(shù)學(xué)公式。直至晚年,他還能復(fù)述年輕時(shí)的筆記的全部?jī)?nèi)容。高等數(shù)學(xué)的計(jì)算他可以用心算來(lái)完成。

  盡管他的天賦很高,但如果沒(méi)有約翰的教育,結(jié)果也很難想象。由于約翰·伯努利以其豐富的閱歷和對(duì)數(shù)學(xué)發(fā)展?fàn)顩r的深刻的了解,能給歐拉以重要的指點(diǎn),使歐拉一開始就學(xué)習(xí)那些雖然難學(xué)卻十分必要的書,少走了不少?gòu)澛?。這段歷史對(duì)歐拉的影響極大,以至于歐拉成為大科學(xué)家之后仍不忘記育新人,這主要體現(xiàn)在編寫教科書和直接培養(yǎng)有才化的數(shù)學(xué)工作者,其中包括后來(lái)成為大數(shù)學(xué)家的拉格朗日(J.L.Lagrange,1736.1.25-1813.4.10)。

  歐拉本人雖不是教師,但他對(duì)教學(xué)的影響超過(guò)任何人。他身為世界上第一流的學(xué)者、教授,肩負(fù)著解決高深課題的重?fù)?dān),但卻能無(wú)視"名流"的非議,熱心于數(shù)學(xué)的普及工作。他編寫的《無(wú)窮小分析引論》、《微分法》和《積分法》產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。有的學(xué)者認(rèn)為,自從1784年以后,初等微積分和高等微積分教科書基本上都抄襲歐拉的書,或者抄襲那些抄襲歐拉的書。歐拉在這方面與其它數(shù)學(xué)家如高斯(C.F.Gauss,1777.4.30-1855.2.23)、牛頓(I.Newton,1643.1.4-1727.3.31)等都不同,他們所寫的書一是數(shù)量少,二是艱澀難明,別人很難讀懂。而歐拉的文字既輕松易懂,堪稱這方面的典范。他從來(lái)不壓縮字句,總是津津有味地把他那豐富的思想和廣泛的興趣寫得有聲有色。他用德、俄、英文發(fā)表過(guò)大量的通俗文章,還編寫過(guò)大量中小學(xué)教科書。他編寫的初等代數(shù)和算術(shù)的教科書考慮細(xì)致,敘述有條有理。他用許多新的思想的敘述方法,使得這些書既嚴(yán)密又易于理解。歐拉最先把對(duì)數(shù)定義為乘方的逆運(yùn)算,并且最先發(fā)現(xiàn)了對(duì)數(shù)是無(wú)窮多值的。他證明了任一非零實(shí)數(shù)R有無(wú)窮多個(gè)對(duì)數(shù)。歐拉使三角學(xué)成為一門系統(tǒng)的科學(xué),他首先用比值來(lái)給出三角函數(shù)的定義,而在他以前是一直以線段的長(zhǎng)作為定義的。歐拉的定義使三角學(xué)跳出只研究三角表這個(gè)圈子。歐拉對(duì)整個(gè)三角學(xué)作了分析性的研究。在這以前,每個(gè)公式僅從圖中推出,大部分以敘述表達(dá)。歐拉卻從最初幾個(gè)公式解析地推導(dǎo)出了全部三角公式,還獲得了許多新的公式。歐拉用a 、b 、c 表示三角形的三條邊,用A、B、C表示第個(gè)邊所對(duì)的角,從而使敘述大大地簡(jiǎn)化。歐拉得到的著名的公式:

