【歷史上的今天】1854年4月29日法國數學家、天體力學家、數學物理學家龐加萊出生
龐加萊
人物簡介
亨利·龐加萊是法國數學家、天體力學家、數學物理學家、科學哲學家。1854年4月29日生於法國南錫，1912年7月17日卒於巴黎。龐加萊的研究涉及數論、代數學、幾何學、拓撲學、天體力學、數學物理、多複變函數論、科學哲學等許多領域。
龐加萊是公認的十九世紀末本世紀初的一位領袖數學家，是一位對數學及其應用具有全面知識的雄觀全局的大師。他在數學和數學物理方面的業績是劃時代的。在現代數學史上，只有希爾伯特可以與他匹敵。當代數學的幾乎所有分支都可溯源於他他同時又是一位物理學家、天文學家和力學家，還是一位科學哲學家。他從1874年起到1912年逝世止在各種刊物上發表的491篇論文以及幾十部專著，給二十世紀的科學留下了深遠的影響。龐加萊在天體力學方面的研究是牛頓以來的第二個偉大的里程碑，他因爲對電子理論的研究被公認爲相對論的理論先驅。
主要經歷
1854年4月29日，亨利·龐加萊出生於法國南錫一個學者家庭中。龐加萊家族在法國擁有極高聲望，亨利·龐加萊的父親和姐夫都是南錫大學的教授，而其表兄弟雷蒙·龐加萊更是法蘭西學院院士，並於1913—1920年出任法國總統。
因爲視力極差，所以龐加萊在音樂和體育課上表現一般，除此之外，龐加萊在各方面都稱得上是成績優異。龐加萊的數學才華在上大學之前已經顯現出來。他的數學教師形容他是一隻“數學怪獸”，這隻怪獸席捲了包括法國高中學科競賽第一名在內的幾乎所有榮譽。
1873年，龐加萊進入巴黎綜合理工大學(école Polytechnique)，在那裏他得以從事他擅長的數學，師從著名數學家查爾斯·厄米特，並發表了他第一篇學術論文。後來龐加萊繼續跟隨厄米特攻讀博士學位，他於1879年獲得巴黎大學博士學位，1887年入選法國科學院，後任院長，並於1906年被選爲法蘭西學院院士，這是法國學者的最高榮譽。1875年前後，龐加萊從理工大學畢業，進入南錫礦業大學繼續學習數學和採礦。畢業後，他加入了法國礦業集團(CorpsdesMines)成爲法國東北部礦產區的一名巡視員，與此同時，龐加萊繼續在厄米特的指導下從事研究。在他一生的大部分時間裏，龐加萊都不曾放棄他的工程事業，他在1881至1885年間負責北方鐵路的建設工作，數年後成爲法國礦業集團的總工程師，最後在總監的位置上退休。
1885年，在剛創刊不久的瑞典數學雜誌ActaMathematica的第七捲上出現了一則引人注目的通告：爲了慶祝瑞典和挪威國王奧斯卡二世在1889年的六十歲生日，ActaMathematica將舉辦一次數學問題比賽，懸賞2500克朗和一塊金牌。比賽的題目有四個，其中第一個就是找到多體問題的所有解。這是天體物理學中三體問題的一個推廣。而龐加萊在讀博士期間就已經開始研究太陽系中的多體問題。
但龐加萊最終卻沒有成功給出一個完整的解答，因爲他發現這個系統的演變經常是混沌的，“混沌”是說如果初始狀態有一個小的擾動，例如一個體的初始位置有一個小的偏移，則後來的狀態可能會有極大的不同。也就是說，如果該小變動不能被我們的測量儀器所探測，則我們不能預測最終狀態爲何。他的工作令評委印象深刻，因此還是在1888年贏得了獎金，時年34歲。
這是龐加萊學術生涯中第一個重要的獎項，1888年5月龐加萊在比賽截止日期前交上了他的論文，六個月後他就被宣佈爲獲勝者。評委維爾斯特拉斯很有預見地指出這篇論文將開創天體力學歷史上的一個新紀元。
1899年因研究天體力學中的三體問題獲奧斯卡二世(OscarⅡ)獎金。1906年龐加萊當選爲法國科學院院長，1908年以作家身份(散文家)成爲法蘭西學院院士。
1908年龐加萊因前列腺增大而未能前往羅馬，雖經意大利外科醫生作了手術，使他能繼續如前一樣精力充沛地工作，但好景不長。
1912年春天，龐加萊再次病倒了，7月9日作了第二次手術;7月l7日在穿衣服時，突然因血栓梗塞，在巴黎逝世，終年僅58歲。
主要成就
