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柯西的一生

年表 17898 月 21 日生于巴黎,此时巴士底狱陷落刚五个星期。 1794恐怖统治期间,全家避居阿尔克伊,与拉普拉斯为邻。 1805以入学考试第二名进入巴黎综合理工学院。 1810前往瑟堡,担任拿破仑军港工程的工程师。 1813因病回到巴黎,证明了费马的多边形数定理。 1816被国王敕令任命为科学院院士,接替蒙日的席位。 1821出版巴黎综合理工学院的《分析教程》。 1825提交关于虚数限之间定积分的论文。 1830拒绝向路易-菲利普宣誓效忠,开始流亡。 1833在布拉格担任查理十世之孙波尔多公爵的家庭教师。 1838回到巴黎。 1848新共和国废除宣誓;次年他就任索邦大学教授。 18575 月 23 日在索镇去世,享年 67 岁。 革命之子 奥古斯丁-路易·柯西 1789 年 8 月 21 日生于巴黎。巴士底狱在 7 月 14 日陷落,而他的父亲路易-弗朗索瓦·柯西是巴黎警察机构的高级官员,这个旧制度下的职位一夜之间变得危险起来。1794 年恐怖统治期间,全家逃到城南阿尔克伊的乡间住宅。在那里他们经历了饥饿和贫困;奥古斯丁是个瘦弱的孩子,体弱多病伴随了他一生。 父亲很有学问,在家亲自教孩子们,教了大量拉丁文和希腊文,也传给他们虔诚的天主教信仰,奥古斯丁终身保持着这份信仰。在阿尔克伊,邻居是数学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯和化学家克洛德·路易·贝托莱,两人常在家中聚集一群科学家。 1799 年拿破仑政变之后,父亲被任命为元老院秘书长,办公室设在卢森堡宫。元老院议员中有当时在世的最伟大的数学家约瑟夫-路易·拉格朗日,他见过这个男孩,印象深刻。 你们看见这个小伙子了吗?他将来会取代我们所有这些几何学家。 — 约瑟夫-路易·拉格朗日,据克洛德-阿尔方斯·瓦尔松的记述(1868) 据说拉格朗日劝柯西的父亲,在孩子 17 岁以前不要让他打开数学书,先让他接受扎实的文学教育,否则天赋会过早地把他卷走。父亲听从了这个建议。在先贤祠中央学校,奥古斯丁获得了拉丁文和希腊文诗歌的奖项。 瑟堡的工程师 1805 年,16 岁的柯西以入学考试第二名进入巴黎综合理工学院。两年后转入桥梁与道路学校,即土木工程学校。1810 年他被派往诺曼底海岸的瑟堡,拿破仑正在那里为对英战争修建一座大型军港。据传记作者瓦尔松说,他的行李里带着拉普拉斯的《天体力学》、拉格朗日的《解析函数论》、一本维吉尔,还有《效法基督》。 他白天在工地上忙碌,晚上做数学。1811 年他解决了勒让德和马吕斯向他提出的一个关于凸多面体的问题,1812 年写了一篇关于行列式的长篇论文。1813 年,他精疲力竭、疾病缠身,回到巴黎。同一年他证明了多边形数定理,这是费马在 1638 年未加证明就提出的命题。24 岁时,他已经名扬全欧洲。 1840 年前后的奥古斯丁-路易·柯西,这幅肖像据认为出自让·罗勒之手,现藏索镇城堡。Jean Roller · 维基共享资源 · 公有领域 蒙日的席位 拿破仑倒台、波旁王朝复辟之后,与大革命有关的科学家纷纷被排挤。1816 年,一道国王敕令把拉扎尔·卡诺和加斯帕尔·蒙日逐出科学院,并任命柯西接替蒙日的席位。柯西是坚定的保王党人,毫不犹豫地接受了,许多同事从此再也没有原谅他。同一年,他以一篇关于液体表面波传播的论文获得科学院大奖,并成为巴黎综合理工学院的分析学教授。 1818 年他娶了出身书商兼出版商家庭的阿洛伊丝·德·比尔,两人育有两个女儿。接下来的几年是他最富创造力的时期:1821 年的《分析教程》,1823 年的《无穷小计算教程概要》,1822 年的固体应力理论,以及 1825 年的复平面上的积分。 然而,他的课却是个问题。柯西要求的严格性,学生们既不理解也不想要,因为他们将来是要当工程师的;学校当局抱怨他在证明上花的时间太多。1826 年他为自己创办了一份刊物《数学练习》,一期接一期,全由他一个人撰写。 柯西没有读的手稿 柯西几乎是每一篇送交科学院的重要论文的当然审稿人,其中有两篇因为在他手里的遭遇而出了名。1826 年,挪威人尼尔斯·亨里克·阿贝尔交上了他关于积分的伟大论文;柯西把它带回家,忘在一堆文件里,直到 1841 年才得以发表,那时阿贝尔已经去世十二年。1829 年,埃瓦里斯特·伽罗瓦关于方程的论文也经过他手,却没有得到审查意见。有迹象表明,在这件事上柯西曾建议伽罗瓦把论文改写后参加大奖评选,这本来是一种鼓励;但两件事的结果都是,两位年轻的天才至死都没有看到自己的工作得到承认。 流亡 1830 年 7 月,一场革命推翻了查理十世,把路易-菲利普扶上王位。所有公职人员都必须向新国王宣誓效忠。柯西拒绝了:在他看来,对波旁王室立下的誓言不能背弃。他失去了全部职位,9 月离开法国,先到瑞士,再到都灵,皮埃蒙特国王专门为他设立了一个理论物理学讲席。1831 年,他在都灵写下了今天以他命名的积分公式。