  又把三角函數(shù)與指數(shù)函聯(lián)結(jié)起來(lái)。

  在普及教育和科研中,歐拉意識(shí)到符號(hào)的簡(jiǎn)化和規(guī)則化既有有助于學(xué)生的學(xué)習(xí),又有助于數(shù)學(xué)的發(fā)展,所以歐拉創(chuàng)立了許多新的符號(hào)。如用sin 、cos 等表示三角函數(shù),用 e 表示自然對(duì)數(shù)的底,用f(x) 表示函數(shù),用 ∑表示求和,用 i表示虛數(shù)等。圓周率π雖然不是歐拉首創(chuàng),但卻是經(jīng)過(guò)歐拉的倡導(dǎo)才得以廣泛流行。而且,歐拉還把e 、π 、i 統(tǒng)一在一個(gè)令人叫絕的關(guān)系式 中。 歐拉在研究級(jí)數(shù)時(shí)引入歐拉常數(shù)C, 這是繼π 、e 之后的又一個(gè)重要的數(shù)。

  歐拉不但重視教育,而且重視人才。當(dāng)時(shí)法國(guó)的拉格朗日只有19歲,而歐拉已48歲。拉格朗日與歐拉通信討論"等周問(wèn)題",歐拉也在研究這個(gè)問(wèn)題。后來(lái)拉格朗日獲得成果,歐拉就壓下自己的論文,讓拉格朗日首先發(fā)表,使他一舉成名。

  歐拉19歲大學(xué)畢業(yè)時(shí),在瑞士沒(méi)有找到合適的工作。1727年春,在巴塞爾他試圖擔(dān)任空缺的教研室主任職務(wù),但沒(méi)有成功。這時(shí)候,俄國(guó)的圣彼得堡科院剛建立不久,正在全國(guó)各地招聘科學(xué)家,廣泛地搜羅人才。已經(jīng)應(yīng)聘在彼得堡工作的丹爾·伯努利深知?dú)W拉的才能,因此,他竭力聘請(qǐng)歐拉去俄羅斯。在這種情況下,歐拉離開了自己的祖國(guó)。由于丹尼爾的推薦,1727年,歐拉應(yīng)邀到圣彼得堡做丹尼爾的助手。在圣彼得堡科學(xué)院,他順利地獲得了高等數(shù)學(xué)副教授的職位。1731年,又被委任領(lǐng)導(dǎo)理論物理和實(shí)驗(yàn)物理教研室的工作。1733年,年僅26歲的歐拉接替回瑞士的丹尼爾,成為數(shù)學(xué)教授及彼得堡科學(xué)院數(shù)學(xué)部的領(lǐng)導(dǎo)人。

  在這期間,歐拉勤奮地工作,發(fā)表了大量?jī)?yōu)秀的數(shù)學(xué)論文,以及其它方面的論文、著作。

  古典力學(xué)的基礎(chǔ)是牛頓奠定的,而歐拉則是其主要建筑師。1736年,歐拉出版了《力學(xué),或解析地?cái)⑹鲞\(yùn)動(dòng)的理論》,在這里他最早明確地提出質(zhì)點(diǎn)或粒子的概念,最早研究質(zhì)點(diǎn)沿任意一曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度,并在有關(guān)速度與加速度問(wèn)題上應(yīng)用矢量的概念。

  同時(shí),他創(chuàng)立了分析力學(xué)、剛體力學(xué),研究和發(fā)展了彈性理論、振動(dòng)理論以及材料力學(xué)。并且他把振動(dòng)理論應(yīng)用到音樂(lè)的理論中去,1739年,出版了一部音樂(lè)理論的著作。1738年,法國(guó)科學(xué)院設(shè)立了回答熱本質(zhì)問(wèn)題征文的獎(jiǎng)金,歐拉的《論火》一文獲獎(jiǎng)。在這篇文章中,歐拉把熱本質(zhì)看成是分子的振動(dòng)。

  歐拉研究問(wèn)題最鮮明的特點(diǎn)是:他把數(shù)學(xué)研究之手深入到自然與社會(huì)的深層。他不僅是位杰出的數(shù)學(xué)家,而且也是位理論聯(lián)系實(shí)際的巨匠,應(yīng)用數(shù)學(xué)大師。他喜歡搞特定的具體問(wèn)題,而不象現(xiàn)代某些數(shù)學(xué)家那樣,熱衰于搞一般理論。