龐加萊的一生中在數學和物理的各個領域都有建樹，其中以其本人命名的科學發現就有龐加萊球面、龐加萊映射、龐加萊引理等。龐加萊的研究涉及數論、代數學、幾何學、拓撲學等許多領域，最重要的工作是在函數論方面。他早期的主要工作是創立自守函數理論(1878)。他引進了富克斯羣和克萊因羣，構造了更一般的基本域。他利用後來以他的名字命名的級數構造了自守函數，並發現這種函數作爲代數函數的單值化函數的效用。
1883年，龐加萊提出了一般的單值化定理(1907年，他和克貝相互獨立地給出完全的證明)。同年，他進而研究一般解析函數論，研究了整函數的虧格及其與泰勒展開的係數或函數絕對值的增長率之間的關係，它同皮卡定理構成後來的整函數及亞純函數理論發展的基礎。他又是多複變函數論的先驅者之一。
龐加萊爲了研究行星軌道和衛星軌道的穩定性問題，在1881～1886年發表的四篇關於微分方程所確定的積分曲線的論文中，創立了微分方程的定性理論。他研究了微分方程的解在四種類型的奇點(焦點、鞍點、結點、中心)附近的性態。他提出根據解對極限環(他求出的一種特殊的封閉曲線)的關係，可以判定解的穩定性。
1885年，瑞典國王奧斯卡二世設立“n體問題”獎，引起龐加萊研究天體力學問題的興趣。他以關於當三體中的兩個的質量比另一個小得多時的三體問題的週期解的論文獲獎，還證明了這種限制性三體問題的週期解的數目同連續統的勢一樣大。這以後，他又進行了大量天體力學研究，引進了漸進展開的方法，得出嚴格的天體力學計算技術。龐加萊這一工作究竟給N體問題的解決以及動力系統的研究帶來巨大而無比深刻的影響：第一，龐加萊證明了對於N體問題在N大於二時，不存在統一的第一積分(uniform first integral)。也就是說即使是一般的三體問題，也不可能通過發現各種不變量最終降低問題的自由度， 把問題化簡成更簡單可以解出來的問題，這打破了當時很多人希望找到三體問題一般的顯式解的幻想。在一百年後學習微分方程課的人大多在第二個星期就從老師那裏知道絕大多數微分方程是沒法找到定量的解的，但一般都能從定性理論中瞭解更多解的性質，甚至可以通過計算機“看到”解的形狀行爲。而在龐加萊的年代，大多數數學家更熱衷於用代數或冪函數方法找到解，使用定性方法和幾何方法來討論微分方程就是起源於龐加萊對於N體問題的研究，這徹底改變人們研究微分方程的基本想法。第二，爲了研究N體問題，龐加萊發明了許多全新的數學工具。例如他完整地提出了不變積分(invariant integrals) 的概念，並且使用它證明了著名的迴歸定理(recurrence theorem)。另一個例子是他爲了研究週期解的行爲，引進了第一回歸映象(first return map)的概念，在後來的動力系統理論中被稱爲龐加萊映象。還有象特徵指數(characteristic expontents)，解對參數的連續依賴性(continuous dependence of solutions with respect to parameters)等等。所有這些都成爲了現代微分方程和動力系統理論中的基本概念。第三，龐加萊通過研究所謂的漸近解(asymptotic solutions)，同宿軌道 (homoclinic orbits) 和異宿軌道(hetroclinic orbits)，發現即使在簡單的三體問題中，在這樣的同宿軌道或者異宿軌道附近，方程的解的狀況會非常複雜，以至於對於給定的初始條件，幾乎是沒有辦法預測當時間趨於無窮時，這個軌道的最終命運。事實上半個世紀後，後來的數學家們發現這種現象在一般動力系統中是常見的，他們把它叫做穩定流形(stable manifold)和不穩定流形(unstable manifold)正態相交(intersects transversally)所引起的同宿糾纏(homoclinic tangle)，而這種對於軌道的長時間行爲的不確定性，數學家和物理學家稱之爲混沌(chaos)。龐加萊的發現可以說是混沌理論的開創者。
龐加萊還開創了動力系統理論，1895年證明了“龐加萊迴歸定理”。他在天體力學方面的另一重要結果是，在引力作用下，轉動流體的形狀除了已知的旋轉橢球體、不等軸橢球體和環狀體外，還有三種龐加萊梨形體存在。
