7歲發現全新算法,19歲就解決2000年數學難題,高斯究竟多牛?

2020-03-14   胖福的小木屋

如果要提起世界上最偉大的數學家,那麼高斯一定是名列榜單,很多人說,數學王子高斯在數學上的成就如果全部發表,能讓數學多進步100年。

高斯3歲的時候據說就可以糾正父親帳本上的錯誤,在高斯之前,從1加到100都是一個一個累計來加,而7歲的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。這個算法也被命名為高斯算法。

在高斯18歲的時候,他就自己發現了質數分布定理和最小二乘法,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,他得到了一個具有機率性質的測量結果,並且把這個測量結果畫成了曲線,這種曲線函數分布被後人稱作為高斯分布圖,也被叫做標準正態分布。


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。要知道,那個時候他才19歲。


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,後來又給出了7種證明方式,完全不給其他的數學家活路。

高斯還給了虛數以意義,對複數的發展作出重要的推動作用,他在1799年、1815年、1816年對代數基本定理作出的三個證明中,都假定了複數和直角坐標平面上的點一一對應,1831年他對複平面作出詳細的說明。

電影中的高斯形象


1832 年,高斯系統地完善了複數理論,他第一次提出了「複數」這個名詞,還將表示平面上同一點的兩種不同方法——直角坐標法和極坐標法加以綜合。統一於表示同一複數的代數式和三角式兩種形式中,並把數軸上的點與實數一一對應,擴展為平面上的點與複數一一對應。高斯不僅把複數看作平面上的點,而且還看作是一種向量,並利用複數與向量之間一一對應的關係,闡述了複數的幾何加法與乘法。

複數理論的建立解決了很多的問題。比如最簡單 x^2+1=0 在此之前無法得出解,而在複數理論提出之後,人們提出了復根的概念去解決這類問題,復根就是複數根,複數是由實部和虛部構成的,實部是實數,虛部是純虛數。就是達朗貝爾提出的a+bi的形式。後來,我們用符號C來表示複數集,用符號R來表示實數集。

虛數以及由其建立的複數理論在後來被數學家廣泛運用,複平面的完善,「一切數」都能在複平面中找到。如今,虛數和複數在各個領域如物理學、電子信息工程等領域發揮著重要的作用。


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,比如說高斯分布(正態分布),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。可以說大物里有高斯、高數里也有高斯、幾何里也有高斯、….你閉上眼睛,在理工科(技術類)書籍里隨便挑一本書。裡面一定能找到高斯這麼個名字…你隨便拆一個app看代碼。,一般一定有不止一個公式(或者包里的公式)和高斯有關。

「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

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,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。

比如高斯在非歐幾何上,就很謹慎,歐氏幾何是人類創立的第一個完整的嚴密的(相對而言)科學體系。它於公元前三世紀由古希臘數學家歐幾里得完成,歐洲數學2000年發展史,幾乎有四分之三的時間裡歐氏幾何一統天下,對科學和哲學的影響極其深遠。


1813年,高斯已經形成了一套關於新幾何的思想,他稱之為「反歐幾里得幾何」後來又改稱「非歐幾里得幾何」。並且堅信這種新幾何在邏輯上也是相容的,且有廣闊的應用前景。但高斯因為保守和謹慎的性格,也憂心那些頑固分子會對這一發現展開攻擊,所以生前並未公開發表這一成果。


直到1854年,高斯的學生黎曼發表了《論作為幾何學基礎的假設》一文,宣告了黎曼幾何的誕生。而黎曼正是在高斯的思路上發展出來的非歐幾何。非歐幾何的命名也來源於高斯的遺稿。

所以貝爾這樣評論高斯: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泄漏,很可能比當今數學還要先進半個世紀或更多的時間。