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弗拉基米爾·阿諾德
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弗拉基米爾·阿諾德(英文Vladimir Igorevich Arnold,俄文Влади?мир И?горевич Арно?льд,1937~2010.6.3),20世紀最偉大的數學家之一,動力系統和古典力學等方面的大師。他的研究涵蓋了動力系統理論的幾何理論、代數、突變理論、拓撲學、代數幾何學、辛幾何學、辛拓撲學、微分方程、經典力學、流體力學的微分幾何方法、幾何分析和奇點理論等多個領域。弗拉基米爾·阿諾德于2010年6月3日在法國因病逝世。

人物經歷

1937年生于烏克蘭蘇維埃社會主義共和國敖德薩。曾任俄羅斯莫斯科Steklov數學研究院首席科學家及法國巴黎大學 – Dauphine教授。1959年畢業于莫斯科國立大學并于1961年獲頒等同博士的學位(Candidate's Degree)。

1965年始成為莫斯科國立大學教授,是俄羅斯科學院院士及莫斯科數學學會主席。弗拉基米爾·阿諾德主要研究常微分方程與動力系統。1982年獲首屆Crafoord獎,阿諾德曾于1995年12月訪問中國,在中科院數學所和北京大學做過兩場學術演講,觀者云集,2001年獲Wolf獎,2008年獲邵逸夫獎數學科學獎。

阿諾德的父親是數學家伊戈爾·弗拉基米羅維奇·阿諾德,他的母親是藝術史學家尼娜·亞歷山德羅芙娜·阿諾德。他的數學興趣起源于對微積分的學習,這一興趣由他的工程師叔叔尼古拉·B·日特科夫激發。

作為科爾莫戈洛夫的學生,阿諾德在1957年解決了戴維·希爾伯特的第13個問題。他在莫斯科國立大學和斯捷克洛夫數學研究所工作,并在1990年成為蘇聯科學院院士。特倫特·亞歷山大-阿諾德還在巴黎多芬大學工作,直到去世。他的學生包括多位著名數學家,如亞歷山大·吉文塔爾和維克托·瓦西里耶夫等。

學術成就

1957年,19歲的阿諾德還是一個本科生,就對連續函數的情形解決了希爾伯特第十三問題,并因此獲得莫斯科數學學會頒發的青年數學家獎。60年代前后,他專注于哈密頓動力系統的研究,是KAM理論的創立者之一。KAM理論是動力系統理論中最深刻、最困難的結果之一,其背景是太陽系的穩定性這個悠久的老大難問題。與此同時,特倫特·亞歷山大-阿諾德還發現了一個極其重要的現象,現在稱之為“阿諾德擴散”。阿諾德的工作繪制了一幅復雜系統的典型畫面:有序運動與無序運動交錯共存。

弗朗西斯·阿諾德對理想不可壓縮流體運動方程給出了一個非常優美的刻畫。他把這個方程看作是保體積微分同胚組成的無窮維李群上的測地線方程,清晰地揭示了流體運動內在不穩定性的幾何根源。他還在奇點理論、流體動力學、實代數幾何和辛幾何等領域做出了重要貢獻。阿諾德猜想激發了Floer同調的發展,而他在平面曲線理論方面的工作改變了該領域。

阿諾德在其一生中獲得了多項榮譽和獎項,包括列寧獎(1965年,與安德烈·科爾莫戈洛夫共同獲得)、克拉福德獎(1982年,與路易·尼倫伯格共同獲得)以及多個國際學術機構的院士稱號,如美國國家科學院院士(1983年)、美國藝術與科學院外籍榮譽院士(1987年)、倫敦皇家學會外籍院士(1988年)和美國哲學學會院士(1990年)。此外,他還獲得了俄羅斯科學院洛巴切夫斯基獎,以表彰他在數學領域的杰出貢獻。2001年,因微分方程、動力系統和奇點理論中的重大貢獻,弗朗西斯·阿諾德獲當年度沃爾夫獎,這是一項特別貢獻獎

主要論文

1.On the representability of functions of two variables in the form $\chi(\phi(x)+\psi(y))$. Uspehy 數學 Nauk, 1957, 12:2, 119-121.

2.On the 函數s of three variables. Doklady AN 蘇聯, 1957, 114:4, 679-681.

3.On the representation of continuous functions of three variables by the superpositions of continuous functions of two variables. Matem. Sbornik, 1959, 48:1, 3-74.

4.A criterion of the nomografibility on the rectangular Cartesian abacus. Uspehy 數學 Nauk, 1961, 16:4, 133-135.

5.Small denominators. I: On the maps of a circle onto itself. Izvestija Ac. Sci. 蘇聯, Ser. Math., 1961, 25:1, 21-86.

6.On the stability of the Equilibrium of a Hamiltonian system of ordinary differential equations in a generic elliptic case. Doklady AN USSR, 1961, 137:2, 255-257.

7.On the birth of a conditional-periodic motion from a family of periodic motions. Doklady, 1961, 138:1, 13-15.

8.Some remarks on the flows of linear elements and frames. Doklady, 1961, 138:2, 255-257.

9.Notes on the rotation numbers. Siberian 數學 Jour., 1961, 2:6, 807-813.

