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高斯 Gauss

高斯，德国人，大数学家、天文学家、物理学家、大地测量学家

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## 一些经历

1.高斯在 9 岁上小学的时候，有一天老师故意布置了一道为难学生的数学题

$$
1+2+3+\cdots+100=?
$$

没想到高斯一下子就给出了正确答案，是 5050 . 而且还解释了解答方法，那就是首尾相加，而现在 等差数列 的求和公式

$$
a_1+a_2+\cdots+a_n=\frac{n\left(a_1+a_n\right)}{2} .
$$

就是用高斯的这种方法推导出来的.

2. 高斯在 11 岁时独立推导出了 牛顿 的 二项式定理

$$
(a+b)^n=\sum_{k=0}^n C_n^k a^{n-k} b^k .
$$

3. 1792 年，这一年高斯 15 岁. 有一天高斯偶然得到一本书，书上有一个对数表，还有一个素数表. 由于闲来无事，高斯花了将近一刻钟的时间计算了其中 1000 个，他惊讶地发现素数的分布密度接近于对数的倒数，这一发现就是就是著名的 素数定理:

$$
\lim _{x \rightarrow \infty} \frac{\pi(x)}{\operatorname{Li(x)}}=1, \quad \operatorname{Li}(x)=\int_2^x \frac{d t}{\log t} .
$$

4. 高斯 19 岁，这一年是高斯的高光时刻! 3 月 30 日: 高斯证明了正十七边形可以尺规作图.
   证明正十七边形可以尺规作图的关键是证明 $\cos \frac{2 \pi}{17}$ 可以用根式表达出来，高斯经过一顿巧算得到

$$
\begin{aligned}
\cos \frac{2 \pi}{17}= & -\frac{1}{16}+\frac{1}{16} \sqrt{17}+\frac{1}{16} \sqrt{34-2 \sqrt{17}} \\
& +\frac{1}{8} \sqrt{17+3 \sqrt{17}-\sqrt{34-2 \sqrt{17}}-2 \sqrt{34+2 \sqrt{17}}} .
\end{aligned}
$$

![图片](/uploads/2023-10/2658cc.jpg)

正十七边形的尺规作图问题是一个千古难题，对于这一问题的解决高斯颇为得意，据说高斯因此决定在数学和文学之间选择将数学作为自己的终身事业，而把文学当做兴趣爱好，他还嘱咐后人将正十七边形刻在自己的墓碑上.
单单证明正十七边形可以尺规作图还不过瘾，高斯干脆一口气把正多边形的尺规作图问题一锅端了，即得到下述结论：
高斯定理  : 正 $n$ 形边可以尺规作图当且仅当 $ n=2^k F_{m_1} F_{m_2} \cdots F_{m_l}$ ，其中 $k, l \geq 0$ ，而 $F_{m_1}, F_{m_2}, \cdots, F_{m_l}$ 为两两不同的 费马素数.

4 月 8 日: 高斯证明了自己奉之为瑰宝的二次互反律 ${ }^{\mathrm{a}}$ :

$$
\left(\frac{p}{q}\right) \cdot\left(\frac{q}{p}\right)=(-1)^{\frac{p-1}{2} \cdot \frac{q-1}{2}} .
$$

高斯对二次互反律钟爱有加，前后一共给出过 6 种不同的证法，每一种证法都包含了重要的数学思 想. 后来他又发现了 四次互反律:

$$
\chi_\pi(\lambda)=\chi_\lambda(\pi) \cdot(-1)^{\frac{N(\pi)-1}{4} \cdot \frac{N(\lambda)-1}{4}} .
$$

从二次互反律开始，然后发展到三次互反律 和四次互反律，后面继续推广到 艾森斯坦互反律，最 后拓广到称之为 类域论 理论高峰的 阿廷互反律. 由此可知二次互反律的重要性，高斯对之爱不释 手也就不难理解了.

7月 10 日: 高斯证明了下述结论:
高斯定理: 每一个正整数都可以表示为不超过 3 个三角数Q 之和.
比如我们观察前面几个正整数:

$$
\begin{aligned}
& 1=1,2=1+1,3=3=1+1+1, \\
& 4=1+3,5=1+1+3,6=6=3+3, \\
& 7=1+3+3,8=1+1+6,9=3+6, \\
& 10=10=1+3+6,11=1+10, \cdots
\end{aligned}
$$

高斯的这一重要结论和下面这些著名的定理紧密相关:
拉格朗日四平方和定理 ${ }^{\mathrm{a}}$ : 每一个正整数都可以表示为不超过 4 个平方数之和.
费马定理: 当 $n \geq 3$ 时，每一个正整数都可以表示为不超过 $n$ 个 $n$ 角数之和.