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多边形数定理

希腊人早就用小石子摆图形。用 1、3、6、10 颗石子可以摆成三角形;用 1、4、9、16 颗,摆成正方形;用 1、5、12、22 颗,摆成五边形。这些就是多边形数。 公式 $k$ 边形数的第 $n$ 个,是把一个从 1 开始、公差为 $k - 2$ 的等差数列加起来得到的: $$P_k(n) = 1 + (k-1) + (2k-3) + \cdots = \frac{n\,\big((k-2)n - (k-4)\big)}{2}.$$$k = 3$ 时得到三角形数 $\frac{n(n+1)}{2}$:1, 3, 6, 10, 15, …;$k = 4$ 时是平方数 $n^2$;$k = 5$ 时是五边形数 $\frac{n(3n-1)}{2}$:1, 5, 12, 22, 35, … 我们也把零算进去,$P_k(0) = 0$。 费马的断言 1638 年,皮埃尔·德·费马在给梅森的信中,后来又在他那本丢番图著作的页边批注里,声称发现了一个“非常美妙而且完全普遍”的性质: 每个数或者是三角形数,或者是两个或三个三角形数之和;或者是平方数,或者是两个、三个或四个平方数之和;或者是五边形数,或者是两个、三个、四个或五个五边形数之和;如此直至无穷。 — 皮埃尔·德·费马,丢番图著作页边批注(约 1638) 像往常一样,费马没有留下证明。平方数的情形难倒了欧拉四十年,1770 年才由拉格朗日解决。三角形数的情形由高斯在 1796 年证明;他在日记里欣喜地写道:“ΕΥΡΗΚΑ! num = Δ + Δ + Δ”。五边形数、六边形数以及其余所有情形仍然悬而未决。