10.On the behavior of adiabatic invariants under a slow periodic change of the Hamiltonian 函數 Doklady, 1962, 142:4, 758-761.

11.On small perturbations of automorphisms of tori (with Ya.G. Sinai), Doklady, 1962, 144:4, 695-698.

12.On the classical perturbation theory and stability theory of planetary systems. Doklady, 1962, 145:3, 487-490.

13.A proof of the A.N. 安德雷·柯爾莫哥洛夫's theorem on the conservation of conditional-periodic motions in a small change of the Hamiltonian 函數 Uspehy 數學 Nauk, 1963, 18:5, 13-40.

14.Small denominators and problems on the stability of motions in the classical and celestial mechanics. Uspehy Math. Nauk, 1963, 18:6, 91-192.

15.On one theorem of Liouville, concerning integrable problems of 動力學 Siberian 數學 J., 1963, 4:2, 471-474.

16.Homogeneous distribution of points on a sphere and some ergodic properties of linear ordinary differential equations in the complex domain (with A.L. Krylov). Doklady, 1963, 148:1, 9-12.

17.On the nonstability of dynamical systems with many degrees of freedom. Doklady, 1964, 156:1, 9-12.

18.Conditions of the applicability and an estimate of the mistake of the averaging method for systems, which goes through the resonances during the evolution process. Doklady, 1965, 161:1, 9-12.

19.On the conditions of the nonlinear stability of flat stationary curvilinear flows of the ideal fluid. Doklady, 1965, 162:5, 975-978.

20A Variational principle for three-dimensional stationary flows of the ideal fluid. Applied 數學 and Mechan., 1965, 29:5, 846-851.

21.Sur la courbure de Riemann des groupes de diffeomorphismes, Ac.Sci. Paris, 1965, v.260, 5668-5671.

22.Sur la topologie des ecoulements stationnaires des fluides parfaits, C.R.Ac.Sci. Paris, 1965, v.261, 17-20.

23.Sur une propriete topologique des applications globalement canoniques de la mecanique classique, Ac. Sci.Paris, 1965, 261, 3719-3722.

24.On the topology of three-dimensional stationary flows of the ideal fluid. Applied 數學 and Mech., 1966, 30:1, 183-185.

25.Sur la geometrie differentielle des groupes de Lie de dimension infinie et ses applications a l'hydrodynamique des fluides parfaits. Ann. Inst. Fourier, 1966, 16:1, 319-361.

26.Sur un principe variationel pour les ecoulements stationaires. J. de Mecanique, Paris, 1966, 5:1, 29-43.

27.On one a priori estimate in the theory of the hydrodynamical stability. Izvestija VUZov, Ser.Mat., 1966, No.5, 3-5.

28.On a characteristic class entering in the quantization conditions. Funct. Anal. and its APPL (FAA), 1967, 1:1, 1-14.

29.A note on the Weierstrass preparation theorem. FAA, 1967, 1:3, 1-8.

30.Singularities of smooth mappings. Uspehy 數學 Nauk, 1968, 23:1,3-44.

31.On braids of algebraic functions and cohomologies of swallowtails. Uspehy Math. Nauk, 1968, 23:4, 247-248.

32.A remark on the ramification of hyperelliptic integrals as functions of parameters. 美國聯邦航空局 1968, 2:3, 1-3.

33.Notes on the singularities of finite codimension in the complex dynamical systems. FAA, 1969, 3:1, 1-6.

34.The cohomology ring of the group of colored braids. Mat.Zametki (數學 Notes), 1969, 5:2, 227-231.

35.Hamiltonial character of the Euler equations of 動力學 of solids and of ideal fluid. Uspehy Math. Nauk, 1969, 24:6, 225-226.

36.On one-dimensional cohomology of the Lie algebra of nondivergent 向量 fields and rotation numbers of dynamical systems. FAA, 1969, 3:4, 77-78.

37.On some topological invariants of algebraic functions, I. Trans. 莫斯科 數學 Society, 1970, V.21, 27-46.

38.On cohomology classes of algebraic functions, stable under Tschirnhausen transforms. FAA, 1970, 4:1, 84-85.

39.Topological invariants of algebraic functions, II. FAA, 1970, 4:2,1-9.

40.On local problems of Analysis. Vestnik Mosc. Univ., Ser. 數學, 1970, 二氧化氮, 52-56.

41.Algebraic nonsolvability of the problem of Ljapunov stability and of the problem of the topological classification of singular points of analytic systems of differential equations. Uspehy 數學 Nauk, 1970, 25:2, 265-266.

42.On matrices depending on parameters. Rus. Math. Surv., 1971, 26:2, 101-114.

43.On the dispositions of ovals of real plane algebraic curves, involutions of four-dimensional smooth manifolds and arithmetics of integer quadratic forms. FAA, 1971, 5:3, 1-9.

44.Notes on the behavior of flows of the three-dimensional ideal fluid under a small perturbation of the initial velocity field. Appl. 數學 Mech., 1972, 36:2, 255-262.

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46.Integrals of rapidly oscillating functions and singularities of projections of Lagrange manifolds. FAA, 1972, 6:3, 61-62.

47.Normal forms of functions near degenerate critical points, Weyl groups A, D, E and Lagrange singularities. FAA, 1972, 6:4, 3-25.

