Риман, Бернхард

(перенаправлено с «Бернхард Риман»)

Гео́рг Фри́дрих Бе́рнхард Ри́ман (иногда Бернгард, нем. Georg Friedrich Bernhard Riemann; 17 сентября 1826 года, Брезеленц, Ганновер — 20 июля 1866 года, Селаска, Италия, близ Лаго-Маджоре) — немецкий математик, механик и физик.

Георг Фридрих Бернхард Риман
нем. Bernhard Riemann
Имя при рождении нем. Georg Friedrich Bernhard Riemann
Дата рождения 17 сентября 1826(1826-09-17)[1][2][…]
Место рождения Брезеленц, Ганновер
Дата смерти 20 июля 1866(1866-07-20)[1][3][…] (39 лет)
Место смерти Селаска, Пьемонт
Страна
Род деятельности математик, физик, преподаватель университета, профессор
Научная сфера математика, механика, физика
Место работы Гёттингенский университет
Альма-матер Гёттингенский университет
Учёная степень доктор философии[4] (16 декабря 1851) и хабилитация[4] (10 июня 1854)
Научный руководитель К. Ф. Гаусс
Ученики Шеринг, Эрнст
Известен как основатель римановой геометрии
Награды и премии
иностранный член Лондонского королевского общества[вд] (14 июня 1866)
Автограф Изображение автографа
Логотип Викисклада Медиафайлы на Викискладе

Член Берлинской (с 1859 года), Парижской академии наук и Лондонского королевского общества (с 1860 года). За свою короткую жизнь (всего десять лет трудов) он преобразовал сразу несколько разделов математики, в том числе математический анализ, комплексный анализ, дифференциальную геометрию, математическую физику и арифметику, внёс вклад в создание топологии. «Мы склонны видеть в Римане, может быть, величайшего математика середины XIX века, непосредственного преемника Гаусса», — отмечал академик П. С. Александров[5].

Биография

править

Риман был старшим сыном бедного пастора, вторым из шести его детей. Смог начать посещать школу лишь в 14 лет (1840). Мать Римана, Шарлотта Эбелль, умерла от туберкулёза, когда он ещё учился в школе; от этой же болезни умерли две его сестры и, впоследствии, умрёт он сам. Риман всю жизнь был очень привязан к своей семье[6].

Наклонности к математике проявлялись у молодого Римана ещё в детстве, но, уступая желанию отца, в 1846 году он поступил в Гёттингенский университет для изучения филологии, философии и богословия. Однако, увлечённый лекциями Гаусса, юноша принял окончательное решение стать математиком[7].

В 1847 году Риман перешёл в Берлинский университет, где преподавали Дирихле, Якоби и Штейнер. В 1849 году он вернулся в Гёттинген[7], где познакомился с Вильгельмом Вебером, который стал его учителем и близким другом; годом позже приобрёл ещё одного друга — Рихарда Дедекинда.

В 1851 году Риман защитил диссертацию «Основания теории функций комплексной переменной», его научным руководителем был Гаусс, высоко ценивший талант своего ученика. В диссертации впервые было введено понятие, позже получившее известность как риманова поверхность. В 1854—1866 годах Риман работал в Гёттингенском университете[7].

 
Гёттингенский университет в 1837 г.

Чтобы претендовать на должность экстраординарного профессора, Риман по уставу должен был выступить перед профессорским составом. Осенью 1853 года Риман прочитал в присутствии Гаусса исторический доклад «О гипотезах, лежащих в основании геометрии», с которого ведёт своё начало риманова геометрия. Доклад, впрочем, не помог — Римана не утвердили. Однако текст выступления был опубликован (хотя и с большим опозданием — в 1868 году), и это стало эпохальным событием для геометрии. Всё же Риман был принят приват-доцентом Гёттингенского университета, где читает курс абелевых функций.

В 1857 году Риман опубликовал классические труды по теории абелевых функций и аналитической теории дифференциальных уравнений и был переведён на должность экстраординарного профессора Гёттингенского университета.

