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黎曼的一生

年表 18269 月 17 日生于汉诺威王国的布雷塞伦茨,父亲是路德宗牧师。 1846进入哥廷根大学学习神学,但很快转向数学。 1847到柏林求学,师从狄利克雷、雅可比、施泰纳和艾森斯坦。 1851在哥廷根获得博士学位,导师是高斯,论文研究复变函数。 18546 月 10 日,做了关于几何基础的授课资格演讲。 1857发表阿贝尔函数理论,成为副教授。 1859接替狄利克雷担任哥廷根的教授,并当选柏林科学院院士。发表关于素数的论文。 1862与埃莉泽·科赫结婚。患上肺结核。 18667 月 20 日在意大利塞拉斯卡去世,享年 39 岁。 牧师的儿子 格奥尔格·弗里德里希·伯恩哈德·黎曼 1826 年 9 月 17 日生于德国北部汉诺威王国的村庄布雷塞伦茨。父亲也叫弗里德里希·伯恩哈德,是路德宗牧师,曾参加过对拿破仑的战争。家境贫寒,伯恩哈德是六个孩子中的老二。十岁以前,都是父亲教他读书。 布雷塞伦茨教堂旁纪念黎曼的石碑。黎曼生在这个村庄,他的父亲在这里当牧师。Felina Katarina Schulz · Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0 十四岁时,他被送到汉诺威的文理中学,寄住在祖母家;祖母去世后,他转到吕讷堡的文理中学。他是个腼腆的学生,想家,作文也写不好。校长注意到他的数学天赋,把自己的藏书借给他。据传记作者讲的一个故事,黎曼把勒让德那部将近九百页的数论著作借去,不到一个星期就还了回来,说已经读完了。 神学还是数学 1846 年,黎曼按照父亲的心愿进入哥廷根大学学习神学,父亲盼着他将来当牧师。但他去听了数学课,其中包括高斯的课,于是请求父亲允许他转专业。父亲同意了。第二年,黎曼去了柏林,跟随雅可比、施泰纳、艾森斯坦,尤其是彼得·古斯塔夫·勒热纳·狄利克雷学习。狄利克雷成了他的榜样:清晰、严谨,重视计算背后的思想。 青年时代的伯恩哈德·黎曼,19 世纪 50 年代的照片。作者不详 · Wikimedia Commons · 公有领域 1849 年回到哥廷根后,他给物理学家威廉·韦伯当助手,同时准备关于复变函数的博士论文,于 1851 年 12 月答辩。很少夸奖别人的高斯在评语中写道,这篇论文显示出“一种光辉而丰饶的独创性”。黎曼曲面就是在这篇论文中出现的。 1854 年的演讲 要在德国大学任教,必须取得授课资格:再写一篇论文,并做一场公开演讲。那篇论文讨论用三角级数表示函数,让黎曼精确地定义了什么是积分,并发现了重排定理。 演讲方面,候选人提出三个题目,由学院选一个。黎曼提了两个精心准备的电学题目,第三个关于几何基础,几乎只是凑数。高斯却没有按惯例选第一个,而是选了第三个。黎曼只好匆忙准备最难的题目,而 1854 年 6 月 10 日的这场演讲,成了几何学史上最重要的演讲之一。据戴德金记述,高斯走出会场时深受触动。 哥廷根一栋房子上的牌子,黎曼在 1854 年到 1857 年间住在这里,那几年他开始在大学授课。Manecke · Wikimedia Commons · CC BY-SA 3.0 哥廷根的教授 高斯于 1855 年去世,狄利克雷从柏林来接任他的教席。没有固定薪水、生活拮据的黎曼在 1857 年发表了阿贝尔函数理论,被任命为副教授。1859 年狄利克雷去世,黎曼被选为继任者:他坐上了曾经属于高斯的教席。同一年,他当选为柏林科学院通讯院士,并按惯例向科学院提交了一篇论文,这就是那篇关于素数的论文。

