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拉马努金:是怎样的天才拉动了一个国家的数学水平?

赛先生  · 公众号  · 科学  · 2024-11-06 18:57

主要观点总结

本文介绍了印度数学家拉马努金的生平及其在数学领域的贡献。他的一生虽然短暂,却留下了3900个公式或猜想,对印度乃至世界的数学水平产生了巨大影响。文章详细描述了拉马努金的一生,包括他的成长经历、数学成就以及对其产生的影响。

关键观点总结

关键观点1: 拉马努金的一生虽然短暂,但留下了3900个公式或猜想,对印度数学产生了巨大影响。

拉马努金是印度最著名的天才数学家之一,他的一生虽然只有32年,但却在数学领域留下了许多重要的公式和猜想。他的成就不仅在当时得到了认可,而且对今天的数学研究仍然具有重要意义。

关键观点2: 拉马努金的数学天赋在印度被宗教和文化挑战所掩盖,但他的成就逐渐得到了科学界的认可和欣赏。

尽管在印度,宗教和文化等因素曾经掩盖了拉马努金的数学天赋,但他的成就逐渐被科学界所认可。他的公式和猜想被其他人证明并得到了广泛的应用,他对分析、数论、无限级数和连分数等领域的贡献为印度的数学发展奠定了基础。

关键观点3: 拉马努金的经历激励了一代又一代的印度数学家,对印度数学界的发展产生了深远的影响。

拉马努金的故事激励了来自发展中国家的年轻数学家,他的成就消除了他们对宗教、文化和种族的恐惧。如今,在印度,每年都有许多年轻的数学家受到拉马努金的启发而投身数学研究,为印度的数学界发展做出了重要贡献。


正文

印度数学家拉马努金(1887-1920)

导读:

拉马努金的一生虽然只有短暂的32年,却留下了3900个公式或猜想。可以说,他以一人之力拉动了整个印度的数学水平。

 科学方程式 | 来源
1914年春天,三一学院的紫藤花初绽,一位26岁的印度青年受邀来到英国剑桥。他什么头衔都没有,甚至没有大学学位。
一部分人认为他是骗子,靠着一堆没有证明的公式迷惑众人。一部分人却说他是印度千年一遇的数学天才。
两年之后,他获得了剑桥大学研究文学学士学位(博士学位的前身)。又过了两年,1918年10月,他当选为剑桥大学三一学院院士,成为历史上第一位获此殊荣的印度人。
颇具传奇的经历,在欧洲大陆也很难复制。
历史记住了他的名字:拉马努金(Srinivasa Ramanujan),印度最著名的天才数学家,甚至不用加上“之一”。
拉马努金(中)在剑桥大学留影
拉马努金的一生虽然只有短暂的32年,却留下了3900个公式或猜想。可以说,他以一人之力拉动了整个印度的数学水平,他的诞辰日也成为了印度的“国家数学日”。在他的传奇故事激励下,一代又一代的印度人克服了对外面世界的恐惧以及宗教禁令,跨越山川海洋,奔赴科学的星辰大海。
《知者无涯》(The Man Who Knew Infinity, 2016)是最新一部关于拉马努金的传记片,曾在剑桥大学三一学院实地拍摄
SAIXIANSHENG
偏科严重,
没有大学学位的数学神童

1887年12月22日,拉马努金出生于印度埃罗德市。虽然他的家庭属于高种姓婆罗门,但是家境普通,仅凭父亲在纱丽店的差职维持基本生活。
幼年时,拉马努金接受的教育分为两部分。在家里,他跟随虔诚的母亲学习宗教传统。在学校,则是受教于殖民者英国人创立的现代教育体系。小学毕业时,他的英语、数学、地理成绩均是全区第一。
从11岁开始,“拉马努金是神童”的故事渐渐流传:
13岁,拉马努金用两年时间自学掌握了高等三角学。
14岁,他开始研究几何和无穷级数,学会了如何解三次方程。后来,拉马努金发展出了自己独特的四次方程解法,并且尝试解五次方程。
16岁,拉马努金独立发现和研究出了伯努利数,并将欧拉-马歇罗尼常数计算到了小数点后 15 位。与此同时,他还开始发展自己的定理了。
至1904年中学毕业,他的数学积累已经远超同龄人的理解。校长对他寄予厚望,形容他是一个应当获得比满分还高的分数的优秀学生。
不过,由于偏科严重,拉马努金升入大学不久就丢掉了奖学金,努力了几年最终也没能获得大学学位。这导致他的求职经历也不顺利,只能从事一些底层级的会计工作,生活极度贫困。
SAIXIANSHENG
极放眼印度,
25岁的数学“天花板”

