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。厄米特出生于1822年(图1),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(after spending five years working privately towards his degree),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(répétiteur et examinateur d'admission)。
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。
很难具体谈论厄米特的数学成就,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(一类三次样条),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)。
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(his willingness to fight for colleagues whose merit he discerns)。
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(but towards exciting admiration for things simple and beautiful)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(Henri Poincaré,1854-1912),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(1856-1894),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。
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。