首先,我们看一道截至18世纪、已经流传了2000多年的著名难题。

题为:仅用尺规作图,可以作出哪些正多边形?在边数为100以内,有多少种正多边形可以仅用尺规作出?

求作圆的内接正多边形是古代尺规作图中的著名难题。

从理论上分析,圆周可任意等分,因此可以作出任何相应的正多边形。但是限制只能使用真尺和圆规,就不一定能任意作出正多边形了。

早在公元前的古希腊时期,亚历山大城的学者帕普斯在《数学汇编》中记载了这样的问题:“蜂房是许许多多的六棱柱,这种设计可以避免杂物,并且使用同样多的原材料,正六边形要比正三角形和正方形都具有更大的面积。”

也就是说,在周长相同的情况下,正六边形比正三角形和正四边形的面积要大。换句话说,用绳子围成的正三角形、正方形、正六边形相比较,应当是后者的面积最大。

由这个问题的研究,人们想到能否把一个圆任意等分,这样就可以顺次连结等分点从而得到一个正多边形。

作正多边形问题就是等分圆周问题。

这就是有名的古希腊四大几何难题。

阿基米德指出,运用尺规作图的方法,可以画出正三边形(正三角形)、正四边形、正五边形和正十五边形,从而可以等分圆周。到底是什么样的几边形不能作出,或者说什么样的几边形能作出呢?

阿基米德证明了尺规作图不能作出正七边形。除非利用曲尺等标刻工具,才能作出正七边形。

之后再也没有进展,人们普遍认为,正的五、六、十、十五边形可以作出,而正的七、十一、十三、十七边形不能作出,所以推测,凡是大于5的质数,正几边形就无法作出。

1796年,一位19岁的德国哥廷根大学生作出了惊人的发现,他作出了正十七边形。他就是后来数学史上三大数学家之一的高斯。

高斯的手稿在大学传开,人们议论纷纷,教授们兴高采烈。

这位19岁的“神童”打破了两千多年的禁区,创造了几何史上的奇迹。

5年之后,高斯给出了等分圆周的一般规律。后来,许多数学家利用这个规律寻找其他正多边形的作法。

1832年,数学家力西罗作出了正257边形,演算过程写了80页纸。

最有趣的是,数学家盖尔美斯花了10年时间作出了正的65537边形,手稿竟然有满满一提箱,也就是说,这么多的步骤才能把圆用尺轨65537等分!这个手稿至今还在哥廷根大学保存着。

高斯于1777年4月30日,出生在德国的布伦瑞克城。他的父亲是一位农民的儿子,是一名喷泉技师,可能担任引水站站长的职务。在做技师时,父亲经常给人家打短工、干杂活,还做过园艺工人。

高斯全名为卡尔·弗里德里希·高斯。父亲管教比较严格,而母亲善良能干。但高斯没有受到父母知识上的启蒙。

高斯的舅舅是高斯的启蒙者,他很爱高斯,常常为高斯讲很多科学现象,但他也没有很高的学历,只是位绸缎工人。

在很小的时候,高斯就表现出过人的数学天赋。据说那是在入学以前,高斯又静静地看着爸爸算账。他就是这样,对数字感兴趣。当大人们算账的时候,他从来都很专注。

这一次,他的父亲算账算得很麻烦,费了半天劲,老高斯得出一个数来。他迟疑着想着开销的收入问题,这时高斯说话了:“爸爸,您这次算得不对。”

什么?老高斯不相信自己的耳朵:“亲爱的儿子,你说是什么呢?”

高斯告诉了爸爸正确的答案。老高斯重新算了一遍,果真是高斯说得对,而这时的高斯还没有上学。

高斯经常自豪而幽默地说:“我还不会说话的时候,先学会算术了!”这是他晚年的回忆。

后来,老高斯索性把家里的账目全都交给了10岁左右的高斯,高斯运算轻松准确。

人们熟知的是高斯求自然数1到100之和的故事。上小学时,高斯的数学老师叫布德勒,他是城里人,特别瞧不起乡下的孩子,对乡下人也抱有很大的偏见。他认为乡下孩子和乡下的人们又穷又笨,不值得一教。

不知怎么回事,这位老师有一天对孩子们生了气,他决定全体惩罚:“你们听好了,从1加到100,把和算出来!如果算不出来的话,就别想回家吃饭,家长来也没有用!”