С 1859 года, после смерти Дирихле, Риман — ординарный профессор математики Гёттингенского университета, читает заодно лекции по математической физике (изданы посмертно его учениками). Вместе с Дедекиндом он совершил поездку в Берлинский университет, где общался с Вейерштрассом, Куммером, Кронекером. После чтения там знаменитой работы «О числе простых чисел, не превышающих заданной величины» Риман по рекомендации Вейерштрасса избран членом Берлинской академии наук (1859). Эта работа исследовала распределение простых чисел и свойства ζ-функции (функции Римана). В следующем 1860 году Риман был избран членом Парижской академии наук и Лондонского королевского общества.

 
Надгробная плита Римана (кладбище Биганцоло, Италия).

В 1862 году Риман женился на Эльзе Кох, подруге покойной сестры. У них родилась дочь Ида. Вскоре после женитьбы Риман простудился и серьёзно заболел. Надеясь укрепить здоровье, Риман с женой в декабре 1862 года уехали в Италию (вначале на год с возвратом в Гёттинген, затем ещё на два года). В 1866 году Риман скончался в Италии от туберкулёза в возрасте неполных 40 лет.

Посмертный сборник трудов Римана, подготовленный Дедекиндом, содержал всего один том. Могила Римана в Италии была заброшена и позже уничтожена при перепланировке кладбища, но надгробная плита уцелела и в наши дни установлена у стены кладбища.

Научная деятельность

править

Исследования Римана относятся к теории функций комплексного переменного, геометрии, математической и теоретической физике, теории дифференциальных уравнений[7], теории чисел.

Работы по математике

править

В знаменитом докладе «О гипотезах, лежащих в основании геометрии» (нем. Über die Hypothesen, welche der Geometrie zu Grunde liegen) Риман определил общее понятие n-мерного многообразия и его метрики в виде произвольной положительно определённой квадратичной формы, называемой сейчас римановой метрикой. Далее Риман обобщил гауссову теорию поверхностей на многомерный случай; при этом был впервые введён тензор кривизны и другие фундаментальные понятия римановой геометрии. Существование метрики, по Риману, объясняется либо дискретностью пространства, либо некими физическими силами связи — здесь он предвосхитил общую теорию относительности. Альберт Эйнштейн писал: «Риман первый распространил цепь рассуждений Гаусса на континуумы произвольного числа измерений, он пророчески предвидел физическое значение этого обобщения евклидовой геометрии»[8].

Риман также высказал предположение, что геометрия в микромире может отличаться от трёхмерной евклидовой[9]:

Эмпирические понятия, на которых основывается установление пространственных метрических отношений, — понятия твёрдого тела и светового луча, по-видимому, теряют всякую определённость в бесконечно малом. Поэтому вполне мыслимо, что метрические отношения пространства в бесконечно малом не отвечают геометрическим допущениям; мы действительно должны были бы принять это положение, если бы с его помощью более просто были объяснены наблюдаемые явления.

 
Бернхард Риман (1863)

В другом месте этой же работы Риман указал, что допущения евклидовой геометрии должны быть проверены также и «в сторону неизмеримо большого», то есть в космологических масштабах[10]. Глубокие мысли, содержащиеся в выступлении Римана, ещё долго стимулировали развитие науки.

 
Риманова поверхность (комплексный логарифм)

Риман является создателем геометрического направления теории аналитических функций. Он разработал теорию конформных отображений и общую теорию многозначных комплексных функций, построив для них носящие его имя римановы поверхности, на которых эти функции однозначны. Он использовал не только аналитические, но и топологические методы; позднее его труды продолжил Анри Пуанкаре, завершив создание топологии[7].

Труд Римана «Теория абелевых функций» был важным шагом в бурном развитии этого раздела анализа в XIX веке. Риман ввёл понятие рода абелевой функции, классифицировал их по этому параметру и вывел топологическое соотношение между родом, числом листов и числом точек ветвления функции.