10月 1 日: 高斯得到了关于有限域系数的方程的解的个数的结果，即下述问题:
考虑有限域 $F_p$ 上的方程 $x^3+y^3=1$ ，此方程只有有限个解，我们将其解的个数记为 $N\left(x^3+y^3=1\right)$. 那 $N\left(x^3+y^3=1\right)$ 的值是多少呢? 高斯给出了下述答案:
高斯定理：设 $p$ 为素数，则
(1). 当 $p \equiv 1(\bmod 3)$ 时，

$$
N\left(x^3+y^3=1\right)=p-2+A .
$$

其中，整数 $A$ 满足 $A \equiv 1(\bmod 3)$ ，且 $4 p=A^2+27 B^2$.
(2). 当 $p \equiv 2(\bmod 3)$ 时，

$$
N\left(x^3+y^3=1\right)=p .
$$

如当 $p=61$ 时，显然有 $4 \cdot 61=1^2+27 \cdot 3^2$ ，从而

$$
N\left(x^3+y^3=1\right)=61-2+1=60 .
$$

而当 $p=67$ 时，显然有 $4 \cdot 61=(-5)^2+27 \cdot 3^2$ ，从而

$$
N\left(x^3+y^3=1\right)=67-2-5=60 .
$$

高斯的上述结果对后世影响极大，数学家 韦依 据此提出了对于 20 世纪的代数几何 造成重大影响 的韦依猜想.

7. 1799 年，高斯 22 岁，他在这一年完成了博士论文，在其博士论文里高斯第一个给出了下述重 要定理的证明:
   代数学基本定理: 复系数多项式方程 $\mathrm{Q}$

$$
a_0 x^n+a_1 x^{n-1}+\cdots+a_{n-1} x+a_n=0
$$

必有根. 其中 $n \geq 1 ， a_0 \neq 0$.
在高斯的博士论文中，他并未具体构造出多项式方程的解，而是一种纯粹的存在性证明. 高斯前后一 共给出过代数学基本定理的四个证明，其中最后一个是在 1849 年给出的，是为了庆祝他获得博士 学位 50 周年，此时高斯已 72 岁高龄.

8. 1801 年，高斯 24 岁，在这一年高斯的数论专著《算术研究》问世，这是一部划时代的著作. 在书中高斯对前人在数论中的一些杰出而又零散的成果予以系统地整理并加以推广，还给出了标准 化的记号，把研究的问题和解决这些问题的方法进行了分类，还引进了新的方法，这部著作奠定了 近代数论的基础. 现如今的印度数学家 Bhargava 就是研究了高斯的《算术研究》后获得启发做出 了一些开创性的工作，从而获得了 2014 年的菲尔兹奖a，由此可见高斯的这部著作的深刻性和重 要性.
9. 1807 年，高斯 30 岁，在这一年高斯被任命为 哥廷根大学 的天文学教授和天文台台长. 1809 年，高斯的天文学专著《天体运动理论》出版，书中包含了高斯发明的 最小二乘法，高斯在 1801 年用这一方法计算出了小行星 谷神星 的运动轨道. 高斯在小行星 智神星 的轨道计算方面也获得了类似的成功，此后小行星和行星被接二连三地发现，这时的高斯声名远播，荣誉滚滚而来. 高斯在《天体运动理论》中叙述的方法今天仍在使用.

10.1812 年，高斯 35 岁，这一年他研究了超几何函数 ${ }^Q$ ，并且把研究成果写成了专题论文，呈献 给皇家科学院. 所谓的超几何函数是下述无穷级数 $\mathrm{Q}$ :

$$
\begin{aligned}
F(\alpha, \beta ; \gamma ; z)= & 1+\frac{\alpha \beta}{\gamma \cdot 1} z+\frac{\alpha(\alpha+1) \beta(\beta+1)}{\gamma(\gamma+1) \cdot 1 \cdot 2} z^2 \\
& +\frac{\alpha(\alpha+1)(\alpha+2) \beta(\beta+1)(\beta+2)}{\gamma(\gamma+1)(\gamma+2) \cdot 1 \cdot 2 \cdot 3} z^3+\cdots
\end{aligned}
$$

超几何函数是下述 超几何方程 的解.