1910年,22岁的拉马努金结识了印度数学学会创始人拉马斯瓦米·艾耶尔(V. Ramaswamy Aiyer)。他的研究成果逐渐被数学圈认可,并被聘为马德拉斯大学的研究员。
期间,他在《印度数学学会杂志》上发表过一个问题,像是在试探性寻找——当时印度还有没有比他更聪明的人。
足足等了六个月,也没人解出这种无限嵌套根式问题。
最后,拉马努金自己提出了一个方程:
通过设置x=2、n=1和a=0,得到的答案是3。
这一时期,拉马努金主要研究椭圆积分、超几何级数和他的发散级数理论。
在马德拉斯期间,拉马努金有四本非常重要的笔记本,记录着他不断积累的数学成果。由于没有推导过程,外界传言那些是受神的指引才写出的神秘公式。
在古代印度,曾有过辉煌灿烂的数学历史。他们最早使用十进制,最早使用数字0,算术、代数和三角数都尤为先进,甚至早于牛顿和莱布尼茨几个世纪就有了微积分的思想。但随着西方列强的殖民,数学在印度发展式微。直到二十世纪,才有了第一位进入现代数学研究领域的印度数学家。
拉马努金已经触及了印度数学的天花板,接下来他需要做的是放眼世界。
1913年初,刚过25岁的拉马努金将自己的论文寄给了英国剑桥大学的三位顶尖数学家,迫切希望得到他们的认可。
前两位教授亨利·贝克(Henry Baker)和欧内斯特·霍布森(Ernest Hobson)未加评论就将他的论文退回了。原因可能是拉马努金一直靠自学成长,缺乏专业的数学训练,导致他的论文不够严谨、不够专业。
唯一回信的是哈代(Godfrey Hardy) 。拉马努金在前两封信中就给出了120个定理,都是他独立总结的。虽然有些是错误的,有些已经被发现,但是余下的大多数都有新的突破。哈代立刻意识到拉马努金拥有非凡的天赋,并向剑桥同事称赞他是“一位最优秀的数学家,一个具有非凡独创性和能力的人”。
随后,哈代积极邀请拉马努金到剑桥学习。

戈弗雷·哈代(1877-1947),英国数学家,擅长数论和数学分析。他毕业于剑桥大学三一学院,自1906年起留校任教,在英国数学界享有崇高地位。

当时印度已经有留学生了。比如“圣雄甘地”,他于1888年就曾远赴英国学习法律,但是为此放弃了种姓身份。

身为婆罗门的拉马努金也面临类似抉择,宗教教义要求他“不可以跨越海洋”,虔诚的父母也是极力反对。
哈代不能理解,他信奉的是科学。宗教信仰一直是横屹在他和拉马努金之间的倒刺。
好在剑桥方面一直没有放弃,花了一年多时间终于说服了拉马努金。某日,拉马努金的母亲也梦到了家族女神纳玛吉里神命令她:“不要再阻碍儿子实现人生目标”。
1914年3月,拉马努金告别了妻子和父母,只身乘船前往英国。
SAIXIANSHENG
跨越山海,
剑桥大学的第一位印度院士

自1911年起,哈代与利特尔伍德是最亲密的研究伙伴,他们主攻数学分析和解析数论,是当时英国数学分析学派的领军人物。
哈代与利特尔伍德之间的合作持续了35年,直至哈代去世。共同发表论文100多篇。
拉马努金来到剑桥以后,双人组合变成“铁三角”,建立了一种融合不同文化、信仰和工作性格的独特合作关系。
冲撞是少不了的。哈代是数学严谨性的倡导者,重视证明工作。拉马努金则是虔诚的印度教徒,非常依赖自己的直觉。哈代看重拉马努金惊人的创造力,但同时也不断向他强调,必须拥有扎实的数学基础才能更好地发挥自己的潜力。
“有些事情我不得不尝试教他,而且在一定程度上我成功了,尽管很明显我从他那里学到的比他从我这里学到的多得多。”即使是多年后回忆起,哈代仍觉得那五年的交往是“一生中唯一的浪漫事件”。

哈代-拉马努金数

拉马努金在印度时期曾患过严重痢疾,导致身体状况一直不佳。来到英国后,正值第一次世界大战物资紧缺,加之他又是一位严格的素食主义者,进一步加剧了他的病情。

一次哈代去看望他的路上,注意到乘坐的出租车是1729号,遂产生了一种不详之感。拉马努金以数学的方式安慰他说:“不,这是一个非常有趣的数字,它可以用两种不同方式表示为两个立方和的最小数字。”

(下一个有这种特性的数字是4104)

从此,1729有了另一个名字:哈代-拉马努金数。

哈代-拉马努金-利特尔伍德圆法

1908年,希尔伯特用分析方法解决了华林问题,证明了g(k)的存在。但是他的方法并没有给出g(k)的具体数值。其后,英国数学家哈代和利特尔伍德创造了圆法,可以估计g(k)的数值。

该方式还被用于解答奇数的哥德巴赫猜想。因此,圆法逐渐名声大振,发展成为解析数论中最基础、使用最广泛的工具之一。

而追溯历史,不乏拉马努金的贡献,所以他的名字也在其中。1916-1917年,哈代和拉马努金在研究配分函数 P ( n )时,提出了一个非收敛的渐近级数,可以精确计算整数的配分数,被普遍认为是圆法的开端。

π的无穷级数公式

都知道,拉马努金非常擅长写公式,一个有趣的例子是关于π的无穷级数

该结果基于负基本判别式d=−4×58=−232,类数为h ( d ) = 2。
此外,26390=5×7×13×58和16×9801=396 ²,这与以下事实相关:
这可以与Heegner数进行比较,后者具有类号1并产生类似的公式。
在印度时期,拉马努金没有拥有过数学相关的任何头衔,他只是一名大学都没毕业的“业余数学爱好者”。
来到英国之后,他的成长是惊人的,仅用了两年时间就拿到了剑桥大学的学位。随后,又因为椭圆函数和数论的研究,入选伦敦数学学会、英国皇家学会。此时,他才30岁,是皇家学会历史上最年轻的会员之一,也是第二位获此殊荣的印度人。
而他更为耀眼的履历是,1918年10月13日成为剑桥大学三一学院的第一位印度院士。
可惜的是,他因为肺结核和严重的维生素缺乏症,身体越来越差,不得不在疗养院进进出出。病痛的折磨,甚至让他多次尝试自杀。
1919年,拉马努金抛下了英国的一切,回到印度。然而他信赖的神也没能挽救他的生命。他于1920年去世,年仅32岁。
拉马努金最后一年的研究是关于类θ函数。这些函数在后来被证明非常重要,可以应用于椭圆曲线、弦论以及黑洞的性质。





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