Вслед за Коши Риман рассмотрел формализацию понятия интеграла и ввёл своё определение — интеграл Римана, ставший стандартом в классическом анализе. Развил общую теорию тригонометрических рядов, не сводящихся к рядам Фурье.

В аналитической теории чисел большой резонанс имело исследование Риманом распределения простых чисел. Он дал интегральное представление дзета-функции Римана, исследовал её полюса и нули, выдвинул гипотезу Римана. Вывел приближённую формулу для оценки количества простых чисел через интегральный логарифм.

Работы по механике

править

Исследования Римана в области механики относятся к изучению динамики течений сжимаемой жидкости (газа) — в частности, сверхзвуковых. Наряду с К. Доплером, Э. Махом, У. Дж. Ранкином и П.-А. Гюгонио Риман стал одним из основоположников классической газовой динамики[11].

Риманом был предложен метод аналитического решения нелинейного уравнения, описывающего одномерное движение сжимаемой жидкости; позже геометрическая разработка данного метода привела к созданию метода характеристик (сам Риман термина «характеристика» и соответствующих геометрических образов не использовал)[12]. Фактически им был создан общий метод для расчёта течений газов в предположении, что данные течения зависят только от двух независимых переменных[13].

В 1860 году Риман нашёл точное общее решение нелинейных уравнений одномерного течения сжимаемого газа (при условии его баротропности); оно представляет собой бегущую плоскую волну конечной амплитуды (простую волну), профиль которой — в отличие от случая волн малой амплитуды — меняет со временем свою форму[14].

Исследуя задачу о распространении малых возмущений при одномерном движении баротропной жидкости, Риман предложил выполнить в уравнениях движения замену зависимых переменных: перейти от переменных   и   (давление и скорость) к новым переменным

 
 

(получивших название инвариантов Римана), в которых уравнения движения принимают особенно простой вид (здесь   — плотность жидкости,   — скорость звука)[15].

Именно Риману механика обязана понятием об ударных волнах. Явление образования ударных волн в потоке сжимаемого газа впервые было обнаружено не экспериментально, а теоретически — в ходе проводившегося Риманом изучения решений уравнений движения газа (среди которых, как выяснилось, имеются решения с подвижными поверхностями сильного разрыва)[16].

Риман сделал и первую попытку получить условия на поверхности разрыва (то есть соотношения, связывающие скачки физических величин при переходе через данную поверхность). Однако в этом он не преуспел (поскольку фактически исходил из законов сохранения массы, импульса и энтропии, а следовало исходить из законов сохранения массы, импульса и энергии)[17]; правильные соотношения в случае одномерного движения газа были получены Ранкином (1870) и Гюгонио (1887)[11].

Список терминов, связанных с именем Римана

править

Память

править

В 1964 году Международный астрономический союз присвоил имя Римана кратеру на видимой стороне Луны. В честь Бернхарда Римана 19 октября 1994 года названа малая планета (4167) Riemann, открытая 2 октября 1978 года Л. В. Журавлёвой в Крымской астрофизической обсерватории[18].