$$
z(1-z) \frac{d^2 u}{d u^2}+[\gamma-(\alpha+\beta+1) z] \frac{d u}{d u}-\alpha \beta u=0
$$

超几何函数是很广的一类函数，很多我们常见的函数都可以由其表示出来:

$$
\begin{aligned}
& (1+z)^n=F(-n, \beta ; \beta ;-z) . \\
& \frac{1}{1-z}=F\left(\frac{1}{2}, 1 ; 2 ; 4 z(1-z)\right) . \\
& \log (1+z)=z F(1,1 ; 2 ;-z) . \\
& \log \frac{1+z}{1-z}=2 z F\left(\frac{1}{2}, 1 ; \frac{3}{2} ; z^2\right) . \\
& \arcsin z=z F\left(\frac{1}{2}, \frac{1}{2} ; \frac{3}{2} ; z^2\right) . \\
& \arctan z=z F\left(\frac{1}{2}, 1 ; \frac{3}{2} ;-z^2\right) . \\
& \cos (n \arcsin z)=F\left(\frac{n}{2},-\frac{n}{2} ; \frac{1}{2} ; z^2\right) . \\
& e^z=\lim _{n \rightarrow \infty} F\left(1, n ; 1 ; \frac{z}{n}\right) .
\end{aligned}
$$

现在，超几何函数已经被推广到了所谓的广义超几何函数:

$$
{ }_p F_q\left(\alpha_1, \alpha_2, \cdots \alpha_p ; \beta_1, \beta_2, \cdots, \beta_n ; z\right)=\sum_{k=0}^{\infty} \frac{\left(\alpha_1\right)_k\left(\alpha_2\right)_k \cdots\left(\alpha_p\right)_k}{\left(\beta_1\right)_k\left(\beta_2\right)_k \cdots\left(\beta_p\right)_k} \cdot \frac{z^k}{k !} .
$$

此时超几何函数可以表达为

$$
F(\alpha, \beta ; \gamma ; z)={ }_2 F_1(\alpha, \beta ; \gamma ; z)
$$

11.1827 年，高斯 50 岁，这一年他发表了论文《关于一般曲面的研究》，这篇论文对微分几何做 出了划时代的贡献，我们现在大学学的古典微分几何课程里面的理论框架就是由高斯的这篇论文建 立的. 空间中的曲面有 第一基本形式 ${ }^{\mathrm{a}}$ 和 第二基本形式 ${ }^{\mathrm{Q}}$ ，即

$$
\begin{gathered}
I=E(d u)^2+2 F d u d v+G(d v)^2, \\
I I=L(d u)^2+2 M d u d v+N(d v)^2,
\end{gathered}
$$

它们分别描述了曲面的度量和其在空间中的形状. 曲面上每一点有所谓的主曲率 $\kappa_1$ 和 $\kappa_2$ ，我们称 $K=\kappa_1 \kappa_2$ 为 高斯曲率，其表达式为

$$
K=\kappa_1 \kappa_2=\frac{L N-M^2}{E G-F^2} .
$$

从表达式上看好像高斯曲率与第一基本形式和第二基本形式都有关系，但高斯通过计算发现第一基 本形式和第二基本形式其实是有关系的，以致高斯曲率最终可以表达成下面这个样子

$$
K=\frac{1}{\left(E G-F^2\right)^2}\left(\begin{array}{ccc}
-\frac{G_{u u}}{2}+F_{u v}-\frac{E_{v v}}{2} & \frac{E_u}{2} & F_u-\frac{E_v}{2} \\
F_v-\frac{G_u}{2} & E & F \\
\frac{G_v}{2} & F & G
\end{array}|-| \begin{array}{ccc}
0 & \frac{E_v}{2} & \frac{G_u}{2} \\
\frac{E_v}{2} & E & F \\
\frac{G_u}{2} & F & G
\end{array} \mid\right) .
$$

也就是说高斯曲率其实只和第一基本形式有关，这一重要结论就是所谓的 高斯绝妙定理. 高斯绝妙定理是微分几何发展过程中的里程碑，高斯的这一发现开创了微分几何的一个新纪元. 正是因为高斯的这一发现，使得我们能够研究一张抽象曲的仅具有第一基本形式的曲面，专门研究曲面上由它的第一基本形式所决定的几何学称为 内蕴几何. 后来，黎曼 继承并发扬了高斯的这一思想，提出了高维的内蕴微分几何学的概念，即大名鼎鼎的 黎曼几何.