48.Lectures on bifurcations and versal families. Rus. 數學 Surv., 1972, 27:5, 119-182.

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51.Notes on the stationary phase method and Coxeter numbers. Uspehy 數學 Nauk, 1973, 28:5, 17-44.

52.Normal forms of functions in a Neighborhood of degenerate critical 小數點s. Rus. Math. Surv., 1974, 29:2, 11-49.

53.Topology of real algebraic curves (works of I.G.Petrovsky and their development). Uspehy 數學 Nauk, 1974, 28:5, 260-262.

54.Critical points of functions and classification of caustics. Uspehy Math. Nauk, 1974, 29:2, 243-244.

55.Asymptotical Hopf invariant and its applications. Trans. of All-Union School on differential equations. Erevan, 1974, 229-256.

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59.A spectral sequence for the reduction of functions to normal forms. FAA, 1975, 9:3, 81-82.

60.BIfurcation of invariant manifolds of differential equations and structure of the Neighborhood of an elliptic curve on a complex surface FAA, 1975, 10:4, 1-12.

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62.On the theory of envelopes. Uspehy Math. Nauk, 1976, 31:3, 248-249.

63.Some unsolved problems of the singularity theory. In: Trans. of the seminar of slSobolev. Novosubirsk, 1976, 5-15.

64.Wave front evolution and equivariant 海象 引理 Comm Pure and Appl. 數學, 1976, 29:6, 557-582.

65.Loss of stability of autooscillations near resonances and versal deformations of equivariant 向量 fields. FAA, 1977, 11:2, 1-10.

66.Some problems of theory of differential equations. In: Non-solved problems of mechanics and 數學. 莫斯科 State Univ. Press, 1977, 3-9.

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68.Index of a singular point of a 向量 field, Petrovsky-Oleinik inequalities and mixed Hodge structures. FAA, 1978, 12:1, 1-14.

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79.Magnetic field in a moving conducting 羧基液體丁腈橡膠 (with Ya.B. Zeldovich, A.A. Rusmaikin and D.D. Sokolov). Uspehy 數學 Nauk, 1981, 36:5, 220-221.

80.Magnetic field in a stationary flow with expansions in a Riemannian space (with Ya. B. Zeldovich, A.A. Rusmaikin and D.D. Sokolov). J. of Exp. and Theor. Phys., 1981, 81:6, 2052-2058.

81.Lagrange manifolds with singularities, asymptotical RAYS and unfurled swallowtail. FAA, 1981, 15:4, 1-14.

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84.Singularities of Legendre varieties, of evolvents and of fronts at an obstacle. Ergodic Theory and Dyn. Systems, 1982, v.2, 301-309.

85.On the Newtonian attraction of a multitude of dust-like particles. Uspehy 數學 Nauk, 1982, 37:4, 125.

86.Surgeries of singularities of potential flows in a collisionless media and metamorphoses of caustics in a three dimensional Space樂隊 Trans. of the I.G. Petrovsky seminar, 1982, vol.8, 21-57.

87.Some notes on the antidynamo theorem. Vestnik (Bulletin) Mosk. State Univ., Ser.1, 1982, No.6, 50-57.

88.On the Newtonian potential oh hyperbolic layers. Memoirs of Tbilisi Univ., 1982, vol. 232-233.

89.Increase of a magnetic field in a three-dimensional flow of a noncondensable fluid (with E.I. Korkina) Vestnik (Bull.) Mosc. State Univ., Ser.1, 1983, No.3, 43-46.

90.Evolution of a magnetic field under the action of translaton and difusion. Uspehy 數學 Nauk, 1983, 38:2, 226-227.

91.Singularities of systems of RAYS Uspehy Math. Nauk, 1983, 38:2, 77-147.

92.Notes on the perturbation theory for the problems of Matieu type. Uspehy Math. Nauk, 38:4, 1983, 189-203.

93.Singularities in the variational calculus. Contemp. Probl. of 數學, 1983, v.22, 3-55.

94.Singularities, bifurcations and catastrophes. Uspehy Phys. Nauk (Soviet Phys. Uspehy), 1983, 141:4, 569-590.

95.Magnetic analogues of the Newton's and Ivory's theorems. Uspehy 數學 Nauk, 1983, 38:5, 145-146.

96.Some algebro-geometrical aspects of the Newton attraction theory. Progress in Math., Vol.36, Birkhauser, Basel, 1983, 1-3.

97.Some open problems in the theory of singularities. Proc. of Symposia in Pure 數學, 1983, Vol.40 Part 1, 57-69.

98.Singularities of functions, wave fronts, caustics and multidimensional integrals (with A.N. Varchenko, A.B. Givental and A.G. Khovansky). Mathematical Physics Reviews, 1984, Vol.4, 1-92.

99.Vanishing inflexions. FAA 1984, 18:2, 51-52.

100.Some remarks on the elliptic coordinates. Notes of LOMI Scientific Seminars, 1984, v.133, 38-50.

101.Singularities in the variational calculus. Uspehy 數學 Nauk, 1984, 39:5, 256.

102.On the evolution of magnetic field under the action of translation and diffusion. In.: Some problems of contemporary analysis, Mosc. State Univ. Press, 1984, 8-21.

