厄米特,一位令人万分敬仰的数学巨人,在数学的各个领域都留下了不可磨灭的足迹。厄米特高中毕业即成为一流数学家,但却几经波折于6年后才得以大学毕业,入选法国科学院13年后依然是个大学改作业的助教,研究成果誉满天下,27年后才当上教授。他是为数不多的把自己的姓氏活成形容词的人,hermitian后面可以加上的数学概念不胜枚举,每一个学数学、学物理的人都略知一二。
他是一位好老师,其学生之一是震烁古今的全才学者庞加莱。
作为一个物理系的学生,笔者是在大二的数学课上首次接触到厄米特(Charles Hermite, 1822-1901)这个名字的。厄米特矩阵(Hermitian matrix)是其转置共轭等于自身的矩阵,A=A+,写成(复数)矩阵元的形式则为。厄米特矩阵,如同实对称矩阵,其本征值总为实数!
若A是n×n的厄米特矩阵,v是n维矢量,则二次型总是个实数。后来学量子力学,课本说这样的矩阵对应自伴随算符(self-adjoint),也就是厄米特算符。这样的算符,以及对应的矩阵,是厄米特的,因为本征值是实的,故这样的算符可以对应可测量物理量。
在数学物理方程和量子力学课上,笔者还学到了厄米特多项式(Hermite polynomials),具体列出来有如下的三角形形式,很美的:厄米特多项式有正交关系,对于m≠n,有,可以看到这里的关键是一个加了权重因子的空间里的故事。它可以用于解量子谐振子的薛定谔方程。以当时我能注意到的数学、物理著作里的名人来说,仅凭这两项厄米特也算是名列前茅了。这是个什么样的人呢?
厄米特出生于1822年,是父母七个孩子中的老六,右足有严重的残疾。在他7岁的时候,厄米特全家从洛林地区搬到了法国名城南希。
厄米特可说是上了最好的中学,他先是上了Collège de Nancy,后又转往巴黎的Collège Henri IV,1840-1841从Lycée Louis-le-Grand(路易大公中学)毕业,这是伽罗华15年前学习过的学校,指点厄米特数学的是著名数学家卡塔兰(Eugène Charles Catalan,1814–1894)。
注意,在法语中Lycée是中学,Collège也可以是中学,École(school)可以是大学,而中学老师也可称为professor(所谓授业解惑者也)。据说和他的学长伽罗华一样,厄米特喜欢阅读欧拉、高斯和拉格朗日的著作。对一个要成为真正学者的人来说,早点遇到大学者很重要啊,阅读经典很重要啊,它其实是必由之路。
在花了整整一年时间备考以后,1842年厄米特考入了著名的巴黎工科学校(l’école polytechnique)。这是一所带有军事性质的学校,因其数学教育而闻名于世。然而,根据法国教育当局1843年新年实行的一道命令:“身体不健全者不得进入工科学系”,厄米特被拒绝入学。后来,虽经其父母周旋,1843年2月重又被批准入学,但到开学时厄米特并未回到学校,后又于1844年新年退学。
据说经过了五年的自修,厄米特终于在1847年7月1日通过了文学学士(baccalauréat ès lettres)考试,当月12日通过了数学学士(baccalauréat ès sciences mathématiques)考试,最终于1848年5月9日获得了数学专业毕业证书(licence ès sciences mathématiques)。
毕业后,厄米特被巴黎工科学校聘用为改作业的助教和入学考试监考老师。
厄米特1842年就发表了“五次代数方程不可解的证明”这样的一流数学成果,1856年当选法国科学院(Académie des Sciences)成员。然而,迟至1869年他才被母校和巴黎大学聘为数学教授,那时他的数学研究成果已是铺天盖地了。他1876年从母校退休,但在巴黎大学工作到辞世,其间于1862-1873年在巴黎高师兼职讲师。厄米特70岁生日时被授予法国“荣誉军团”高级军官衔。
厄米特的数学成就很难具体谈论,因为他的数学成就太多。简单罗列一下以他的名字命名的部分数学概念,就足以让人们大为震惊。
