Κυριακή, 5 Φεβρουαρίου 2012

Johann Carl Friedrich Gauss

Ο Γιόχαν Καρλ Φρίντριχ Γκάους (30/04/1777 -23/02/1855) ήταν Γερμανός Μαθηματικός που συνεισέφερε σε πολλά ερευνητικά πεδία της επιστήμης του, όπως η θεωρία αριθμών, η στατιστική, η μαθηματική ανάλυση, η Διαφορική Γεωμετρία, αλλά και συναφών επιστημών, όπως η γεωδαισία, η αστρονομία και η φυσική (ηλεκτροστατιστική, οπτική, γεωμαγνητισμός). Αποκλήθηκε «ο πρίγκηψ των μαθηματικών» και ο «μεγαλύτερος μαθηματικός μετά τον Αρχιμήδη και τον Ευκλείδη». Πέρα από υπερβολές, ο Γκάους υπήρξε αντικειμενικά ο σημαντικότερος Γερμανός μαθηματικός όλων των εποχών και ένας από τους δύο ή τρεις σπουδαιότερους των νεότερων χρόνων (μετά την αρχαιότητα).
Ο Γκάους ήταν αυτό που αποκαλείται «παιδί – θαύμα» και υπάρχουν αρκετές ιστορίες για τις εκπληκτικές του ικανότητες ως νηπίου, ενώ οι πρώτες μεγάλες μαθηματικές ανακαλύψεις του χρονολογούνται από την εφηβεία του. Σε ηλικία 21 ετών είχε ολοκληρώσει το κύριο έργο του στα καθαρά μαθηματικά, το Disquisitiones Arithmeticae, (= «Αριθμητικές Έρευνες», 1798, εκδόθηκε το 1801). Αυτό το έργο διαδραμάτισε θεμελιώδη ρόλο στην εδραίωση της θεωρίας αριθμών ως αυτοδύναμου κλάδου των μαθηματικών και τη σημάδεψε μέχρι τις μέρες μας.
Ανδριάντας του Γκάους στη γενέτειρά του, το Μπραουνσβάικ