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行列式与置换

1812 年 11 月 30 日,来自瑟堡的年轻工程师在法兰西学会宣读了一篇标题很长的论文:论那些在变量互换时只能取两个大小相等、符号相反的值的函数。标题背后,是第一套一般的行列式理论。 会变号的函数 取三个变量 $a_1, a_2, a_3$,以及它们之差的乘积 $$\Delta = (a_2 - a_1)(a_3 - a_1)(a_3 - a_2).$$如果交换 $a_1$ 和 $a_2$,每个因子要么不变,要么变号,总的结果是 $\Delta$ 变成 $-\Delta$。交换任何两个变量都是如此。变量的置换是一连串交换,它把 $\Delta$ 乘以 $+1$ 或 $-1$:置换分为偶置换和奇置换。 柯西用这个观察整理了莱布尼茨、克拉默、范德蒙德和拉普拉斯在解线性方程组时得到的各种表达式。他把 $n^2$ 个系数排成一个方阵,用两个下标记为 $a_{i,j}$,并把行列式定义为所有这样的乘积之和:每个乘积从每一行、每一列各取一个元素,并带上相应置换的符号: $$\det\begin{pmatrix} a_{1,1} & a_{1,2} \\ a_{2,1} & a_{2,2}\end{pmatrix} = a_{1,1}a_{2,2} - a_{1,2}a_{2,1}.$$“行列式”(déterminant)这个词来自高斯,他曾把它用于二次型;是柯西把它固定为今天的含义。 乘积 这篇论文的主要结果是乘积定理:如果 $C$ 是 $A$ 与 $B$ 按行乘列得到的方阵,那么 $$\det C = \det A \cdot \det B.$$雅克·比内在同一年也提出了这个定理,适用于长方阵列的一般形式今天称为柯西–比内公式。用数字验证一下。设 $$A = \begin{pmatrix} 2 & 1 \\ 1 & 3 \end{pmatrix}, \quad B = \begin{pmatrix} 1 & 4 \\ 2 & 1 \end{pmatrix},$$则 $\det A = 6 - 1 = 5$,$\det B = 1 - 8 = -7$。乘积是

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极限与连续

在十八世纪,微积分是一台威力惊人而又有点神秘的机器。欧拉把发散级数加起来,却能从中得到正确的结果;拉格朗日试图把一切建立在幂级数上;书里谈论着“无穷小”的量,方便时它是零,不方便时又不是零。这套东西管用,但没有人能确切解释为什么管用。 《分析教程》 1821 年,柯西出版了《皇家综合理工学院分析教程》,内容是他给未来的工程师们讲的课。他在序言中宣布,要赋予分析学“几何学所要求的全部严格性”。一切从一个定义开始: 当同一个变量相继取得的值无限地趋近于一个固定的值,以至于最终与它的差可以随意地小,这个固定的值就称为所有其他值的极限。 — 奥古斯丁-路易·柯西,《分析教程》(1821) 1821 年《分析教程》的扉页:第一部分,代数分析。柯西署名为桥梁与道路工程师、综合理工学院教授、科学院院士。Augustin-Louis Cauchy · 维基共享资源 · CC0 从此,无穷小不再是神秘的量:它只是一个极限为零的变量。例如,当 $n$ 增大时,$\frac{1}{n}$ 是一个无穷小,因为任给一个小数,$\frac{1}{n}$ 最终会比它小,而且再也不会回头。 连续函数 第二个定义是连续。对欧拉来说,连续函数是由单一公式给出的函数。柯西换了一个着眼于函数行为的观念: 如果对于给定界限之间的每个 x 值,差 f(x + α) − f(x) 的数值随着 α 的数值无限地减小,那么函数 f(x) 在这两个界限之间就是连续的。 — 奥古斯丁-路易·柯西,《分析教程》(1821) 用今天的话说:自变量的微小增量只引起函数的微小变化。四十年后,魏尔斯特拉斯用每个学生都熟悉的字母写下了这一点:对每个 $\varepsilon > 0$,存在 $\delta > 0$,使得只要 $|\alpha| < \delta$,就有 $|f(x+\alpha) - f(x)| < \varepsilon$。这两个字母本身在柯西 1823 年的证明中就已经出现。 介值定理 有了这个定义,柯西证明了一个人人都觉得显然的事实:如果 $f$ 在 $[a, b]$ 上连续,且 $f(a)$ 与 $f(b)$ 异号,那么在 $a$ 和 $b$ 之间存在一点使 $f$ 等于零。捷克人伯纳德·波尔查诺在 1817 年发表过一个证明,但几乎没人读过。