  正因?yàn)闅W拉所研究的問(wèn)題都是與當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)實(shí)際、社會(huì)需要和軍事需要等緊密相連,所以歐拉的創(chuàng)造才能才得到了充分發(fā)揮,取得了驚人的成就。歐拉在搞科學(xué)研究的同時(shí),還把數(shù)學(xué)應(yīng)用到實(shí)際之中,為俄國(guó)政府解決了很多科學(xué)難題,為社會(huì)作出了重要的貢獻(xiàn)。如菲諾運(yùn)河的改造方案,宮延排水設(shè)施的設(shè)計(jì)審定,為學(xué)校編寫教材,幫助政府測(cè)繪地圖;在度量衡委員會(huì)工作時(shí),參加研究了各種衡器的準(zhǔn)確度。另外,他還為科學(xué)院機(jī)關(guān)刊物寫評(píng)論并長(zhǎng)期主持委員會(huì)工作。他不但為科學(xué)院做大量工作,而且擠出時(shí)間在大學(xué)里講課,作公開演講,編寫科普文章,為氣象部門提供天文數(shù)據(jù),協(xié)助建筑單位進(jìn)行設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析。1735年,歐拉著手解決一個(gè)天文學(xué)難題──計(jì)算慧星的軌跡(這個(gè)問(wèn)題需經(jīng)幾個(gè)著名的數(shù)學(xué)家?guī)讉€(gè)月的努力才能完成)。由于歐拉使用了自己發(fā)明的新方法,只用了三天的時(shí)間。但三天持續(xù)不斷的勞累也使歐拉積勞成疾,疾病使年僅28歲的歐拉右眼失明。這樣的災(zāi)難并沒(méi)有使歐拉屈服,他仍然醉心于科學(xué)事業(yè),忘我地工作。但由于俄國(guó)的統(tǒng)治集團(tuán)長(zhǎng)期的權(quán)力之爭(zhēng),日益影響到了歐拉的工作,使歐拉很苦悶。事也湊巧,普魯士國(guó)王腓特烈大帝(Frederick the Great,1740-1786在位)得知?dú)W拉的處境后,便邀請(qǐng)歐拉去柏林。盡管歐拉十分熱愛(ài)自己的第二故鄉(xiāng)(在這里他普工作生活了14年),但為了科學(xué)事業(yè),他還是在1741年暫時(shí)離開了圣彼得堡科學(xué)院,到柏林科學(xué)院任職,任數(shù)學(xué)物理所所長(zhǎng)。1759年成為柏林科學(xué)院的領(lǐng)導(dǎo)人。在柏林工作期間,他并沒(méi)有忘記俄羅斯,他通過(guò)書信來(lái)指導(dǎo)他在俄羅斯的學(xué)生,并把自己的科學(xué)著作寄到俄羅斯,對(duì)俄羅斯科學(xué)事業(yè)的發(fā)展起了很大作用。