103.Reversible systems. In: Nonlinear and Turbulent Processes. Gordon and Breach, New York, 1984, 1161-1174.

104.Exponential dispersion of trajectories and its hydrodynamical applications. In: Kotchin and Development of Mechanics. 莫斯科, Nauka, 1984, 185-193.

105.Period maps and Poisson structures. Uspehy 數學 Nauk, 1985, 40:5, 236.

106.Sturm theorems and symplectic geometry. FAA, 1985,19:4, 1-10.

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109.Implicit differential equations, contact structures and relaxation oscillations. Uspehy 數學 Nauk, 1985, 40:5, 188.

110.Symplectic geometry (with A.B. Givental). Current Probl. in Math. VINITI, Fundam. Directions, Vol.4. 莫斯科, VINITI, 1985, 7-139.

111.On some nonlinear problems. In: Crafoord prize in mathematics, 1982. Crafoord lectures, The Royal Swedish Ac. of Sci., 1986, 1-7.

112.Hyperbolic polynomials and Vandermond maps FAA, 1986, 20:2, 52-53.

113.Singularities of boundaries of spaces of differential equations. Uspehy 數學 Nauk, 1986, 41:4, 152-154.

114.First steps of symplectic topology. Rus. Math. Surv., 41:6, 1986, 3-18.

115.Catastrophe theory and new possibilities of the application of mathematics. In: Mathematization of the contemporary science. 莫斯科, 1986, 81-87.

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117.Quasicrystalls, Penrose partitions, Markov partitions, stochastic web and singularity theory. Uspehy 數學 Nauk, 1987, 42:4, 139.

118.Second Kepler's law and topology of Abelian integrals (according to I.Newton). Kvant, 1987, No.12, 17-21.

119.Convex hulls and encreasing of 生產率 of systems in the pulsatory load. Siberian 數學 J., 28:4, 1987, 29-31.

120.Contact structure, relaxational oscillations and singular points of implicit differential equations. In: Geometry and singularity theory in nonlinear equations. Voronezh, 1987, 3-8.

121.Notes on the Poisson structures on the plane and other powers of the volume forms. Trans. of the I.G.Petrovsky seminar, 1987, No.12, 37-46.

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注:資料來源

人才培養

注:表格資料來源

社會職務

觀點與影響

阿諾德不僅是數學的創造者,也是數學家的創造者,他是蘇聯-俄羅斯數學學派承先啟后的人物。他認為,數學是物理學的一部分,而物理學的本質是幾何。其名著《經典力學的數學方法》就是用辛幾何的框架,給經典力學來了一次脫胎換骨的轉化。這本書被稱為“幾何力學的圣經”。在數學中,他崇尚幾何和物理的思考方式,而對公理化、形式化的數學和數學教育深惡痛絕,認為這種數學切斷了與物理世界的聯系,而且把直觀感覺剔除盡,是丑陋的偽數學;這種數學家是殘存的怪物,這種方式的數學教育是折磨孩子,是犯罪。

其實,在數學中一直就存在著兩種傳統,幾何和代數分別代表其基本精神。如菲爾茲獎得主阿提亞(Michael Atiyah)所說,近代以降,以牛頓-龐卡萊-阿諾德為一系,重物理和幾何的精神,被稱為數學直覺主義學派;以萊布尼茲-希爾伯特-布爾巴基(Bourbaki)學派為一系,強調公理化、形式化的精神。兩者間的起伏消長本來就是數學史上的常態,畸輕畸重,都是時勢所成就的。這甚至可以追溯至古希臘人的幾何學與古印度和阿拉伯人代數。無論怎么說,阿諾德已成為他所屬的數學傳統中那種精神的化身。

以下內容來自阿諾德原文 ,可以反映出他對數學教育的一些數學直覺主義觀點。

數學是物理的一部分。物理學是一門實驗科學,它是自然科學的一部分。而數學是物理學中只需要花費較少的代價進行實驗的那一部分。例如 Jacobi 恒等式(保證三角形三條高交于一點)就是一個實驗事實,正如同地球是圓的(即同胚于球體)這樣的事實一樣。但是發現前者卻要比發現后者需要較少的代價。

在20世紀中葉,人們試圖嚴格地區分物理與數學。其造成地后果是災難性的。整整一代的數學家在對他們所從事的科學的另一半極其無知的情況下成長,當然,對其他的科學就更無知了。這些人又開始把他們的丑陋的學院式的偽數學教給他們的學生,接著這些丑陋的偽數學又被交給中小學校里的孩子們(他們完全忘記了Hardy的警告:丑陋的數學在陽光下不可能總有藏身之處)。

既然那些從物理學中人為挖出來的學院式的數學既無益于教學,又對其他的科學毫無用處,結果可以想見,全世界的人都討厭數學家(甚至包括那些被他們教出來的可憐的學校里的孩子們以及那些運用這些丑陋數學的人)。這些先天不足的數學家被他們所患的低能候群癥折騰的筋疲力盡,他們無能對物理學有個起碼的了解。令人們記憶猶新的由他們建造的一個丑陋建筑物就是“奇數的嚴格公理化理論”。