Труды на русском языке

править
  • Риман Б. Сочинения. М.-Л.: ОГИЗ. Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1948.
    • ЧАСТЬ I. Работы Римана по анализу, теории функций и теории чисел (47).
      • I. Основы общей теории функций одной комплексной переменной (49).
      • II. Теория абелевых функций (88).
      • III. Об обращении в нуль 0-функций (139).
      • IV. О сходимости бесконечных 0-рядов p-й кратности (151).
      • V. Доказательство теоремы о том, что однозначная функция n переменных не может иметь более 2n периодов (155).
      • VI. Новые результаты из теории функций, представимых гауссовым рядом F(a, b, y, x) (159).
      • VII. Две теоремы общего характера, касающиеся линейных дифференциальных уравнений с алгебраическими коэффициентами (176).
      • VIII. О разложении отношения двух гипергеометрических рядов в бесконечную непрерывную дробь (187).
      • IX. Об интегралах линейного дифференциального уравнения второго порядка в окрестности точки ветвления (194).
      • X. Из лекций по гипергеометрическому ряду (196).
      • XI. О числе простых чисел, не превышающих данной величины (216).
      • XII. О возможности представления функции посредством тригонометрического ряда (225).
      • XIII. Опыт обобщения действия интегрирования и дифференцирования (262).
    • ЧАСТЬ II. Работы Римана по геометрии, механике и математической физике (277).
      • XIV. О гипотезах, лежащих в основании геометрии (279).
      • XV. Фрагменты, относящиеся к Analysis situs (294).
      • XVI. О поверхности, имеющей при заданной границе наименьшую площадь (297).
      • XVII. Примеры поверхностей наименьшей площади при заданной границе (330).
      • XVIII. О движении жидкого однородного эллипсоида (339).
      • XIX. О потенциале тора (367).
      • XX. Извлечение из письма профессору Энрико Бетти (378).
      • XXI. О распространении плоских волн конечной амплитуды (376).
      • XXII. Распространение тепла в эллипсоиде (396).
      • XXIII. Математическое сочинение, в котором содержится попытка дать ответ на вопрос, предложенный знаменитейшей Парижской Академией, и т. д. (399).
      • XXIV. Равновесие электричества на круговых цилиндрах с параллельными осями. Конформное отображение фигур, ограниченных кругами (414).
      • XXV. К теории цветных колец Нобили (418).
      • XXVI. О законах распределения статического электричества в материальных телах и т. д. (425).
      • XXVII. Новая теория остаточного заряда в аппаратах, служащих для накопления электричества (431).
      • XXVIII. По поводу электродинамики (443).
      • XXIX. О механизме уха (449).
      • XXX. Фрагменты философского содержания (461).

Документальные фильмы

править

В фильме «BBC. Музыка простых чисел» рассказывается о гипотезе Римана.

Примечания

править
  1. 1 2 Архив по истории математики Мактьютор — 1994.
  2. Georg Friedrich Bernhard Riemann // Brockhaus Enzyklopädie (нем.)
  3. Bernhard Riemann // Internet Philosophy Ontology project (англ.)
  4. 1 2 http://www.encyclopedia.com/people/science-and-technology/mathematics-biographies/bernhard-riemann
  5. http://new.philos.msu.ru/vestnik/archive/1988/no41988/ Архивная копия от 19 января 2015 на Wayback Machine с. 22
  6. Пиньейро, 2015, с. 20, 135.
  7. 1 2 3 4 5 Боголюбов, 1983, с. 412.
  8. Эйнштейн А. Сущность теории относительности. — М.: Иностранная литература, 1955. С. 60.
  9. Риман Б. Сочинения. М.-Л.: ГИТТЛ, 1948. — С. 291.
  10. Хрестоматия по истории математики. Арифметика и алгебра. Теория чисел. Геометрия / Под ред. А. П. Юшкевича. — М.: Просвещение, 1976. — С. 295.
  11. 1 2 Тюлина, 1979, с. 235.
  12. Тюлина, 1979, с. 236.
  13. Truesdell, 1976, с. 125.
  14. Ландау, Лифшиц, 1986, с. 526—529.
  15. Ландау, Лифшиц, 1986, с. 547.
  16. Седов Л. И. Механика сплошной среды. — М.: Наука, 1970. — Т. 1. — С. 391—406. — 492 с. Архивировано 28 ноября 2014 года.
  17. Годунов С. К. Элементы механики сплошной среды. — М.: Наука, 1978. — С. 277. — 304 с.
  18. M.P.C. 24121 // Циркуляры малых планет = MINOR PLANET CIRCULARS/MINOR PLANETS AND COMETS. — Cambridge, MA, U.S.A.: Центр малых планет, 1994. — Т. 1994 OCT. 19. — С. 119. — 130 с.

Литература

править