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复平面上的积分

十八世纪末,欧拉和拉普拉斯用一个大胆的技巧计算困难的实积分:把实变量换成复变量,算完之后再回到实数。拉普拉斯称之为“从实到虚的过渡”。结果都对得上,但没有人能说清楚这个技巧何时合法。正是为了回答这个问题,25 岁的柯西在 1814 年向科学院提交了一篇关于定积分的论文。这篇论文直到 1827 年才发表,而它只是一个开端。 在平面上可导的函数 复变函数 $f(z)$,其中 $z = x + iy$,可以写成 $f = u + iv$,$u$ 和 $v$ 是 $x$、$y$ 的实函数。要使 $f$ 在复数意义下可导,$u$ 和 $v$ 必须满足柯西–黎曼方程: $$\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{\partial v}{\partial y}, \qquad \frac{\partial u}{\partial y} = -\frac{\partial v}{\partial x}.$$这组方程在达朗贝尔和欧拉那里已经出现过;柯西把它们放到了理论的中心,三十年后黎曼又以它们为出发点。对 $f(z) = z^2 = (x^2 - y^2) + i\,(2xy)$:$u_x = 2x = v_y$,$u_y = -2y = -v_x$。 积分定理 1825 年,柯西发表了《论虚数限之间的定积分》。在平面上从点 $z_0$ 积分到点 $z_1$,必须选一条连接两点的路径。核心定理说:路径无关紧要,只要把一条路径变形为另一条时所扫过的区域内,函数始终有限且连续。换一种说法:沿任何不绕过麻烦点的闭合曲线,积分都为零, $$\oint f(z)\,dz = 0.$$最重要的例子恰恰是定理不适用的情形。沿半径为 1 的圆按逆时针方向对 $\frac{1}{z}$ 积分。令 $z = e^{it}$,则 $dz = i e^{it}\,dt$,于是

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弹性固体中的应力

柯西从来没有停止当一名工程师。1822 年,克洛德-路易·纳维向科学院提出了一个基于分子间作用力的弹性固体理论,而奥古斯丁·菲涅耳正在把光解释为一种弹性介质,即以太的横向振动。柯西是两人在科学院的同事,密切关注着这些工作。1822 年 9 月 30 日,他向科学院宣布了一个全新的理论,它不需要分子。 想象的截面 想想一根受载的梁、一座桥或一根柱子。在内部选一个点,想象一个穿过它的小平面截面,其法向为 $\mathbf{n}$。截面一侧的材料拉着或推着另一侧的材料。这个截面上单位面积所受的力是一个向量 $\mathbf{t}$,柯西称之为“压力”,今天称为应力矢量。 这个矢量不一定垂直于截面。垂直的部分是正应力,起压缩或拉伸作用;平行的部分是剪应力,倾向于让两个面彼此滑动。而当截面绕同一点转动时,$\mathbf{t}$ 也随之改变。 柯西定理 柯西的发现是:这种依赖关系是最简单的一种,即线性的。存在一个数的阵列 $\sigma$,使得对任意方向 $\mathbf{n}$, $$\mathbf{t} = \sigma\,\mathbf{n}, \qquad \sigma = \begin{pmatrix} \sigma_{xx} & \sigma_{xy} & \sigma_{xz} \\ \sigma_{xy} & \sigma_{yy} & \sigma_{yz} \\ \sigma_{xz} & \sigma_{yz} & \sigma_{zz} \end{pmatrix}.$$由于阵列是对称的,只要六个数,就能知道穿过该点的所有可能截面上的力。这就是柯西的应力张量。 论证用的是四面体。切出一个极小的四面体,三个面平行于坐标平面,第四个面垂直于 $\mathbf{n}$。各面上的力与面积成正比,面积按尺寸的平方缩小;重力和惯性力与体积成正比,体积按尺寸的立方缩小。对于非常小的四面体,只有面上的力起作用,而且它们必须平衡。由于每个坐标面的面积等于斜面的面积乘以 $\mathbf{n}$ 的一个分量,平衡条件恰好给出 $\mathbf{t} = \sigma\mathbf{n}$。 一个平面的例子 在平面上,阵列只有三个数。取(单位为兆帕) $$\sigma = \begin{pmatrix} 3 & 1 \\ 1 & 1 \end{pmatrix}.$$对竖直截面,$\mathbf{n} = (1, 0)$,$\mathbf{t} = (3, 1)$:正应力 3(拉伸),剪应力 1。对水平截面,$\mathbf{n} = (0, 1)$,$\mathbf{t} = (1, 1)$:正应力 1,剪应力 1。在图中转动截面,观察两个分量的变化:

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柯西的遗产

柯西是个疯子,和他打交道毫无办法;可是如今,他是唯一懂得数学应该怎样做的人。 — 尼尔斯·亨里克·阿贝尔,致霍尔姆伯的信(1826) 柯西发表了大约 800 篇论文和七部著作。法国科学院编辑的《柯西全集》从 1882 年到 1974 年陆续出版,共 27 厚卷。在数学家当中,只有欧拉和极少数几个人留下了规模相当的著作。 以他命名的成果 柯西列和收敛的柯西准则,这是康托尔定义实数的基础。 根值判别法、凝聚判别法以及两个级数的柯西乘积。 柯西–施瓦茨不等式,以及柯西对平均值不等式的证明。 柯西中值定理,它为洛必达法则提供了依据。 柯西–黎曼方程、柯西积分定理、柯西积分公式和留数定理。 柯西主值,它通过在麻烦点两侧对称地切除一小段,使 $\int_{-1}^{1} \frac{dx}{x}$ 这样的积分有了意义。 微分方程的柯西问题,它问初值是否决定解;以及柯西–柯瓦列夫斯卡娅定理,它对解析函数回答了这个问题。 固体力学中的柯西应力张量和光学中的柯西色散公式。 行列式的柯西–比内公式和关于有限群的柯西定理。 凸多面体的柯西刚性定理。 《分析教程》中研究的柯西函数方程 $f(x + y) = f(x) + f(y)$。 概率论中的柯西分布,它的形状就是阿涅西曲线,而且没有平均值。 严格性 影响最大的是态度的转变。柯西之后,分析中的一个结果只有从清晰的定义出发得到证明才算数,而那些定义都是他的:极限、收敛、连续、导数、积分。下一代的魏尔斯特拉斯、戴德金和康托尔完成了这项工作,纠正了柯西过于相信直觉的地方,比如一致收敛。但他们翻修的大厦是柯西的。 路易·格雷瓜尔与德诺制作的柯西石版画像,约 1840 年,下方有这位数学家的签名。Louis Grégoire、Deneux · 维基共享资源 · 公有领域 其人 同时代人形容他虔诚、对穷人慷慨、不知疲倦,而且几乎无法相处。他在政治和宗教上毫不妥协,总想让同事改宗,为发现的优先权据理力争,作为科学院的审稿人下手很重。阿贝尔和伽罗瓦都有理由抱怨他,工程师让-维克托·彭赛列还指责他窃取了自己关于射影几何的想法。与此同时,他为了忠于一个誓言甘冒断送前程的风险,宁可离开巴黎八年,也不背弃自己的信念。在柯西的一生中,很难把科学家与那个有信仰、有党派的人分开。 纪念 古斯塔夫·埃菲尔在 1889 年把 72 位法国科学家和工程师的名字刻在埃菲尔铁塔上,柯西是其中之一。月球上静海里有一座柯西环形山;巴黎、索镇以及法国其他好几座城市都有以他命名的街道。 刻在埃菲尔铁塔东南面的柯西之名,位列古斯塔夫·埃菲尔纪念的 72 位科学家之中。Juanedc · 维基共享资源 · CC BY 2.0 练习:柯西函数方程在《分析教程》中,柯西证明了:对所有 $x, y$ 满足 $f(x + y) = f(x) + f(y)$ 的连续函数,只有 $f(x) = cx$ 这种形式。重做这个论证。 设 $c = f(1)$。取 $x = y = 0$,得 $f(0) = 2f(0)$,所以 $f(0) = 0$。反复相加,对每个正整数 $n$ 有 $f(n) = nf(1) = cn$;又由 $f(x) + f(-x) = f(0) = 0$,负整数也成立。对正整数 $q$,$c = f(1) = f\!\left(q \cdot \frac{1}{q}\right) = q\,f\!\left(\frac{1}{q}\right)$,所以 $f\!\left(\frac{1}{q}\right) = \frac{c}{q}$,$f\!\left(\frac{p}{q}\right) = c\,\frac{p}{q}$。公式在所有有理数上成立。每个实数都是有理数的极限,而 $f$ 连续,所以对所有 $x$,$f(x) = cx$。