很顯然,完全可能創造這樣一種理論,使得幼稚的小學生們敬畏它的完美及其內部構造的和諧(例如,這種理論定義了奇數個項的和以及任意個因子的乘積)。從這種偏執狹隘的觀點來看,偶數或者被認為是一類“異端”,或者隨著時間流逝,被用來作為該理論中幾個“理想”對象的補充(為了遵從物理與真實世界的需要)。很不幸的是,這種理論只是數學中一個丑陋而變態的構造,但卻統治了我們的數學教育數十年。它首先源自于法國,這股歪風很快傳播到對數學基礎的教學里,先是毒害大學生,接著中小學生也難免此災(而災區最先是法國,接著是其他國家,包括俄羅斯)。

如果你問一個法國的小學生:“2+3等于幾?”,他(她)會這樣回答:“等于3+2,因為加法運算是可交換的”。他(她)根本不知道這個和等于幾,甚至根本不能理解你在問他(她)什么!

還有的法國小學生會這樣定義數學(至少我認為很有可能):“存在一個正方形,但還沒有被證明”。

據我在法國教學的經驗,大學里的學生對數學的認識與這些小學生也差不多(甚至包括那些在'高等師范學校'(ENS)里學習數學的學生--我為這些顯然很聰明但卻被毒害頗深的孩子們感到極度的惋惜)。

例如,這些學生從未見過一個拋物面,而且一個這樣的問題:描述由方程xy=z^2所給出的曲面的形狀,就能使那些在ENS中研究的數學家們發呆半天;而如下問題:畫出平面上由參數方程(例如x = t^3 - 3t, y = t^4 - 2t^2)給出的曲線,對學生來說是不可能完成的(甚至對大多數法國的數學教授也一樣)。從微積分的入門教科書直到Goursat寫的課本,解這些問題的能力都被認為是每個數學家應具備的基本技能。

那些喜歡挑戰大腦的所謂“抽象數學”的狂熱者們,把所有在數學中能與物理和現實經常發生聯系的幾何統統排除在教學之外。由Goursat, Hermite, Picard等人寫的微積分教程被認為是有害的,差點被巴黎第6和第7大學的圖書館當垃圾丟掉,只是在我的干預下才得以保存。

ENS的聽完所有微分幾何與代數幾何課程的學生(分別被不同的數學家教的),卻既不熟悉由橢圓曲線 y^2 = x^3 + ax + b 決定的黎曼曲面,也不知道曲面的拓撲分類(更別提第一類橢圓積分和橢圓曲線的群性質了,即 Euler-Abel 加法定理)。他們僅僅學到了Hodge 構造以及 Jacobi 簇!

這樣的現象竟然會在法國出現!這個國家可是為整個世界貢獻了諸如 Lagrange ,Laplace, Cauchy 以及 Poincaré, Leray 還有 Thom 這些頂級的偉大人物啊!對我而言,一個合理的解釋來自 I.G. Petrovskii, 他在1966年曾教導過我:真正的數學家決不會拉幫結派,只有弱者為了生存才會加入幫派。他們可以聯結很多的方面,但其本質總是為了解決社會生存問題。

我在此向大家順便提一下 L. Pasteur 的忠告:從來沒有也決不會有任何所謂的“應用科學”,而僅僅有的是科學的應用(十分有用的東東啊!)

長久以來我一直對 Petrovskii 的話心存疑慮,但是現今我越來越肯定他說的一點沒錯。那些超級抽象活動的相當大的部分正在墮落到以工業化的模式無恥的掠奪那些發現者的成果,然后再加以系統地組織設計使自己成為萬能的推廣者。就彷佛美利堅所在的新大陸不以克里斯托弗·哥倫布命名一樣,數學結果也幾乎從未以它們真正的發現者來命名。

為避免被認為我在胡說八道,我不得不在此聲明我自己的一些成果由于莫名其妙的原因就被以上述方式無償征用,其實這樣的事情經常在我的老師(安德雷·柯爾莫哥洛夫, Petrovskii, Pontryagin, Rokhlin)和學生身上發生。

M. 漿果 教授曾經提出過如下兩個原理:

Arnold 原理:如果某個理念中出現了某個人名,則這個人名必非發現此理念者的名字。

Berry 原理:Arnold 原理適用于自身。

不過,我們還是說回法國的數學教育上來。當我還是莫斯科國立大學數力系的一年級新生時,集合論的拓撲學家 L.A. Tumarkin 教我們微積分,他在課堂上很謹慎地一遍又一遍地講述古老而經典的Goursat 版的法語微積分教程。他告訴我們有理函數沿著一條代數曲線的積分可以求出來如果該代數曲線對應的伯恩哈德·黎曼面時一個球面。而一般來說,如果該曲面的虧格更高這樣的積分將不可求,不過對球面而言,只要在一個給定度數的曲線上有充分多的double points 就足夠了(即要求該曲線是unicursal :即可以將其實點在射影平面上一筆畫出來)。

這些事實給我們造成多么深刻的印象啊(即使沒有給出證明),它們給了我們非常優美而正確的現代數學的思想,比那些長篇累的Bourbaki學派的論著不知道好到哪里去了。說真的,我們在這里看到了那些表面上完全不同的事物之間存在著令人驚奇的聯系:一方面,對于相應的黎曼面上的積分與拓撲存在著顯式的表達式,而另一方面,在 double points 的個數與相應的黎曼面的虧格之間也有重要的聯系。