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黎曼积分

牛顿和莱布尼茨在 17 世纪发明了积分学,但很长时间里,没有人在意精确地定义积分到底是什么。对于普通的函数,积分就是导数的逆运算,或者曲线下的面积,这就够了。 奇怪的函数 19 世纪初,情况变了。傅里叶证明,非常不规则的函数,即带有跳跃和尖角的函数,也可以写成正弦和余弦之和,而这些和的系数由积分给出。可是,对一个满是跳跃的函数求积分有什么意义呢?柯西为连续函数给出了第一个定义。黎曼的老师狄利克雷在 1829 年找到了一个根本无法积分的函数:在有理数处取 1、在无理数处取 0 的函数。 黎曼在 1854 年关于三角级数的授课资格论文中处理了这个问题。要知道哪些函数能写成傅里叶级数,他首先得确切知道哪些函数能够积分。 定义 黎曼的想法很简单。要在区间 $[a, b]$ 上对 $f$ 积分: 把区间切成小段 $[x_0, x_1], [x_1, x_2], \ldots, [x_{n-1}, x_n]$,其中 $x_0 = a$,$x_n = b$; 在每一段中任取一点 $\xi_i$; 作出以 $x_i - x_{i-1}$ 为底、$f(\xi_i)$ 为高的矩形面积之和: $$S = \sum_{i=1}^{n} f(\xi_i)\,(x_i - x_{i-1}).$$如果当所有小段都变得非常窄时,这些和趋近同一个数,不论小段和点是怎样选取的,这个数就是积分: $$\int_a^b f(x)\,dx = \lim S.$$要求点的选取无关紧要,这正是定义的核心。在下图中,改变每一段里所取的点和段数: 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。 哪些函数可积 黎曼还给出了一个判别法。在每一段中,函数在一个最小值和一个最大值之间变化,两者之差就是函数在这一段上的振幅。如果各段的振幅乘以宽度之和可以要多小就有多小,函数就是可积的。所有连续函数都能通过这个检验,许多有跳跃的函数也能:只要跳跃不“太多”就行。 狄利克雷函数通不过:在任何一段里,不论多小,都既有有理数又有无理数,振幅始终是 1。和是 1 还是 0,取决于所选的点,不存在唯一的极限。 有无穷多个跳跃的函数 为了展示自己定义的适用范围,黎曼构造了一个可积函数,它在所有形如 $\frac{m}{2n}$($m$ 为奇数)的有理数处都有跳跃,也就是说,跳跃点在实数中稠密。即便如此,和仍然收敛,因为跳跃越来越小。1902 年,亨利·勒贝格提出了一个更一般的定义,它连狄利克雷函数也能积分(积分为 0),并成为现代概率论的基础。但人们首先学的仍然是黎曼积分。

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重排定理

从上学起我们就知道“加法交换律”:加数的顺序不影响和。对有限和来说,这是对的。对无穷和来说,却不然。最清楚的例子就出现在黎曼定义积分的那篇 1854 年的授课资格论文里。 和为 ln 2 的级数 交错调和级数 $$1 - \frac{1}{2} + \frac{1}{3} - \frac{1}{4} + \frac{1}{5} - \cdots$$是收敛的,它的和是 $\ln 2 \approx 0.6931$。但它有一种脆弱之处。如果把正项和负项分开,每一组单独加起来都是无穷大: $$1 + \frac{1}{3} + \frac{1}{5} + \cdots = \infty, \qquad \frac{1}{2} + \frac{1}{4} + \frac{1}{6} + \cdots = \infty.$$这个级数之所以收敛,只是因为正项和负项交替出现、不断相互抵消。像这样收敛、但各项绝对值之和为无穷大的级数,称为条件收敛的级数。 任何数 黎曼认识到,在条件收敛的级数中,可以通过重排各项得到任何和。选一个目标,比如 1.5,按下面的方法做: 加正项 $1 + \frac{1}{3} + \frac{1}{5} + \cdots$,直到超过 1.5; 加负项 $-\frac{1}{2} - \frac{1}{4} - \cdots$,直到低于 1.5; 回到还没用过的正项,如此反复。 由于每一组单独都是无穷大,总有足够的项能再次越过目标。又由于各项越来越小,在目标附近的摆动也越来越小。重排后的级数之和恰好是 1.5。原级数的每一项都恰好出现一次,改变的只是顺序。 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。