  他在柏林工作期間,將數(shù)學(xué)成功地應(yīng)用于其它科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,寫出了幾百篇論文,他一生中許多重大的成果都是這期間得到的。如:有巨大影響的《無(wú)窮小分析引論》、《微分學(xué)原理》,既是這期間出版的。此外,他研究了天文學(xué),并與達(dá)朗貝爾(I.L.R.D'Alembert,1717.11.16-1783.10.29)、拉格朗日一起成為天體力學(xué)的創(chuàng)立者,發(fā)表了《行星和慧星的運(yùn)動(dòng)理論》、《月球運(yùn)動(dòng)理論》、《日蝕的計(jì)算》等著作。在歐拉時(shí)代還不分什么純粹數(shù)學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué),對(duì)他來(lái)說(shuō),整個(gè)物理世界正是他數(shù)學(xué)方法的用武之地。他研究了流體的運(yùn)動(dòng)性質(zhì),建立了理想流體運(yùn)動(dòng)的基本微分方程,發(fā)表了《流體運(yùn)動(dòng)原理》和《流體運(yùn)動(dòng)的一般原理》等論文,成為流體力學(xué)的創(chuàng)始人。他不但把數(shù)學(xué)應(yīng)用于自然科學(xué),而且還把某一學(xué)科所得到的成果應(yīng)用于另一學(xué)科。比如,他把自己所建立的理想流體運(yùn)動(dòng)的基本方程用于人體血液的流動(dòng),從而在生物學(xué)上添上了他的貢獻(xiàn),又以流體力學(xué)、潮汐理論為基礎(chǔ),豐富和發(fā)展了船舶設(shè)計(jì)制造及航海理論,出版了《航海科學(xué)》一書,并以一篇《論船舶的左右及前后搖晃》的論文,榮獲巴黎科學(xué)院獎(jiǎng)金。不僅如此,他還為普魯士王國(guó)解決了大量社會(huì)實(shí)際問(wèn)題。1760年到1762年間,歐拉應(yīng)親王的邀請(qǐng)為夏洛特公主函授哲學(xué)、物理學(xué)、宇宙學(xué)、神學(xué)、化理學(xué)、音樂(lè)等,這些通信充分體現(xiàn)了歐拉淵博的知識(shí)、極高的文學(xué)修養(yǎng)、哲學(xué)修養(yǎng)。后來(lái)這些通信整理成《致一位德國(guó)公主的信》,1768年分三卷出版,世界各國(guó)譯本風(fēng)靡,一時(shí)傳為佳話。

  自從1741年歐拉離開彼得堡以后,俄國(guó)的政局一直不好,政權(quán)幾次更迭,最后落入葉卡捷林娜二世的手中,她吸取了以往的教訓(xùn),開始致力于文治武功。她一面與伏爾泰、狄德羅等法國(guó)啟蒙學(xué)者通信,一面又四方招聘有影響的科學(xué)家去彼得堡科學(xué)院任職。歐拉自然成了她主要聘請(qǐng)的對(duì)象。1766年,年已花甲的歐拉應(yīng)邀回到彼得堡,這次俄國(guó)為他準(zhǔn)備了優(yōu)越的工作條件。

  這時(shí)歐拉的科學(xué)研究工作已經(jīng)是碩果累累,思想也已經(jīng)成熟。除了一些專題還需繼續(xù)研究外,他希望能在晚年對(duì)過(guò)去的成就作系統(tǒng)的總結(jié),出版幾部高質(zhì)量的著作。然而,厄運(yùn)再次向他襲來(lái)。由于俄羅斯氣候嚴(yán)寒,以及他工作的勞累,歐拉的左眼又失明了,從此歐拉陷入伸手不見(jiàn)五指的黑暗之中。但歐拉是堅(jiān)強(qiáng)的,他用口授、別人記錄的方法堅(jiān)持寫作。他先集中精力撰寫了《微積分原理》一書,在這部三卷本巨著中,歐拉系統(tǒng)地闡述了微積分發(fā)明以來(lái)的所有積分學(xué)的成就,其中充滿了歐拉精辟的見(jiàn)解。1768年,《積分學(xué)原理》第一卷在圣彼得堡出版。1770年第三卷出版。同年,他又口述寫成《代數(shù)學(xué)完整引論》,有俄文、德文、法文版,成為歐洲幾代人的教科書,正當(dāng)歐拉在黑暗中搏斗時(shí),厄運(yùn)又一次向他襲來(lái)。1771年,圣彼得堡一場(chǎng)大火,秧及歐拉的住宅,把歐拉包圍在大火中。在這危急的時(shí)刻,是一位仆人冒著生命危險(xiǎn)把歐拉從大火中背出來(lái)。歐拉雖然幸免于難,可他的藏書及大量的研究成果都化為灰燼。種種磨難,并沒(méi)有把歐拉搞垮。大火以后他立即投入到新的創(chuàng)作之中。資料被焚,他又雙目失明,在這種情況下,他完全憑著堅(jiān)強(qiáng)的意志和驚人的毅力,回憶所作過(guò)的研究。歐拉的記憶力也確實(shí)罕見(jiàn),他能夠完整地背誦出幾十年前的筆記內(nèi)容,數(shù)學(xué)公式當(dāng)然更能背誦如流。歐拉總是把推理過(guò)程想得很細(xì),然后口授,由他的長(zhǎng)子記錄。他用這種方法又發(fā)表了論文400多篇以及多部專著,這幾乎占他全部著作的半數(shù)以上。1774年,他把自己多年來(lái)研究變分問(wèn)題所取得的成果集中發(fā)表一本書《尋求具有某種極大或極小性質(zhì)的曲線的技巧》中。從而創(chuàng)立了一個(gè)新的分支──變分法。另外,歐拉對(duì)天文學(xué)中的"三體問(wèn)題"月球運(yùn)動(dòng)及攝運(yùn)問(wèn)題進(jìn)行了研究。后來(lái),他解決了牛頓沒(méi)有解決的月球運(yùn)動(dòng)問(wèn)題,首創(chuàng)了月球繞地球運(yùn)動(dòng)地精確理論。為了更好地進(jìn)行天文觀測(cè),他曾研究了光學(xué),天文望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡。研究了光通過(guò)各種介質(zhì)的現(xiàn)象和有關(guān)的分色效應(yīng),提出了復(fù)雜的物鏡原理,發(fā)表過(guò)有關(guān)光學(xué)儀器的專著,對(duì)望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡的設(shè)計(jì)計(jì)算理論做出過(guò)開創(chuàng)性的貢獻(xiàn),在1771年他又發(fā)表了總結(jié)性著作《屈光學(xué)》。歐拉從19歲開始寫作,直到逝世,留下了浩如煙海的論文、著作,甚至在他死后,他留下的許多手稿還豐富了后47年的圣彼得堡科學(xué)院學(xué)報(bào)。就科研成果方面來(lái)說(shuō),歐拉是數(shù)學(xué)史上或者說(shuō)是自然科學(xué)史上首屈一指的。