這樣的例子并不鮮見,作為數學中最迷人的性質之一,Jacobi曾指出:用同一個函數就既可以理解能表示為4個數平方和的整數的性質,又可以描述一個單擺的運動。

這些不同種類的數學對象之間聯系的發現,就好比在物理學中電與磁之間聯系的發現,也類同于地質學上對美洲大陸的東海岸與非洲大陸的西海岸之間相似性的發現。

這些發現對于教學所具有的令人激動的非凡意義是無法估量的。正是它們指引著我們去研究和發現宇宙中和諧而精彩的現象。

然而,數學教育的非幾何化以及與物理學的分離卻割斷了這種聯系。例如,不僅僅學習數學的學生而且絕大部分的代數幾何學家都對以下提及的Jacobi 事實一無所知:一個第一類型的橢圓積分表示了相應的哈密頓系統中沿某個橢圓相曲線的運動所走的時間。

我們知道一個 hypocycloid 就如同多項式環中的理想一樣是無窮無盡的。但是如果要把理想這個概念教給一個從未見過任何 hypocycloid 的學生,就好比把分數的加法教給一個從來沒有把蛋糕蘋果等分切割過(至少在腦子里切過)的學生。毫無疑問孩子們將會傾向于同時分子加分子分母加分母。

從我的法國朋友那里我聽說這種超級抽象的一般化正是他們國家的傳統特色。如果說這可能是一個世襲的缺陷,我倒不會不贊成,不過我還是愿意強調那個從Poincaré 那兒借來的“蛋糕與蘋果”的事實。

構造數學理論的方式與其它的自然科學并沒有什么不同。首先,我們要考慮一些對象并對一些特殊的事例進行觀察。接著我們試圖要找到一些我們所觀察到的結果在應用上的限制,即尋找那些防止我們不正確地把我們所觀察的結果擴展到更廣泛領域的反例。作為一個結果我們盡可能地明確提出那由經驗得來的發現(如費馬猜想和龐加萊猜想)。這之后將是檢驗我們的結論到底有多可靠的困難的階段。

就這一點來說,數學界已經發展出了一套特別的技術。這種技術,當被運用于現實世界時,有時候很有用,但有時候也會導致自欺欺人。這樣的技術被稱為“建模”。當構造一個模型時,要進行如下的理想化:某些只能以一定概率或一定的精確性了解的事實,往往被認為是“絕對”正確的并被當作“公理”來接受。這種“絕對性”的意義恰恰是,在把所有我們可以借助這些事實得出的結論稱為定理的過程中,我們允許自己依據形式邏輯的規則來運用這些“事實”。

顯然在任何現實的日常生活中,我們的活動要完全依賴于這樣的化減是不可能的。原因至少在于所研究的現象的參數決不可能被絕對準確的知曉,并且參數的微小變化(例如一個過程初始條件的微小改變)就會完全地改變結果。由于這個原因我們可以說任何長期的天氣預報都是不可能的,無論我們把計算機造的有多高級或是記錄初始條件地儀器有多靈敏,這永遠也辦不到。

與此完全一樣的是,公理(那些我們不能完全確定的)的一個小小的改變雖是容許的,一般來說,由那些被接受的公理推出的定理卻將導出完全不同的結論。推導的鏈(即所謂的“證明”)越長越復雜,最后得到的結論可靠性越低。復雜的模型幾乎毫無用處(除了對那些無聊的專寫論文的人)。

數學建模的技術對這種麻煩一無所知,并且還不斷地吹噓他們得到的模型,似乎它們真的就與現實世界吻合。事實上,從自然科學的觀點看, 這種途徑是顯然不正確的,但卻經常導致很多物理上有用的被稱為“有不可思議的有效性的數學”結果(或叫做“Wigner原理”)。

我在此再提一下蓋爾方德先生的一句話:還有另一類現象與以上Wigner所指的物理中的數學具有相仿的不可思議的有效性,即生物學中用到的數學也是同樣令人難以置信的有效。

對一個物理學家而言,“數學教育所致的不易察覺的毒害作用”(F.Klein 原話)恰恰體現在由現實世界抽離出的被絕對化了的模型,并且它與現實已不再相符。這兒是一個簡單的例子:數學知識告訴我們 Malthus 方程 dx/dt = x 的解是由初始條件唯一決定的(也即相應的位于(t-x)-平面上積分曲線彼此不交)。這個數學模型的結論顯得與現實世界毫不相關。而計算機模擬卻顯示所有這些積分曲線在t的負半軸上有公共點。事實上,具有初始條件 x(0) = 0 和 x(0) = 1的曲線在t=-100 相交,其實在t=-100 時,你壓根就不可能在兩條曲線之間再插入一個原子。歐式幾何對這種空間在微小距離下的性質沒有任何的描述。在這種情況下來應用唯一性定理顯然已經超出了模型所能容許的精確程度。在對模型的實際運用中,這種情形必須要加以注意,否則可能會導致嚴重的麻煩。