以Hermite命名的数学概念包括但不限于以下诸条:Cubic Hermite spline(一个三次样条),Gauss–Hermite quadrature(二次型),Hermite distribution(分布函数),Hermite–Lindemann theorem(关于超越数的定理),Hermite constant(与格点几何有关的一个常数),The Hermite–Hadamard inequality(关于凸函数及其积分的不等式),Hermite interpolation(插值法),Hermite normal form(矩阵形式),Hermite numbers(与厄米特多项式关联的整数),Hermite polynomials(多项式),Hermite reciprocity(关于二项式不变量的互反律),Hermite ring(环),Hermite's cotangent identity(余切恒等式),Hermite's identity(关于实数之整数倍的小数部分的恒等式),Hermite's problem(表述实数的问题),Hermite's theorem(只有有限多个数域有小于给定值的判别式),Einstein–Hermitian vector bundle(矢量丛),Hermitian adjoint(伴随算符),Hermitian connection(多联络),Hermitian form(特殊的六线性形式),Hermitian function(函数),Hermitian manifold/structure(多流形),Hermitian matrix(矩阵),Hermitian operator(算符),Hermitian symmetric space(对称空间),Hermitian transpose(转置),Hermitian variety(簇,对四次型的推广)。
开篇我已经说了,对于物理爱好者来说,Hermitian operator(算符),Hermitian matrix(矩阵),Hermitian transpose(转置),Hermitian adjoint operator(伴随算符),Hermite polynomials(多项式),Hermitian function(函数)这几个概念大家一般都很熟悉。
厄米算符,即自伴随算符,对应的矩阵表示为厄米矩阵,即转置复共轭等于自身的矩阵;厄米矩阵的本征值为实数,对应的本征矢量作为一组完备正交基构成一个矢量空间。这是初等量子力学的关键内容。
厄米特的成名一战是1842年关于一元五次代数方程不可解证明。但是因为有阿贝尔、伽罗华的工作作为对比,故而厄米特的这项成就,虽说是在上大学前就做出来的,也未为他带来多少学术声誉。然而,厄米特伟大的地方在于他能破能立。
证明五次方程代数不可解是一类工作,为其找到其它可能的解表达式是另一类性质的工作。1858年,厄米特给出了五次代数方程的椭圆函数解,详情参见拙著《云端脚下》。厄米特为人所称道的一项伟大工作是关于超越数的证明。所谓的超越数,就是不可能是代数方程根的数。1873年,厄米特证明了自然对数的基e,是个超越数。
厄米特的证明用到了一个很俏皮的积分式,这个等式最右侧一项就是把原来积分中的f(t)替换成了f'(t)。继续积分下去,会出现函数f(t)的每一阶导数。想想多项式经过有限阶微分总会为0,这事儿会有个了断。假设函数f(x)是多项式,定义,故有。注意,函数ex的微分还是ex,e0=1。现在,假设e是某个代数方程的解,即满足方程,则有。因为有代数方程,上式右侧第一项为零,故得。
厄米特接下来选择,其中,p是个任意选择的足够大的质数,然后证明了式左侧是个非零足够大的数而右侧是个足够小的数,从而引出矛盾。这个反证法过程中用到的积分、函数的构造都很精巧,可见厄米特数学的基本功格外扎实。笔者有个感慨:大师来自对细节的深刻把握。
能证明e是超越数的人自然会瞄上π是超越数的证明。但是,这类问题的证明太耗费心神了。以笔者愚见,若证明过程没带来新的数学,这样的证明也就是个游戏而已。