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论作为几何基础的假设

几何学的假设在无穷小范围内是否成立的问题,与空间度量关系的内在根据问题是联系在一起的。 — 伯恩哈德·黎曼,《论作为几何基础的假设》(1854) 1854 年 6 月 10 日,黎曼在哥廷根学院做了题为《论作为几何基础的假设》的演讲。听众中有哲学家和历史学家,所以他写得几乎没有公式。这篇讲稿直到他去世后的 1868 年才发表,却改变了几何学。 从内部看几何 出发点是高斯的绝妙定理:生活在曲面内部的人,只靠测量距离、不必从外部观看,就能测出曲面的曲率。一个生活在球面上的二维生物,画三角形、量它们的角,就会发现自己的曲面是弯曲的。 黎曼把这个想法推到了极致。他考虑的不是普通空间中的曲面,而是流形(Mannigfaltigkeiten):任意维数的空间,用坐标 $x_1, x_2, \ldots, x_n$ 描述,不需要嵌入任何更大的空间。决定一个流形几何的,是度量非常接近的两点之间距离的规则。 度量 在普通平面上,相邻两点间的距离 $ds$ 由勾股定理给出:$ds^2 = dx^2 + dy^2$。黎曼提出,一般情况下,无穷小距离由一个更一般的二次式给出: $$ds^2 = \sum_{i,j} g_{ij}(x)\,dx_i\,dx_j,$$其中系数 $g_{ij}$ 可以随点而变。这些系数构成了度量。例如,在半径为 $R$ 的球面上,用纬度 $\varphi$ 和经度 $\lambda$ 表示, $$ds^2 = R^2\,d\varphi^2 + R^2\cos^2\varphi\,d\lambda^2:$$在两极附近,$\cos\varphi$ 很小,一度经度对应的长度也就短了。 黎曼从度量出发,定义了每一点、每一个方向上的曲率。常曲率空间有三种:曲率为零(欧几里得几何)、正曲率(如球面,那里没有平行线)和负曲率(罗巴切夫斯基和鲍耶发现的双曲几何,那里有无穷多条平行线)。 那么真实的空间呢? 演讲最后,黎曼大胆地指出:我们并不能预先知道物理空间的几何是什么。它不能由逻辑决定,只能由经验决定,而且可能取决于作用在物体上的“力”。在极小或极大的尺度上,欧几里得几何可能不再成立。 六十年后,阿尔伯特·爱因斯坦在黎曼几何中找到了他所需要的工具。在 1915 年的广义相对论中,时空是一个带有度量 $g_{\mu\nu}$ 的四维流形,引力不是一种力,而是由物质和能量产生的这个度量的弯曲。 高斯的选择 黎曼为演讲提出了三个题目,原以为高斯会按惯例在两个电学题目中挑一个。高斯偏偏选了第三个几何题目,这是他自己思考了几十年却没有发表的问题。原本指望另一个题目的黎曼,只好用几个星期紧张工作来准备讲稿。据戴德金说,演讲结束后回去的路上,高斯以一种他身上少见的激动谈到了自己所听到的那些思想的深度。 练习:球面上的三角形在地球上,考虑一个顶点在北极、另两个顶点在赤道上经度 0° 和 90° 处的三角形。它的内角和是多少?与面积有什么关系? 在赤道上,经线与赤道成 90° 角。在北极,0° 经线与 90° 经线的夹角是 90°。内角和为 270°,即 $\frac{3\pi}{2}$,而不是 $\pi$。超出的 $\frac{3\pi}{2} - \pi = \frac{\pi}{2}$ 乘以 $R^2$ 就是三角形的面积:$\frac{\pi}{2}R^2$,恰好是球面面积 $4\pi R^2$ 的 $\frac{1}{8}$。在曲率为常数 $\frac{1}{R^2}$ 的曲面上,角盈等于面积除以 $R^2$。

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素数的计数

素数看起来是随机出现的:2、3、5、7、11、13,然后空了一段到 17、19、23,又空一段到 29。但从远处看,它们遵循一个规律。把不超过 $x$ 的素数个数记作 $\pi(x)$。高斯还是少年时,查阅数表就注意到,在 $x$ 附近,素数的密度约为 $\frac{1}{\ln x}$,于是提出了估计 $$\pi(x) \approx \operatorname{li}(x) = \int_0^x \frac{dt}{\ln t},$$即对数积分。当时没有人知道怎样证明这个估计是好的,也没有人能解释其中的偏差。 一篇八页的论文 1859 年 11 月,黎曼当选柏林科学院院士时,提交了他唯一一篇数论论文:《论小于给定数值的素数个数》,只有八页。在这篇论文中,黎曼用 zeta 函数和欧拉乘积写出了素数计数的精确公式。 这个想法最简洁的形式用的是一种稍加修改的计数,黎曼记作 $f(x)$:每个素数计 1,每个素数的平方计 $\frac{1}{2}$,每个立方计 $\frac{1}{3}$,依此类推。黎曼的公式是 $$f(x) = \operatorname{li}(x) - \sum_{\rho}\operatorname{li}(x^{\rho}) - \ln 2 + \int_x^{\infty}\frac{dt}{t(t^2 - 1)\ln t},$$其中求和遍及 zeta 函数的非平凡零点 $\rho$。第一项是高斯的估计,最后两项很小。把光滑曲线 $\operatorname{li}(x)$ 与素数那不规则的阶梯区分开来的,正是对零点的求和。 零点的波 每个零点 $\rho = \frac{1}{2} + i\gamma$(假定黎曼猜想成立)贡献一个大小约为 $\frac{\sqrt{x}}{\ln x}$ 的振荡,以频率 $\gamma$ 起伏。零点就像一件乐器的音符:加进越来越多的零点,光滑曲线就不断弯折,直到一级一级地重现素数的阶梯。所以人们说,zeta 函数的零点蕴藏着“素数的音乐”。 把加权计数还原,黎曼得到了真正计数的一个近似,即函数 $$R(x) = \sum_{n=1}^{\infty}\frac{\mu(n)}{n}\operatorname{li}\!\left(x^{1/n}\right) = \operatorname{li}(x) - \frac{1}{2}\operatorname{li}\!\left(\sqrt{x}\right) - \frac{1}{3}\operatorname{li}\!\left(\sqrt[3]{x}\right) - \cdots,$$其中 $\mu$ 是默比乌斯函数。它比 $\operatorname{li}(x)$ 好得多:

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黎曼猜想

在 1859 年那篇关于素数的论文中间,黎曼几乎是顺带写了一句话。谈到一个与 zeta 函数相关的函数时(它的实根对应于 zeta 函数在临界线上的零点),他说: 所有的根很可能都是实的。当然,人们希望对此有一个严格的证明;不过,在几次匆匆的徒劳尝试之后,我暂时把寻找证明的事放在了一边,因为对于我研究的下一个目标来说,它似乎并不必要。 — 伯恩哈德·黎曼,《论小于给定数值的素数个数》(1859) 用现代语言来说,这句话就是黎曼猜想: zeta 函数的所有非平凡零点的实部都等于 $\frac{1}{2}$。 临界线 zeta 函数的平凡零点在负偶数处。其余的零点都位于 $0 < \sigma < 1$ 的带状区域内,并且由函数方程,它们关于直线 $\sigma = \frac{1}{2}$(即临界线)对称地出现。黎曼猜想说,它们全都恰好落在这条直线上。 在临界线上,$\zeta\left(\frac{1}{2} + it\right)$ 乘上一个模为 1 的因子后,就变成一个实函数 $Z(t)$,它在每个零点处变号。下图画出了 $t = 10$ 到 $t = 60$ 之间的 $Z(t)$: 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。 最初的几个零点位于 $t \approx 14.135$、$21.022$、$25.011$、$30.425$、$32.935$……它们没有简单的规律,但越来越密:高度 $T$ 以下大约有 $\frac{T}{2\pi}\ln\frac{T}{2\pi e}$ 个零点。 黎曼的秘密计算 黎曼没有发表任何零点的计算。因此,几十年里人们以为“很可能”只是一句猜测。1932 年,卡尔·路德维希·西格尔查阅黎曼留在哥廷根的笔记,发现其中有一个计算临界线上 $\zeta$ 值的精巧渐近公式,黎曼曾用它找到了最初的几个零点。这个公式如今称为黎曼–西格尔公式,上面的图用的就是它,它至今仍是现代计算的基础。 已知的结果 1914 年,哈代证明临界线上有无穷多个零点。 1942 年,阿特勒·塞尔伯格证明其中正比例的零点在临界线上;1989 年,布赖恩·康里证明超过 40% 的零点在临界线上。 计算机已经验证了超过十万亿个零点:全都在临界线上。 这些都不是证明。素数理论中涉及的数如此巨大,一个反例可能远在任何计算所及的范围之外。