在微分几何方面，高斯还留下了著名的 Gauss-Bonnet 公式:

$$
\oint_C \kappa_g d s+\iint_D K d \sigma=2 \pi-\sum_{i=1}^n \alpha_i .
$$

特别地，当 $\kappa_g=0$ 时，也就是 $C$ 为测地线Q时，Gauss-Bonnet 公式变成

$$
\sum_{i=1}^n \alpha_i=2 \pi-\iint_D K d \sigma
$$

若记 $\beta_i$ 为测地三角形 $C$ 的内角，即 $\beta_i=\pi-\alpha_i$ ，则上式等价于

$$
\beta_1+\beta_2+\beta_3=\pi+\iint_D K d \sigma
$$

由此可见，测地三角形的内角和一般不再等于 $\pi$ ，它与 $\pi$ 之差恰好为曲面的高斯曲率 $K$ 在测地三 角形所围成的区域上的积分，因此欧式平面几何学与一般的曲面上的几何学的本质差别就在于空间 本身的弯曲性质不同，这是 欧式几何 ${ }^{\mathrm{Q}}$ 与非欧几何 的根本区别.

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由 Gauss-Bonnet 公式还可以推出重要的 Gauss-Bonnet 定理:

$$
\iint_D K d \sigma=2 \pi \chi(S) .
$$

这是一个十分重要且漂亮的定理，它把微分几何的不变量 (高斯曲率 $K$ ) 与拓扑学的不变量 (欧 拉示性数 $\chi(S))$ 联系了起来，它在高维情形的推广就是著名的 Gauss-Bonnet-Chern 定理.

$$
\int_{\mathcal{M}} K d A=2 \pi \chi(\mathcal{M})
$$

12.1833 年，高斯 56 岁，这一年他从他的天文台拉了一条长八干尺的电线，跨过许多人家的屋 顶，一直到 韦伯 的实验室，以 伏特电池为电源，构造出了世界上 第一台电报机.
13. 高斯猜想
设 $d \in \mathbb{Z}$ 无平方因子，则域 $\mathbb{Q}(\sqrt{d})$ 为 二次数域，当 $d>0$ 时称 $\mathbb{Q}(\sqrt{d})$ 为 实二次数域，当 $d<0$ 时称 $\mathbb{Q}(\sqrt{d})$ 为 虚二次数域.
高斯经过计算发现，当

$$
d=-1,-2,-3,-7,-11,-19,-43,-67,-163
$$

时， $\mathbb{Q}(\sqrt{d})$ 的 类数 为 1 ，但对于是否还有其他类数为 1 的虚二次数域一直无法做出回答. 这个问 题直到 1966 年才由数学家 Baker 和 Stark 解决，那就是类数为 1 的虚二次数域只有高斯给出的 那 9 个，Baker 和 Stark 由于此项工作而获得了菲尔兹奖.
对于虚二次数域 $Q$ 高斯进一步猜测: 具有任意给定类数 $h$ 的虚二次数域的个数 $G(h)$ 是有限的. 1971 年，Baker 和 Stark 证明了 $G(2)=18$. 到 1983 年，Goldfeld，Gross 和 Zagier 最终 证实了高斯的猜测.
对于实二次数域Q，高斯还有一个猜测:

14. 正态分布
    高斯在研究测量误差时得到了所谓的 正态分布 $X \sim N\left(\mu, \sigma^2\right)$ ，这是概率论与数论统计学中最重 要的分布. 因此现在我们也把正态分布的密度函数 $\mathrm{Q}$

$$
f(x)=\frac{1}{\sqrt{2 \pi} \sigma} e^{-\frac{(x-\mu)^2}{2 \sigma^2}}
$$

称为 高斯函数  . 现今德国 20 马克 的硬币上就印有正态分布的密度函数的图像，以向世人传达高斯 在这方面的杰出贡献.