Τα Πρώτα Χρόνια

Ο Γκάους γεννήθηκε στο Μπραουνσβάικ (Braunschweig), στο τότε δουκάτο Brunswick-Lüneburg και σήμερα μέρος της Κάτω Σαξονίας, στη Γερμανία, μέσα σε ένα περιβάλλον με αρνητικές συνθήκες για τη γέννηση ενός επιστήμονα τέτοιου μεγέθους. Οι γονείς του ήταν φτωχοί εργάτες και δεν είχαν άλλα παιδιά. Οι ιστορίες για την πρώιμη ιδιοφυΐα του ως μικρό παιδί είναι όλες αναπόδεικτες. Σύμφωνα με μία, το ταλέντο του πρωτοεμφανίσθηκε σε ηλικία τριών ετών, όταν διόρθωσε χωρίς χαρτί και μολύβι ένα λάθος που είχε κάνει ο πατέρας του στο χαρτί ενώ έκανε υπολογισμούς για τα οικονομικά της οικογένειας.
Η γνωστότερη ίσως ιστορία αφορά την απόπειρα του δασκάλου του στο δημοτικό, του J.G. Büttner, να απασχολήσει τους μαθητές του σε μια κενή ώρα βάζοντάς τους να προσθέσουν όλους τους ακεραίους από το 1 ως το 100. Ο μικρός Γκάους βρήκε το σωστό άθροισμα σε λιγότερο από 1 λεπτό, εκπλήσσοντας τόσο τον δάσκαλο όσο και τον βοηθό του Martin Bartels. Ο Γκάους αντιλήφθηκε ότι η πρόσθεση κατά ζεύγη από τις δύο άκρες αυτής της σειράς των αριθμών έδινε πάντα το ίδιο άθροισμα: 1 + 100 = 101, 2 + 99 = 101, 3 + 98 = 101, κ.ο.κ., οπότε για ένα ολικό άθροισμα 50 × 101 = 5050 (αριθμητική σειρά).
Ο πατέρας του Γκάους τον προέτρεπε να ακολουθήσει το επάγγελμά του και να γίνει χτίστης ξύλινων σπιτιών. Δεν συμφωνούσε να μάθει ο Καρλ μαθηματικά και επιστήμες. Σε αυτή την προσπάθεια, ο Γκάους είχε κυρίως την υποστήριξη της μητέρας του και μετά του Δούκα του Brunswick-Lüneburg, που του έδωσε μια υποτροφία για να σπουδάσει στο Collegium Carolinum (το σημερινό Πολυτεχνείο του Μπραουνσβάικ), όπως και έγινε, από το 1792 ως το 1795. Στη συνέχεια, σπούδασε στο Πανεπιστήμιο του Γκέτινγκεν από το 1795 ως το 1798. Κατά τη διάρκεια των σπουδών του, ο Γκάους πέτυχε να ανακαλύψει εκ νέου και από μόνος του πολλά ήδη γνωστά σημαντικά θεωρήματα. Η πρώτη του νέα ανακάλυψη ήταν το 1796, όταν απέδειξε ότι οποιοδήποτε κανονικό πολύγωνο του οποίου ο αριθμός πλευρών είναι πρώτος αριθμός Φερμά (και, συνεπώς, και όλα τα πολύγωνα με αριθμό πλευρών γινόμενο ξεχωριστών πρώτων αριθμών Φερμά και μιας δυνάμεως του 2) μπορεί να κατασκευασθεί με κανόνα και διαβήτη. Αυτή ήταν μια σημαντική ανακάλυψη σε ένα βασικό πεδίο των μαθηματικών. Τα προβλήματα «κατασκευής» απασχολούσαν τους μαθηματικούς από την Αρχαία Ελλάδα και η ανακάλυψη αυτή τελικώς οδήγησε τον Γκάους να επιλέξει μια σταδιοδρομία στα μαθηματικά αντί για τη φιλολογία. Ευχαριστήθηκε τόσο από αυτή την ανακάλυψη, ώστε ζήτησε να χαραχθεί πάνω στον τάφο του ένα κανονικό δεκαεπτάγωνο. Ο τεχνίτης αρνήθηκε, δηλώνοντας ότι η δύσκολη αυτή κατασκευή θα φαινόταν σχεδόν σαν ένας κύκλος.
Την ίδια χρονιά (1796) ο Γκάους έκανε πολλές συνεισφορές στη θεωρία αριθμών, όπως το θεώρημα των πρώτων αριθμών, που έθεσε ως εικασία στις 31 Μαΐου και προσφέρει μια καλή κατανόηση του πώς κατανέμονται οι πρώτοι αριθμοί ανάμεσα στους ακέραιους. Ο Γκάους ανακάλυψε επίσης ότι κάθε φυσικός αριθμός μπορεί να εκφρασθεί ως το άθροισμα ενός, δύο ή τριών τριγωνικών αριθμών (στις 10 Ιουλίου) και τότε έγραψε στο ημερολόγιό του την περίφημη από τον Αρχιμήδη λέξη «εύρηκα!» και «num = Δ + Δ + Δ».
“Ορισμός:
Ένας αριθμός καλείται τριγωνικός όταν ισούται με το άθροισμα ορισμένων διαδοχικών ακεραίων αριθμών με πρώτο το 1. Για παράδειγμα:
1=1
3=1+2
6=1+2+3
10=1+2+3+4
15=1+2+3+4+5