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柯西与极限:如何书写无穷小

本站早期的文章用一个玩笑引出这个话题。取两个相等的数 $a=b$,做一些看似无害的运算: $$\begin{aligned} a&=b\\ a^2&=ab\\ a^2-b^2&=ab-b^2\\ (a+b)(a-b)&=b(a-b)\\ a+b&=b\\ 2b&=b\\ 2&=1. \end{aligned}$$错在哪里?从第四行到第五行,我们把两边同时除以 $a-b$。但 $a=b$,所以 $a-b=0$,我们除以了零。书写掩盖了罪行:$a-b$ 看起来像随便一个数,只有记得第一行的人才会发现它是零。伪装起来的除以零,是数学家所说的不定式最简单的形式,也就是著名的 $\frac00$。 微积分留下的问题 牛顿和莱布尼茨的微积分,依赖于一些既是零又不是零的量。为了求 $x^2$ 的导数,莱布尼茨计算 $\frac{(x+dx)^2-x^2}{dx}=2x+dx$,然后把 $dx$“略去”,仿佛它是零。可是如果 $dx$ 是零,两行之前就不能用它去除。方法管用,却没有人能解释为什么。 1734 年,爱尔兰主教乔治·贝克莱发表了一篇猛烈的抨击文章《分析学家》,矛头指向那些嘲笑宗教信仰、自己却相信更奇怪东西的“不信神的数学家”: 这些流数是什么?是消逝的增量的速度。而这些消逝的增量又是什么?它们既不是有限量,也不是无穷小量,又不是零。难道我们不能把它们叫作消逝量的鬼魂吗? — 乔治·贝克莱,《分析学家》(1734) 贝克莱在逻辑上是对的,在微积分上是错的。计算是管用的;缺少的是一种能说明它们做了什么的语言。 柯西:接近而不到达 这种语言来自法国。1821 年,奥古斯丁-路易·柯西出版了巴黎综合理工学院的《分析教程》,用文字定义了核心概念: 当同一个变量相继取得的值无限地接近一个固定的值,以至于最终与它相差得要多小就有多小时,这个固定的值就叫作所有其他值的极限。 — 奥古斯丁-路易·柯西,《分析教程》(1821) 秘密在于“要多小就有多小”。$dx$ 从不到达零:它保持任意地接近。几十年后,德国人卡尔·魏尔斯特拉斯用字母取代了这句话:对每一个误差范围 $\varepsilon>0$,无论多小,都存在一个距离 $\delta>0$ 来保证这种接近。这就是著名的“$\varepsilon$-$\delta$”定义,至今仍是大一学生的噩梦: $$\begin{aligned}\lim_{x\to a}f(x)=L\iff{}&\forall\varepsilon>0\ \exists\delta>0:\\ &0<|x-a|<\delta\Rightarrow|f(x)-L|<\varepsilon.\end{aligned}$$注意其中的符号 $\forall$(对所有)和 $\exists$(存在),我们将在讲逻辑的那篇文章里细看它们:推理的书写被用来为微积分服务。无穷小不再是一样东西,而成了一个承诺:你给我任何一个 $\varepsilon$,我就找到那个 $\delta$。 lim、箭头,以及它们隐藏的东西 记号也花了时间。1786 年,瑞士人西蒙·吕伊利耶把“极限”缩写为带句点的 lim.。lim 下面的小箭头 $x\to a$,直到二十世纪初才流行开来,主要得益于英国人 G. H. 哈代的《纯粹数学教程》(1908)。最终的写法紧凑而能动: $$\lim_{x\to2}\frac{x^2-4}{x-2}=\lim_{x\to2}\frac{(x+2)(x-2)}{x-2}=\lim_{x\to2}(x+2)=4.$$箭头说出了等号说不出的东西:$x$ 趋近于 $2$,却从不等于 $2$。所以我们可以约掉 $x-2$——它一路上都不为零——而不会犯下证明 $1=2$ 时的罪行。两次计算的区别,全在这个箭头上。 无穷分之一 本站早期的文章用一种非常形象的非正式写法表示定义数 $e$ 的极限:$\left(1+\frac1\infty\right)^\infty$。作为提示,它很管用:它说明了这个数从哪里来。作为计算,它很危险,因为 $\frac1\infty$ 和指数 $\infty$ 都不是数。正确的写法 $\lim_{n\to\infty}\left(1+\frac1n\right)^n=e$ 说的是同一件事,但用一个箭头禁止人们把无穷当作普通的数。有时,最能动的记号,也最需要缰绳。