在一封给朋友的信中,厄米特写道:“我可不想证明π的超越性了。如果有别人从事这项事业,没有比我会更为他们的成功感到高兴的了。但是,请相信我,我的朋友,这绝对会让他们大费周折。”1882年,德国人林德曼(Ferdinand von Lindemann,1852-1939)成功证明了π的超越性。
厄米特生来右足残疾,这让他的父母非常为他担心。据说,小时候的厄米特天性开朗,招人疼爱。
1842年入巴黎工科学校一事遭遇不顺,但在这期间他却同法国数学家伯特兰(Joseph Bertrand, 1822-1900),刘维尔(Joseph Liouville,1809-1882),德国数学家雅可比(Carl Gustav Jacob Jacobi,1804-1851)建立了深厚的私交,并频繁地交流学术思想。
他1848-1869年间在巴黎工科学校做了21年的助教和辅助入学考官,期间还于1856年入选法国科学院,可见其成就是为同时期的法国数学界认可的。或许是命运决定心情,厄米特终究心有不平吧,他的文字总散发着谦卑,而且还有随时准备维护他发现有优点的同事的意愿。厄米特确实赢得了后辈数学家的敬重,因为他注重数学教学,善于发现激励后进。据说他的教学不是瞄着严格的细节,而是奔着激发对美且简单之事物的赞赏去的。
厄米特的讲义对数学传播有着广泛的影响,他培养的学生中有震烁古今的全才庞加莱,学生中有此一人足以引以为傲了,估计这方面和他能相提并论的物理学家仅有索末菲一人。厄米特另一个著名的学生是Thomas Stieltjes,我们学积分的时候会遇到Stieltjes积分。这个荷兰人的姓的汉译似乎没有共识。
厄米特涉猎极广,故而在别人看来他的思维完全不按照逻辑运行。据庞加莱说,“把厄米特称为逻辑学家,没有比这和事实更南辕北辙的了。研究方法是以一种神秘的方式存在于厄米特的脑子里的。我觉得这就对了。做科学的所谓方法如果有迹可循,那要么是研究者真不会,要么是研究对象是没价值的伪问题或者平庸问题。
行文至此,忽然想聊聊什么是名人的问题。什么人是名人?从人之姓名演化的视角而言,粗略想来,有这么几种情况。
一是使得自己的姓名纳入了某种现象的描述,这样的人可算名人,比如“姜太公钓鱼——愿者上钩”中的姜尚,华佗再世里的华佗,东施效颦里的东施与西施,剪影(silhouette)一词里的Etienne de Silhouette。
二是把自己的姓氏活成形容词的人,比如由Isaac Newton(牛顿),Charles Hermite,Bernhard Riemann(黎曼)的姓氏而来的newtonian, hermitian,riemannian就是数学、物理文献中常用的形容词。
三是把自己的姓氏活成了名词的人,比如由Pierre-Simon Laplace(拉普拉斯),Joseph-Louis Lagrange(拉格朗日),William Rowan Hamilton(哈密顿)姓氏而来的Laplacian(拉普拉斯算子),Lagrangian(拉格朗日量)和Hamiltonian(哈密顿量),这是数学、物理的基本概念,未来这几个概念进入小学课本也不令人惊讶。
第四类是把自己的姓氏活成了动词的人,比如陈省身(S.S. Chern)。Chern姓作为名词见于Chern number(陈数),指一类拓扑指标,而计算一个几何体系之陈数这个劳作有如下表达:Chern it up。
厄米特一生的遭遇可能对于我们来说尤为难以接受。他1856年入选法国科学院,是名满天下的数学家,但还是在巴黎工科学校继续干了13年的助教。不过有趣的是,厄米特本人似乎安之若素。
其实,人家的学校可不是那种光打鸣不下蛋的母鸡。查看一下巴黎工科学校的教师和毕业生名单,厄米特这样的杰出人物一抓一大把。再者,他们德法一带的社会讲究一码归一码,一个人不会因为一项成就获得了诺奖或者当选了某个academy, society or institution的member or fellow(学园、学会或者机构的成员、伙计)就必定要给个教授加乡绅的头衔。
一个在数学、物理领域做出过发现的人未必就不需要完整的受教育经历,未必是个合格的教授,也未必就有指导他人研究的能力与兴趣。赢者通吃是山大王的传统,是对专业的蔑视。