21=1+2+3+4+5+6
28=1+2+3+4+5+6+7 ”
Την 1η Oκτωβρίου δημοσίευσε ένα αποτέλεσμα για τον αριθμό των λύσεων πολυωνύμων με συντελεστές σε πεπερασμένα πεδία (αυτό οδήγησε τελικώς στις Εικασίες του Weil 150 χρόνια μετά).
Τα Ώριμα Χρόνια
Στη διατριβή του με τίτλο «Μία νέα απόδειξη ότι κάθε ρητή συνάρτηση μιας μεταβλητής μπορεί να αναλυθεί σε πραγματικούς παράγοντες του πρώτου ή του δεύτερου βαθμού» (1799, υπό την επίβλεψη του Γιόχαν Φρίντριχ Πφαφ) ο Γκάους έδωσε μία απόδειξη του θεμελιώδους θεωρήματος της άλγεβρας. Το σημαντικό αυτό θεώρημα δηλώνει ότι κάθε πολυώνυμο πρέπει να έχει τουλάχιστον μία ρίζα στο σύνολο των μιγαδικών αριθμών. Πριν από τον Γκάους είχαν προσπαθήσει και άλλοι μαθηματικοί να αποδείξουν αυτό το θεώρημα, όπως ο Ζαν λε Ροντ ντ’ Αλαμπέρ. Η διατριβή του Γκάους περιείχε και μία κριτική της αποδείξεως του ντ’ Αλαμπέρ, αλλά η ίδια η δική του απόδειξη δεν έγινε δεκτή εξαιτίας της υπονοούμενης χρήσεως του θεωρήματος καμπυλών του Jordan. Στο υπόλοιπο της ζωής του ο Γκάους παρήγαγε τρεις ακόμα αποδείξεις του: η τελευταία, το 1849, θεωρείται γενικώς αυστηρή με τα σημερινά πρότυπα. Οι προσπάθειές του ξεκαθάρισαν την έννοια του μιγαδικού αριθμού (στην τρίτη απόδειξη, το 1816, είχε κάνει χρήση μιγαδικών ολοκληρωμάτων).
Το 1801 ο Ιταλός αστρονόμος Τζιουζέπε Πιάτσι ανακάλυψε τον πρώτο αστεροειδή, τη Δήμητρα, αλλά μπόρεσε να την παρατηρήσει επί λίγες μόνο νύχτες. Ο Γκάους προέβλεψε σωστά τη θέση στην οποία θα βρισκόταν στο μέλλον, όπου και ξαναπαρατηρήθηκε από τον Φραντς φον Ζαχ στις 3 Δεκεμβρίου 1801 και από τον Χάινριχ Όλμπερς μία μέρα αργότερα. Ο Ζαχ σημείωσε ότι «χωρίς την ευφυή εργασία και τους υπολογισμούς του δόκτορα Γκάους ίσως να μην είχαμε ξαναβρεί τη Δήμητρα». Ο Γκάους, που μέχρι τότε στηριζόταν οικονομικά από τον δούκα, αμφέβαλλε για τη σταθερότητα αυτής της υποστήριξης, καθώς δεν πίστευε ότι τα καθαρά μαθηματικά ήταν αρκετά σημαντικά ώστε να αξίζουν υποστήριξη, οπότε μετά την αστρονομική του επιτυχία επεδίωξε μία θέση στην αστρονομία: Το 1807 διορίσθηκε καθηγητής της αστρονομίας και διευθυντής του αστεροσκοπείου στο Γκέτινγκεν, μία θέση που διατήρησε για το υπόλοιπο της ζωής του.
Η ανακάλυψη της Δήμητρας οδήγησε τον Γκάους να επεξεργασθεί μία θεωρία για τις κινήσεις μικρών σωμάτων που διαταράσσονται από μεγάλους πλανήτες, η οποία τελικώς εκδόθηκε το 1809 με τον τίτλο Theoria motus corporum coelestium in sectionibus conicis solem ambientum («Θεωρία της κινήσεως των ουρανίων σωμάτων που κινούνται σε κωνικές τομές περί τον Ήλιο»). Αυτή η θεωρία, για την οποία εργάσθηκε έντονα επί τρεις μήνες σε ηλικία 23 ετών, οδήγησε στην ορθή πρόβλεψη της θέσεως της Δήμητρας με ακρίβεια μισής μοίρας. Η εργασία αυτή, που επανεκδόθηκε λίγα χρόνια μετά ως «Θεωρία της ουρανίου κινήσεως», παραμένει ένας θεμέλιος λίθος των αστρονομικών υπολογισμών. Περιείχε μια πραγμάτευση της Μεθόδου των ελάχιστων τετραγώνων, μια μέθοδο που χρησιμοποιείται σε όλες τις επιστήμες μέχρι σήμερα για να ελαχιστοποιήσει την επίδραση των σφαλμάτων στις μετρήσεις. Ο Γκάους μπόρεσε να αποδείξει τη μέθοδο το 1809 υπό την παραδοχή σφαλμάτων που ακολουθούν την κανονική κατανομή. Η μέθοδος είχε περιγραφεί το 1805 από τον Αντριάν-Μαρί Λεζάντρ, αλλά ο Γκάους ισχυρίσθηκε ότι ο ίδιος τη χρησιμοποιούσε από το 1795.

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου