纪念数学王子高斯诞辰242周年


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约翰·卡尔·弗里德里希·高斯(德语:Johann Karl Friedrich Gau?,1777年4月30日-1855年2月23日),德国数学家、物理学家、天文学家、大地测量学家,生于布伦瑞克,卒于哥廷根 。高斯被认为是历史上最重要的数学家之一,并有“数学王子”的美誉 。

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上图为[遇见]为纪念高斯设计出来文化T恤图案
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高斯生平高斯是一对普通夫妇的儿子 。他的母亲是一个贫穷石匠的女儿,虽然十分聪明,但却没有接受过教育,近似于文盲 。在她成为高斯父亲的第二个妻子之前,她从事女佣工作 。他的父亲曾做过工头、商人的助手和一个小保险公司的评估师 。高斯三岁时便能够纠正他父亲的借债帐目,这件事情已经成为一个轶事流传至今 。他曾说,他能够在脑袋中进行复杂的计算 。
据说高斯在9岁时,就发明了一个快速计算等差数列求和的小技巧,在很短的时间内计算完成了他的小学老师在黑板上给出的问题:计算从1到100这100个自然数之和 。他所使用的方法是:将第1个数字与最后1个数字相加、第2个数字与倒数第2个数字相加……以此类推,可以得到50对101,于是101×50=5050便是答案 。
小时候高斯家里很穷,且他父亲不认为学问有什么用,但高斯依旧喜欢看书,话说在小时候,冬天吃完饭后他父亲就会要他上床睡觉,以节省燃油,但当他上床睡觉时,他会将芜菁的内部挖空,里面塞入棉布卷,当成灯来使用,以继续读书 。
当高斯12岁时,已经开始怀疑几何原本中的基础证明 。当他16岁时,预测在欧氏几何之外必然会产生一门完全不同的几何学,即非欧几里德几何学 。他导出了二项式定理的一般形式,将其成功的运用在无穷级数,并发展了数学分析的理论 。

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在高斯的出生地布伦瑞克的雕像(图自维基)
高斯的老师布吕特内尔与他的助手马丁·巴尔特斯很早就认识到了高斯在数学上的天赋,同时卡尔·威廉·斐迪南·冯·布伦瑞克也对这个天才儿童留下了深刻印象 。于是他们从高斯14岁起便资助其学习与生活 。这也使高斯能够在公元1792年进入Carolinum学院(今天布伦瑞克工业大学的前身)学习,并在那里开始对高等数学作研究:独立发现二项式定理的一般形式、数论上的“二次互反律”、素数定理、及算术-几何平均数 。1795年,高斯转入哥廷根大学学习 。1796年,19岁的高斯完成《正十七边形尺规作图之理论与方法》,成为第一位只用尺规作图成功画出正17边形的人 。
1807年高斯成为哥廷根大学的教授和当地天文台的台长 。
尽管高斯作为一个数学家而闻名于世,但这并不意味着他热爱教书 。尽管如此,他越来越多的学生成为有影响的数学家,如后来闻名于世的戴德金和黎曼 。
1855年2月23日凌晨一时许,77岁的高斯因心脏病发作,在哥廷根天文台的躺椅上去世 。
重大贡献18岁的高斯发现了最小二乘法,并猜测了质数定理 。通过对足够多的测量数据的处理后,可以得到一个新的、概率性质的测量结果 。在这些基础之上,高斯随后专注于曲面与曲线的计算,并成功得到高斯钟形曲线(正态分布曲线) 。其函数被命名为标准正态分布(或高斯分布),并在概率计算中大量使用 。

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4种参数不同下的正态分布
在高斯19岁时,仅用尺规便构造出了17边形 。并为流传了2000年的欧氏几何提供了自古希腊时代以来的第一次重要补充 。

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正17边形构造法
高斯总结了复数的应用,并且严格证明了每一个n阶的代数方程必有n个实数或者复数解 。1801年[10],在他的第一本著名的著作《算术研究》中,作出了二次互反律的证明,成为数论继续发展的重要基础 。在这部著作的第一章,导出了全等三角形定理的概念 。
高斯在最小二乘法基础上创立的测量平差理论的帮助下,测算天体的运行轨迹 。他用这种方法,测算出了小行星谷神星的运行轨迹 。
谷神星于1801年被意大利天文学家皮亚齐发现,但因病他耽误了观测,从而失去了这颗小行星的轨迹 。皮亚齐以希腊神话中的“丰收女神”对它命名,称为谷神星,并将自己以前观测的数据发表出来,希望全球的天文学家一起寻找 。高斯通过以前3次的观测数据,计算出了谷神星的运行轨迹 。奥地利天文学家海因里希·欧伯斯根据高斯计算出的轨道成功地发现了谷神星 。高斯将这种方法发表在其著作《天体运动论》中 。