说完之后,布德勒悠然自得地看起书来。谁知,就在他欣喜地翻开书还没看几眼的时候,高斯站起来了:“老师你看。”

“去!去!去!看什么看,再胡捣乱可不许上课了。”布德勒不耐烦地说。

“老师,这是答案,没有错的。”

布德勒向演算板上一瞟,这下惊讶得他半天说不出话来:“天哪,这是怎么回事?”

只见高斯的方法是:1+100,2+99,3+98,……,50+51。

然后是101×50,为5050。

这就是等差数列的计算方法,这不是他讲过的方法。

老师没有批评高斯,内心受到很大的震动,他对高斯很是器重并且毫不掩饰地说:“高斯比我强。”

布德勒为高斯提供了很多更深入的课本和数学著作,并尽自己的能力指导高斯的学习。

14岁时,高斯在当地已经很有名气了。据说他看书着迷误进了公爵的花园,公爵和夫人发现这个少年竟然钻研如此高深的书,很是器重。就决定出资让高斯学习,他们成了高斯的长期保护人。其实在事实上,高斯是被公爵费尔南迪召见的。以上的传说反映了人们对科学传奇的爱好。

高斯在高中,读的是文科哲学班。后来,在他15岁时,进了卡罗琳学院学习。整整三年间,高斯学习语言学和数学,对牛顿、欧拉、拉格朗日等人有很深的理解。

18岁时,高斯进了著名的哥廷根大学。这时候他很矛盾:语言学与数学,到底学哪一个呢?两个都很爱好,但是大学的分科教学不允许“鱼与熊掌兼得”,而且高深的理论也不一定能同时被一人掌握。

结果,1796年3月30日,高斯公布了正十七边形,就是前文提到的古希腊第四难题。这个问题的初步解决,使高斯选择了数学,从此成为世界级的数学大师。

在他19岁以前,也就是11岁时发现了二项式定理;17岁时提出最小二乘法。他如此年轻就取得突破性的成果,被人们称为“欧洲的数学王子”。

高斯一生谨慎,他的日记也是用自己所能理解的符号记的。也正是因为他后来成为权威,特别顾及自己的地位,所以有很多轰动式的发现和创举他不敢向世人宣布,这种保守使他丧失了非欧几何的创立权。

代数基本定理的第一个严格证明就是高斯发现的。1799年,高斯在哥廷根大学的博士论文证明了:每一个实系数方程至少有一个实根或复根。

代数基本定理在代数乃至整个数学中至今起着基础的作用。

高斯后来又给出第二、第三个证明,到他晚年71岁高龄时,还提出了第四个证明方法。

1807年起,高斯担任了哥廷根大学的数学教授和天文台台长,从此成为哥廷根大学的骄傲。

高斯的研究涉及数论、概率、椭圆函数、复变函数、统计,均作出了大的贡献。由于他在十分成熟的条件下才发表,所以,多数著作以遗稿的形式出版。

在天文学方面,高斯提出了三次观测确定行星轨迹的方法。1801年,意大利天文学家观测到了金牛座一颗星与星图不合,连续西移。由于战争原因,他没能及时通知同行,结果这颗星已经找不着了。高斯根据这位天文学家的观测,计算出了轨道,结果人们发现这是人类发现的第一颗小行星,不到半年,天文学家又发现了第二颗小行星,分别命名为谷神星与智神星。

高斯生前发表了155篇尽善尽美的论文。在二次世界大战前,哥廷根大学整理他的遗作,出版了《高斯全集》。

1855年,高斯去世,终年78岁。他在生前得到了极高的荣誉,家喻户晓,举足轻重。但是他保持着沉默寡言的风格,生活也十分俭朴。人们称他是神童或天才时,高斯淡淡地说:“假若别人和我一样能够做到持续地思考数学真理,他们会作出同样的发现。”

高斯最爱的定理就是正十七边形的研究,因为这使他一生发生了重大选择,从而进入数学殿堂,所以在他的塑像下,底座是正十七边形的台基。而高斯的墓碑上,刻有正十七边形的图案。

人们评价道:“高斯是19世纪科学群峰中最高的一座。”

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