15. 双纽线周率
    高斯考虑了跟 $\pi$ 类似的常数 $\varpi$ ! 我们都知道圆周率 $\pi$ 是圆的周长与直径的比，其实数学中还有下 面这种曲线:

$$
\left(x^2+y^2\right)^2=a^2\left(x^2-y^2\right)(a>0) .
$$

这种曲线称为半径为 $a$ 的 Bernoulli 双纽线，简称为 双纽线.
![图片](/uploads/2023-10/image_2023100296acf80.png)

高斯考虑了 双纽线 的周长与直径的比. 不难知道 双纽线 在极坐标下的方程为 $r^2=a^2 \cos 2 \theta$ ， 现以极径 $r$ 为参数，可得 双纽线 的周长为

$$
\begin{aligned}
L & =4 \int_0^a \sqrt{1+r^2\left(\frac{d \theta}{d r}\right)^2} d r=4 \int_0^a \frac{a^2}{\sqrt{a^4-r^4}} d r \\
& =4 a \int_0^1 \frac{1}{\sqrt{1-x^4}} d x=a \int_0^1 u^{-\frac{3}{4}}(1-u)^{-\frac{1}{2}} d u \\
& =a \cdot B\left(\frac{1}{4}, \frac{1}{2}\right)=a \cdot \frac{\Gamma\left(\frac{1}{4}\right) \Gamma\left(\frac{1}{2}\right)}{\Gamma\left(\frac{3}{4}\right)}=a \cdot \frac{\Gamma\left(\frac{1}{4}\right)^2 \Gamma\left(\frac{1}{2}\right)}{\Gamma\left(\frac{1}{4}\right) \Gamma\left(\frac{3}{4}\right)} \\
& =a \cdot \sqrt{\pi} \cdot \Gamma\left(\frac{1}{4}\right)^2 \cdot \frac{\sin \frac{\pi}{4}}{\pi}=\frac{a}{\sqrt{2 \pi}} \cdot \Gamma\left(\frac{1}{4}\right)^2 .
\end{aligned}
$$

从而 双纽线 的周长与直径的比为

$$
\frac{L}{2 a}=\frac{1}{2 \sqrt{2 \pi}} \cdot \Gamma\left(\frac{1}{4}\right)^2
$$

由此可知 双纽线 的周长与直径的比为一个常数，现在我们称这个常数为 双纽线周率，记为 $\varpi$. 由 上面的推导可知

$$
\varpi=\frac{1}{2 \sqrt{2 \pi}} \cdot \Gamma\left(\frac{1}{4}\right)^2 \approx 2.6220575542921198 \cdots
$$

由定义可知 $\pi$ 和 $\varpi$ 长的像两兄弟，不仅如此，它们还有类似的积分表达式

$$
\pi=2 \int_0^1 \frac{1}{\sqrt{1-x^2}} d x, \varpi=2 \int_0^1 \frac{1}{\sqrt{1-x^4}} d x .
$$

更有意思的是 $\varpi$ 还与下面这些级数有关系.

$$
\begin{aligned}
& \sum_{n=1}^{\infty} \frac{n^3}{e^{2 \pi n}-1}=\frac{1}{80}\left(\frac{\varpi}{\pi}\right)^4-\frac{1}{240}, \\
& \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n\left(e^{2 \pi n}-1\right)}=-\frac{\pi}{12}-\frac{1}{2} \log \left(\frac{\varpi}{\sqrt{2} \pi}\right), \\
& \prod_{n=1}^{\infty}\left(1-e^{-2 \pi n}\right)^{24}=e^{2 \pi}\left(\frac{\varpi}{\sqrt{2} \pi}\right)^{12} .
\end{aligned}
$$

16. 高斯引理
    高斯引理 (代数)：本原多项式 $\mathrm{Q}$ 的乘积仍为本原多项式.
    高斯引理 (数论) : $\left(\frac{a}{p}\right)=(-1)^\mu$.
    高斯引理 (几何) : 从点 $p$ 出发的测地线与以点 $p$ 为中心的测地圆是彼此正交的.
    
    17. 高斯公式

$$
\int_{\partial D} P d y d z+Q d z d x+R d x d y=\int_D\left(\frac{\partial P}{\partial x}+\frac{\partial Q}{\partial y}+\frac{\partial R}{\partial z}\right) d x d y d z
$$

现在高斯公式和 格林公式 $Q$ 一起被推广成了现在数学中最漂亮的公式之一一一斯托克斯公式 $\mathrm{a}$ :

$$
\int_D d \omega=\int_{\partial D} i^* \omega
$$

18. 高斯的其他贡献
    高斯的研究成果绝不仅仅限于上述列出的. 事实上，高斯还在 复变函数、椭圆函数Q、非欧几何、费 马大定理、原根、二次型 和 快速傅立叶变换 等方面做出了重要贡献.
19. 高斯的高徒

高斯不仅自己是神一样的人物，教出来的学生也一个个都是神一样的人物. 徒弟包括了 黎曼、艾森斯坦、戴德金等

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