  作為這樣一位科學(xué)巨人,在生活中他并不是一個(gè)呆板的人。他性情溫和,性格開朗,也喜歡交際。歐拉結(jié)過(guò)兩次婚,有13個(gè)孩子。他熱愛(ài)家庭的生活,常常和孩子們一起做科學(xué)游戲,講故事。

  歐拉旺盛的精力和鉆研精神一直堅(jiān)持到生命的最后一刻。1783年9月18日下午,歐拉一邊和小孫女逗著玩,一邊思考著計(jì)算天王星的軌跡,突然,他從椅子上滑下來(lái),嘴里輕聲說(shuō):"我死了"。一位科學(xué)巨匠就這樣停止了生命。

  歷史上,能跟歐拉相比的人的確不多,也有的歷史學(xué)家把歐拉和阿基米德、牛頓、高斯列為有史以來(lái)貢獻(xiàn)最大的四位數(shù)學(xué)家,依據(jù)是他們都有一個(gè)共同點(diǎn),就是在創(chuàng)建純粹理論的同時(shí),還應(yīng)用這些數(shù)學(xué)工具去解決大量天文、物理和力學(xué)等方面的實(shí)際問(wèn)題,他們的工作是跨學(xué)科的,他們不斷地從實(shí)踐中吸取豐富的營(yíng)養(yǎng),但又不滿足于具體問(wèn)題的解決,而是把宇宙看作是一個(gè)有機(jī)的整體,力圖揭示它的奧秘和內(nèi)在規(guī)律。

  由于歐拉出色的工作,后世的著名數(shù)學(xué)家都極度推崇歐拉。大數(shù)學(xué)家拉普拉斯(P.S.M.de Laplace,1749.3.23-1827.3.5)普說(shuō)過(guò):"讀讀歐拉,這是我們一切人的老師。"被譽(yù)為數(shù)學(xué)王子地高斯也普說(shuō)過(guò):"對(duì)于歐拉工作的研究,將仍舊是對(duì)于數(shù)學(xué)的不同范圍的最好的學(xué)校,并且沒(méi)有別的可以替代它"。

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