龐加萊對數學物理和偏微分方程也有貢獻。他用括去法(sweepingout)證明了狄利克雷問題解的存在性，這一方法後來促使位勢論有新發展。他還研究拉普拉斯算子的特徵值問題，給出了特徵值和特徵函數存在性的嚴格證明。他在積分方程中引進復參數方法，促進了弗雷德霍姆理論的發展。
龐加萊對現代數學最重要的影響是創立組合拓撲學。1892年他發表了第一篇論文，1895～1904年，他在六篇論文中建立了組合拓撲學。他還引進貝蒂數、撓係數和基本羣等重要概念，創造流形的三角剖分、單純複合形、重心重分、對偶複合形、複合形的關聯繫數矩陣等工具，藉助它們推廣歐拉多面體定理成爲歐拉—龐加萊公式，並證明流形的同調對偶定理。
龐加萊的思想預示了德·拉姆定理和霍奇理論。他還提出龐加萊猜想，在“龐加萊的最後定理”中，他把限制性三體問題的週期解的存在問題，歸結爲滿足某種條件的平面連續變換不動點的存在問題。
龐加萊在數論和代數學方面的工作不多，但很有影響。他的《有理數域上的代數幾何學》一書開創了丟番圖方程的有理解的研究。他定義了曲線的秩數，成爲丟番圖幾何的重要研究對象。他在代數學中引進羣代數並證明其分解定理。第一次引進代數中的左理想和右理想的概念。證明了李代數第三基本定理及坎貝爾—豪斯多夫公式。還引進李代數的包絡代數，並對其基加以描述，證明了龐加萊—伯克霍夫—維特定理。
龐加萊對經典物理學有深入而廣泛的研究，對狹義相對論的創立有貢獻。早於愛因斯坦，龐加萊在1897年發表了一篇文章“The Relativity of Space”〈空間的相對性〉，其中已有狹義相對論的影子。1898年，龐加萊又發表《時間的測量》一文，提出了光速不變性假設。1902年，龐加萊闡明瞭相對性原理。1904年，龐加萊將洛倫茲給出的兩個慣性參照系之間的座標變換關係命名爲‘洛倫茲變換’。再後來，1905年6月，龐加萊先於愛因斯坦發表了相關論文：《論電子動力學》。他從1899年開始研究電子理論，首先認識到洛倫茨變換構成羣(1904年)，第二年愛因斯坦在創立狹義相對論的論文中也得出相同結果。
龐加萊的哲學著作《科學與假設》、《科學的價值》、《科學與方法》也有着重大的影響。他是約定主義哲學的代表人物，認爲科學公理是方便的定義或約定，可以在一切可能的約定中進行選擇，但需以實驗事實爲依據，避開一切矛盾。在數學上，他不同意羅素、希爾伯特的觀點，反對無窮集合的概念，贊成潛在的無窮，認爲數學最基本的直觀概念是自然數，反對把自然數歸結爲集合論。這使他成爲直覺主義的先驅者之一。
1905年，匈牙利科學院頒發一項獎金爲10000金克朗的鮑爾約獎。這個獎是要獎給在過去25年爲數學發展做出過最大貢獻的數學家。由於龐加萊從1879年就開始從事數學研究，並在數學的幾乎整個領域都做出了傑出貢獻，因而此項獎又非他莫屬。
龐加萊定理
關於力學體系運動可逆性(或可復性)的定理。因由J.-H.龐加萊證明，故名。它指出，力學體系經過足夠長的時間後總可以回覆到初始狀態附近。
1872年玻耳茲曼在研究實際熱力學過程的不可逆性即熱力學第二定律的微觀本質時，曾根據非平衡態的分佈函數f(r，v，t)定義了一個函數H，並證明在孤立系統以非平衡態趨於平衡態的過程中，H隨時間單調下降，在平衡態達到最小值，這就是H定理。玻耳茲曼認爲，H函數與熵對應，H的減少與熵的增大對應 ，H定理爲熱力學第二定律提供了統計解釋。但是龐加萊定理似乎與H定理相矛盾。根據龐加萊定理，當H函數隨時間單調地減少之後，只要經過足夠長的時間，總可以重新增大，回覆到初始的數值。對此，玻耳茲曼的回答是，H定理具有統計性質，即非平衡態總是以絕對優勢的概率趨於平衡態，逆過程並非完全不可能，只是概率極其微小。
龐加萊猜想
1904年，龐加萊在一篇論文中提出了一個看似很簡單的拓撲學的猜想：在一個三維空間中，假如每一條封閉的曲線都能收縮到一點，那麼這個空間一定是一個三維的圓球。但1905年發現其中的錯誤，修改爲：“任何與n維球面同倫的n維封閉流形必定同胚於n維球面。”後來這個猜想被推廣至三維以上空間，被稱爲“高維龐加萊猜想”。
大於等於五維的龐加萊猜想被斯蒂芬·斯梅爾證明;四維的龐加萊猜想被邁克爾·弗裏德曼證明;三維的龐加萊猜想被俄羅斯數學家佩雷爾曼於2002-2003年證明。他們分別獲得1966年，1986年和2006年菲爾茲獎。