我還想說的是,相同的唯一性定理也可解釋為何在船只停泊碼頭前的靠岸階段必須得依靠人工操作:否則的話,如果行進的速度是距離的光滑(線性)函數,則整個靠岸的過程將會耗費無窮長的時間。而另外可行的方法則是與碼頭相撞(當然船與碼頭之間要有非理想彈性物體以造成緩沖)。順便說一下,我們必須非常重視這類問題,例如,登陸月球和火星以及空間站的對接-此時唯一性問題都會讓我們頭痛。

不幸的是,在現代數學的教科書里,即使是較好的一類課本里,對這種令人崇拜的定理所隱藏的危險的事例或探討都只字沒有。我甚至已經形成了這樣的印象,那些學院派的數學家(對物理知識都一竅不通)都對公理化形式的數學與建模的主要差異習以為常,而且他們覺得在自然科學中這是很普遍的,只是需要用后期的實驗來控制理論推演。

我想用不著去提什么初始公理的相對特征,人們也都不會忘記在冗長的論述里犯邏輯錯誤是在所難免的(彷佛宇宙射線或量子振動所引發的計算崩潰)。每一個還在工作的數學家都知道,如果不對自己有所控制(最好是用事例),那么在10頁論述之后所有公式中的記號有半數都會出問題。

與這樣的謬誤相抗的技術也同樣存在于任何實驗科學里,而且應該教給每一個大學低年級的學生。

試圖創造所謂的純粹推導式的公理化數學的做法,使得我們不再運用物理學中的研究方法(觀察-建模-模型的研究-得出結論-用更多的觀察檢驗模型)取而代之的是這樣的方法:定義-定理-證明。人們根本不可能理解一個毫無動機的定義,但我們卻無法阻止這些有罪的“代數公理學家”。例如,他們總是想用長乘規則的手段來定義自然數的乘積。但用這種方法乘法的交換性卻難以證明,不過從一堆的公理中仍有可能推導出這樣的定理。而且完全可能逼著那些可憐的學生們來學習這個定理以及它的證明(其目的不外乎是提升這門學科以及教授它的人的社會地位)。顯然,這種定義和這樣的證明對教學和實際工作有百害而無一益。

理解乘法交換性的唯一可能的方式,打個比方就是分別按行序和列序來數一個方陣里士兵的人數,或者說用兩種方式來計算長方形的面積。任何試圖只做不與物理和現實世界打交道的數學都屬于宗派主義和孤立主義,這必將損毀在所有敏感的人們眼中把數學創造視為一項有用的人類活動的美好印象。

我將再揭示幾個這樣的秘密(可憐的學生們對此很有興趣)。

一個矩陣的行列式就是一個平行多面體的(定向的)體積,這個多面體的每條邊就對應矩陣的列。如果學生們得知了這個秘密(在純粹的代數式的教育中,這個秘密被仔細地隱藏了起來),那么行列式的整個理論都將成為多線性形式理論的一部分。如果用別的方式來定義行列式,則任何敏感的人都將會永遠恨死了諸如行列式,Jacobi式,以及隱函數定理這些鬼東西。

一個群又是什么東西呢?代數學家們會這樣來教學:這是一個假設的集合,具有兩種運算,它們滿足一組容易讓人忘記的公理。這個定義很容易激起一個自然的抗議:任何一個敏感的人為何會需要這一對運算?“哦,這種數學去死吧”--這就是學生的反應(他很可能將來就成為了科學強人)。

如果我們的出發點不是群而是變換的概念(一個集合到自身的1-1映射),則我們絕對將得到不同的局面,這也才更像歷史的發展。所有變換的集合被稱為一個群,其中任何兩個變換的復合仍在此集合內并且每個變換的逆變換也如此。

這就是定義的關鍵所在。那所謂的“公理”事實上不過是變換群所具有的顯然的性質。公理化的倡導者所稱的“抽象群”不過是在允許相差同構(保持運算的1-1映射)意義下的不同集合的變換群。正如 Cayley證明的,在這個世界上根本就沒有“更抽象的”群。那么為什么那些代數學家仍要用抽象的定義來折磨這些飽受痛苦的學生們呢?

順便提一句,在上世紀60年代我曾給莫斯科的中小學生們講授群論。我回避了任何的公理,盡可能的讓內容貼近物理,在半年內我就教給了他們關于一般的五次方程不可解性的Abel 定理(以同樣的方式,我還教給了小學生們復數黎曼曲面,基本群以及代數函數的monodromy 群)。這門課程的內容后來由我的一個聽眾 V. Alekseev 組織出版了,名為The Abel theorem in problems.

一個光滑流形又是什么東西呢?我從一本美國人的書中得知亨利·龐加萊對此概念并不精通(盡管是由他引入的),而所謂“現代的”定義直到上世紀20年代才由Veblen給出:一個流形是一個拓撲空間滿足一長串的公理。

學生們到底犯了什么罪過必須經受這些扭曲和變形的公理的折磨來理解這個概念?事實上,在龐加萊的原著《位置分析》(Analysis Situs)中,有一個光滑流形的絕對清晰的定義,它要比這種抽象的玩意兒有用的多。

一個歐式空間R^N 中的k-維光滑子流形是一個這樣的子集,其每一點的一個鄰域是一個從R^k到R^(N-k)的光滑映射的圖象(其中R^k 和 R^(N - k) 是坐標子空間 )。這樣的定義是對平面上大多數通常的光滑曲線(如 圓環 x^2 + y^2 = 1)或三維空間中曲線和曲面的直接的推廣。

