“四元数”的发现与证明

时间:2018-04-26  栏目:百科知识  点击:69 次

“四元数”的发现与证明

19世纪,爱尔兰著名数学家哈密顿提出了一个世界著名的问题:周游世界问题。

1859年,哈密顿拿到一个正十二面体的模型。我们知道,正十二面体有12个面、20个顶点、30条棱,每个面都是相同的正五边形。

他发明了一个数学游戏:假如把这20个顶点当作20个大城市,比如巴黎、纽约、伦敦、北京……把这30条棱当作连接这些大城市的道路。

如果有一个人,他从某个大城市出发,每个大城市都走过,而且只走一次,最后返回原来出发的城市。问这种走法是否可以实现?

这就是著名的“周游世界问题”。(www.guayunfan.com)

我们如果知道七座桥的传说,就会意识到这是一道拓扑学研究范围内的问题。

解决这个问题,方法很重要。它需要一种很特殊的几何思路。这种题是不能拿正十二面体的点线去试的。

设想,这个正十二面体如果是橡皮膜做成的,那么我们就可以把这个正十二面体压成一个平面图。假设哈密顿所提的方法可以实现的话,那么这20个顶点一定是一个封闭的20角形世界。

依照这种思路,我们就进入了最初步的拓扑学领域。最后的答案是,哈密顿的想法可以实现。

哈密顿是一位首先提出“四元数”的人。这个成果至今还镌刻在他天才火花闪现的地方。

复数可以用来表示平面的向量,在物理上有极其广泛的应用。人们很自然地联想到:能否仿照复数集找到“三维复数”来进行空间量的表示呢?

1828年开始,哈密顿开始悉心研究四元数。四元数属于线性代数的组成部分,是一种超复数。但在哈密顿以前,没有人提出四元数,哈密顿也是要解决空间量表示而研究的。

研究了十多年,哈密顿没有丝毫进展,他是一个数学神童,少有难题,这次可真遇上麻烦了。到1843年,哈密顿研究了整整15年。

有一天下午,夕阳无限,秋色爽丽,风景宜人。哈密顿的妻子见丈夫埋头研究问题,几乎不知寒暑不问春秋,于是很想让他外出放松一下,调节一下身体。

她说:“亲爱的,外面的自然即使不比你的数学更有趣,但也不会逊色的,快出去看看吧,多么美丽的秋天呀!”

哈密顿在妻子的劝说下,放下手头的问题,走出书房。

夫妻二人散步,不知不觉来到护城河畔。秋风柔和而凉爽,河面波光粼粼。清新的空气带着成熟的果香和大自然土壤的芬芳使人精神振奋,思维清晰。

他们陶醉在大自然中,这时暮色苍茫,晚景宜人。二人来到玻洛汉姆桥,对着清新的水气,望着万家灯火,哈密顿的头脑在若有若无之中思考,似乎远又似乎近,似乎清楚又似乎模糊的东西久久在脑海萦绕。招之不来,挥之不去。

突然之间,这些印象似的感觉都变成了亮点,以往的迷雾全部消失弥散,思维的闪电划过头脑的天空。哈密顿眼前豁地亮了,那些澄明的要点一一显露。

哈密顿迅速地拿出随身携带的笔记本,把这令人欣喜若狂的结果记录下来。15年来,整整15年,终于在这里找到了解法!

借着这个时机,哈密顿大踏步地飞奔回家,一头扎进书房,废寝忘食。一连几天,几乎不动地方,全神贯注地书写并且不时地演算。在几寸厚的稿纸中,哈密顿整理出一篇划时代意义的论文。

1843年11月,数学界被轰动了,哈密顿和爱尔兰科学院向世人宣布了“四元数”。

哈密顿证明了,要想在实数基础上建立三维复数,使它具有实数和复数的各种运算性质,这是不可能的。

1853年,哈密顿写成《四元数讲义》,于1857年发表。在他逝世后第二年,即1866年发表了《四元数原理》。

哈密顿敏锐地感觉到四元数的物理学意义。只可惜,他没能目睹四元数的变革作用便离开了人间。

伟大的麦克斯韦正是在哈密顿四元数理论基础上利用向量分析的工具走出迷茫,得出举世闻名的电磁理论的。

四元数的研究,推动了向量代数的发展。在19世纪,数学家证明了超复数系统,人类思维达到了空前广阔的领域。

直到现在,爱尔兰都柏林玻洛汉姆桥,哈密顿驻足之处,仍立着一块石碑,碑铭记载:“1843年10月16日,威廉·哈密顿经过此桥时,天才地闪现了四元数的乘法,它与实数、复数显著不同。”

谁又知道,驻足缅怀的人中有几人能知科学探索的“灵感闪现”背后是数载的艰辛呢?

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