书城教材教辅必懂的数学知识
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第14章 双目失明者创造的“欧拉时代”

1707年4月15日,瑞士巴塞尔城附近的里恩村,有一位叫保尔·欧拉的牧师家里诞生了一个男孩,这就是后世称其为“百科全书式的数学家”欧拉。

小欧拉自幼聪颖,7岁那年,父亲把他送到巴塞尔神学校去学习神学。起初,他对上帝创世深信不疑。一次,他问老师:“天上有多少颗星?”老师答不出来,只是说:“天上的星星都是上帝亲手嵌上去的。”于是,小欧拉问:“既然上帝亲手制作了星星,为什么记不住它们的数目呢?”他对上帝的信仰开始动摇,也不专心听课了。不久,学校开除了他。

父亲保尔通数学,见儿子不愿学神学,就开始向他传授数学知识。小欧拉如鱼得水,立刻入了迷。

1719年,欧拉12岁。父亲为了考一考儿子的能力,正赶上家里要修羊圈。于是,他给出了一个固定长度,让欧拉围成一个面积最大的方形羊圈。欧拉想来想去,把它围成了一个正方形。于是,小欧拉“巧围羊圈”的故事不胫而走,被巴塞尔大学的著名数学教授伯努利约翰知道了。这位教授竟亲自出城,找到欧拉的父亲,说要保举小欧拉去大学学数学。老欧拉却说:“教授,我希望他将来是一位神学家,而不是数学家。”约翰说:“可你知道吗,这孩子是个数学天才。如果你固执己见,会葬送这孩子的前程。”

在约翰教授的劝说下,老欧拉终于点头了,13岁的小欧拉被巴塞尔大学破格收录了。欧拉不负老师厚望,入学后勤奋好学,广闻博览,又善于独立思考,不久就可以与那些年龄大的同学比肩。他的老师约翰则根据他的特点因材施教,循循善诱,每周六的下午都挤出时间为他个别辅导,使他的学业突飞猛进。17岁时,欧拉便成为巴塞尔大学第一位最年轻的硕士。1726年,欧拉发表了讨论船桅最佳位置选择的论文,荣获巴黎科学院的奖金。

1727年,欧拉由丹尼尔推荐,受俄罗斯女王叶卡特琳娜的聘请,来到彼得堡科学院任院长,做丹尼尔的助手。1733年,丹尼尔回国,欧拉接替丹尼尔的工作,成为数学教授及彼得堡科学院的学部领导人。由于当时俄国统治集团长期陷入权力之争,无心科学事业,科学院的生存岌岌可危。1733年至1741年,欧拉的工作条件相当艰苦。他的许多不朽著作,都是在“膝上坐着孩子,肩上趴着猫”的情况下写出来的。欧拉还担负着许多社会责任,如承担菲诺运河的改造方案,宫廷排水设施的设计审定,为俄国学校编写教材,帮助政府绘制地图,制定度量衡标准,为气象部门提供天文数据,协助建筑单位进行设计结构的力学分析……由于他长期疲劳工作,又长期观测太阳,使他的视力迅速衰退。1735年,年仅28岁的欧拉右眼失明了。就在这时,有关“七桥问题”传入彼得堡科学院,欧拉出于对数学的热爱,又潜心研究起“七桥问题”。

“七桥问题”是古希腊人留下的一道难题。18世纪初,波罗的海沿岸的古城哥尼斯堡(今加里宁格勒),普雷格尔河横贯市区。这条河在市区内分成两个支流,把奈发夫岛截成两段并把两岛环抱起来,形成了一个美妙的“8”字。有好事者根据古人的“七桥问题”,就在这里建起了七座桥,把两个小岛和两岸连接起来。

于是,这个问题直观地摆在游人面前:一个人怎样才能一次走过七座桥,而且每座桥只经过一次,最后又回到出发点。

从此,无论是稚气未退的少年还是白发苍苍的老者,都想试一试自己的智力。他们在这七座桥上穿来走去,但都没有一个人能成功过。因此,这七座桥便很快地名扬欧洲,又引来一批批游客。但是,又有多少年过去了,还是没人成功。

这时,29岁的独眼青年欧拉也来到了哥尼斯堡,他在桥上走了几次之后,想道:“千百万人的无数次失败,是不是说明这样的走法根本就不存在呢?”

猜想是需要证明的。于是,欧拉埋头对这个猜想进行证明。他先用“穷举法”,即把所有可能的走法列成表格,逐一检查哪种走法能行得通。结果他发现这是一件相当繁琐的事情,要列出7×6×5×4×3×2=5040条路线来!这太困难。另外,他又想到,如果存在更多的桥,或一个城市有更多的街道,那可如何列呀?

于是,他换了一种思维方式,想到了莱布尼茨的“位置几何学”。经过细心推想,他把两个小岛和两岸陆地看成A、B、C、D四个点,而把7座桥看成是7条线,就画成了一幅图:

由于此图有点像蝉,所以后人称之为“欧拉金蝉”。通过这个图形,欧拉严谨地证明:不可能不重复地一次走遍这7座桥。

很明显,“七桥问题”是一个几何图形问题。但是,在此之前的传统几何学却把它排除在外,因为人们所熟知的几何理论,都是与“量”(长短、大小等)有关,而这个问题居然与“量”无关。“七桥问题”提出了一个新的几何学的分支——“拓扑学”。欧拉一举证明了“七桥问题”一时引起人们的敬慕和惊叹,求教的人络绎不绝。后人称他为“拓扑学的鼻祖”。接着,欧拉又继续研究,他的几何学超出了欧几里得的范围,从而奠定了“网络论”几何学科的基石。

1741年,欧拉不能忍受俄国统治者的昏庸腐败,离开了生活14年的彼得堡,踏上了普鲁士国土。1759年,他成为柏林科学院的领导人,为普鲁士王国解决了大量的社会实际问题。如社会保险、运河水力、造币规划等。他成功地将数学应用到各种实际的科学和技术领域。

1762年,俄国的叶卡特琳娜二世继位。在这位有为的女王敦请下,欧拉重返彼得堡,继续他的研究和工作。1766年,欧拉的左眼又失明了,使他完全成了一个盲人。但他仍以顽强的毅力,采用口述,由别人记录的方法,坚持他的研究。

1777年,更大的不幸降临,欧拉的家里不慎失火,他的著述几乎全都变为灰烬。这对于70岁高龄的欧拉来说,是一个致命的打击。然而,欧拉却以惊人的毅力,重新开始他的著述。他的头脑里如一卷百科全书,他不停地口述,助手为其记录,居然把他葬身火海的著作全都重新写了出来,而且还进行了一次订正!

1783年9月18日,欧拉走过了76年的历程与世长辞。他死后,数学家们把他的著作编成全集出版,竟达72卷之多。

在欧拉的著作中,“无限小分析”方法是从欧拉开始的;变分学基础是欧拉方程;拓扑学中有欧拉数;刚体力学有欧拉角;复变函数中有欧拉函数;数论中有欧拉定理……后人称欧拉为“数学分析的化身”。在世界数学发展史上,人们把18世纪称为“欧拉时代”。