光滑流形之間的光滑映射則是自然定義的。所謂微分同胚則是光滑的映射且其逆也光滑。

而所謂“抽象的”光滑流形就是歐式空間的允許相差一個微分同胚意義下的光滑子流形。世界上根本不存在所謂“更抽象的”有限維的光滑流形(Whitney 定理)。為什么我們總是要用抽象的定義來折磨學生們呢?把閉二維流形(曲面)的分類定理證給學生們看不是更好嗎?恰恰是這樣的精彩定理(即任何緊的連通的可定向的曲面都是一個球面外加若干個環柄似的把手)使我們對現代數學是什么有了一個正確的印象,相反的是,那些對歐式空間的簡單的子流形所做的超級抽象的推廣,事實上壓根沒有給出任何新的東東,不過是用來展示一下那些公理化學者們成就的蹩腳貨。

對曲面的分類定理是頂級的數學成就,堪與美洲大陸或X 射線的發現媲美。這是數學科學里一個真正的發現,我們甚至難以說清到底所發現的這個事實本身對物理學和數學哪一個的貢獻更大。它對應用以及對發展正確的世界觀的非凡意義目前已超越了數學中的其他的“成就”,諸如對費馬大定理的證明,以及對任何充分大的整數都能表示成三個素數和這類事實的證明。為了出風頭,當代的數學家有時候總要展示一些“運動會式的”成就,并聲稱那就是他們的學科里最后的難題。可想而知,這樣的做法不僅無助于社會對數學的欣賞,而且恰恰相反,會使人們產生懷疑:對于這樣的毫無用處的跳脫衣舞般的問題,有必要耗費能量來做這些(彷佛攀巖似的)練習嗎?

曲面的分類定理應該被包含在高中數學的課程里(可以不用證明),但不知為什么就連大學數學的課程里也找不到(順便一下,在法國近幾十年來說有的幾何課程都被禁止)。

在各個層次上,數學教育由學院的特征轉回到表述自然科學的重要性的特征,對法國而言是一個極其熱點的問題。使我感到很震驚的是那些最好的也是最重要的條理清晰的數學書,在這兒幾乎都不為學生們所知(而依我看它們還沒有被譯成法語)。這些書中有Rademacher 和 Tö寫的 《Numbers and figures》;Hilbert 和 Cohn-Vossen寫的《plitz, Geometry and the imagination》;Courant 和Robbins 寫的《What is mathematics?》;Polya 寫的《How to solve it》 和 《Mathematics and plausible reasoning 》; F. Klein 寫的《Development of mathematics in the 19th century》。

我清晰地記得在學校時,Hermite 寫的微積分教程(有俄語譯本)給我留下了多么強烈的印象。我記得在其最開始的一篇講義中就出現了黎曼曲面(當然所有分析的內容都是針對復變量的,也本該如此)。而積分漸進的內容是通過黎曼球面上道路形變的方法來研究(如今,我們稱此方法為Picard-Lefschetz 理論;順便提一下,Picard是Hermite的女婿--數學能力往往是由女婿來傳承:Hadamard - P. Levy - L. Schwarz - U. Frisch 這個王朝就是巴黎科學院中另一個這樣的范例)。

由Hermite 一百多年前所寫的所謂的“過時的”教程(也許早就被法國大學的學生圖書館當垃圾扔掉了)實際上要比那些如今折磨學生們的最令人厭煩的微積分課本現代化的多。

如果數學家們再不睡醒,那么那些對現代的(最正面意義上的)數學理論仍有需要,同時又對那些毫無用處的公理化特征具有免疫力(這是任何敏銳的人所具有的特征)的消費者們會毫不猶豫的將這些學校里的受教育不足的學究們掃地出門。

一個數學教師,如果至今還沒有掌握至少幾卷Landau 和 Lifshitz 著的物理學教程,他(她)必將成為一個數學界的希罕的殘存者,就好似如今一個仍不知道開集與閉集差別的人。

人物評價

弗拉基米爾·阿諾德與安德烈·科爾莫戈羅夫和尤爾根·莫塞爾一起,為研究動力系統的穩定性做出了根本性貢獻。——邵逸夫獎

弗拉基米爾·阿諾德對數量驚人的不同數學學科做出了重大貢獻。——沃爾夫數學獎

弗拉基米爾·阿諾德是當代最杰出的數學家之一,他的工作為其他科學研究做出了不可忽視的貢獻。——時任俄羅斯科學院副院長評

外部鏈接

參考資料 >

弗拉基米爾·阿諾德 Vladimir Igorevich Arnold.豆瓣.2024-06-22

Vladimir Arnold - Selected publications .The Academy of Europe.2024-09-14

Vladimir Igorevich Arnold.Mathematics Genealogy Project.2024-09-14

Арнольд Владимир Игоревич.ARNOLD CV .2024-09-14

弗拉基米爾?阿諾德教授 (1937 – 2010)自傳.邵逸夫獎.2024-09-14

Vladimir Igorevich Arnold.Mac Tutor.2024-09-14

科學網—二十世紀最偉大數學家之一阿諾德逝世.科學網.2024-09-14

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