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黎曼的遗产

黎曼是一个有着辉煌直觉的人。 — 费利克斯·克莱因,《十九世纪数学发展讲义》(1926) 戴德金和韦伯在 1876 年编辑出版的黎曼全集,连同遗著和笔记,只有一卷五百多页。很少有数学家留下的文字如此之少,影响却如此之多。 以他命名的东西 黎曼积分和黎曼和,微积分课程中积分的定义。 黎曼曲面和黎曼球面,后者是加上一个无穷远点、像球一样封闭起来的复平面。 柯西–黎曼方程和黎曼映射定理。 黎曼几何、黎曼流形、度量和黎曼曲率张量,广义相对论的语言。 黎曼–罗赫定理,它计算在一个黎曼曲面上可以定义多少函数,由他的学生古斯塔夫·罗赫在 1865 年完成。 黎曼 zeta 函数和黎曼猜想。 关于条件收敛级数的黎曼重排定理。 一种新风格 比起具体的成果,黎曼更深刻地改变了数学的风格。在他之前,函数首先是一个公式,数学家的工作就是操纵公式。黎曼用概念来思考:一个复变函数由它的性质而不是表达式来定义;一个曲面不必画在任何地方就能定义;一个空间由它的度量规则来定义。从希尔伯特到外尔,20 世纪的数学家都把他看作后来占据主导地位的“概念式”数学的奠基人。 这种风格也有代价:黎曼常常凭直觉陈述结果,而没有完整的证明。魏尔斯特拉斯对狄利克雷原理的批评显示了其中的风险,好几代数学家致力于为黎曼的论断建立严格的基础。这些论断几乎全都是对的。 1863 年的伯恩哈德·黎曼,三年后他去世了。作者不详 · Wikimedia Commons · 公有领域 在物理学中 黎曼几何作为纯数学存在了半个多世纪,直到 1912 年至 1915 年间,爱因斯坦在数学家朋友马塞尔·格罗斯曼的帮助下,认识到它正是广义相对论所需的工具。今天,同样的语言描述着黑洞、引力波和宇宙膨胀。zeta 函数则出现在统计物理、量子场论和一些奇妙的巧合中:zeta 函数零点之间的间距,与重原子核能级的统计规律相同,这是休·蒙哥马利和弗里曼·戴森在 1972 年发现的。 地方 月球上有一座黎曼环形山,还有一颗小行星 4167 Riemann。在他的故乡布雷塞伦茨,一块嵌着铭牌的石头纪念着这位数学家;在哥廷根,一块牌子标出了他住过的一座房子。 练习:黎曼球面黎曼球面通过从北极出发的投影,把复平面与一个球面对应起来。$|z|$ 非常大的点 $z$ 会到哪里去? 球极投影用经过北极的直线,把球面上除北极以外的每一点与平面上的一点联系起来。离原点很远的平面上的点,对应于球面上非常接近北极的点。北极本身则对应唯一的“无穷远点” $\infty$。这样,像 $\frac{1}{z}$ 这样的函数就在整个球面上有了定义:$\frac{1}{0} = \infty$,$\frac{1}{\infty} = 0$。 练习:丰硕的一生黎曼在 1851 年发表了第一部重要著作,即博士论文,1866 年去世。如果全集约有 550 页,他在职业生涯中平均每年写多少页? 从 1851 年到 1866 年是 15 年。$\frac{550}{15} \approx 37$ 页每年,每周不到一页。很少有例子能如此清楚地说明:在数学中,重要的是思想的深度,而不是篇幅。