大學數學教育的先驅——楊武之

               張奠宙   2005-9-12
              楊武之,數學家,數學教育家。長期在清華大學和西南聯合大學數學系任系主任或代主任。是我國早期從事現代數論和代數學教學與研究的學者。
        楊武之,原名楊克純,武之是他的號。1896年4月14日出生于安徽合肥。

             
         楊武之的父親楊邦盛,是清末的一名秀才,早年一直在私塾教書。后來去天津,在段芝貴的幕府中司“筆札”,做類似文書之類的事。1907年,因段芝貴失勢,回家賦閑。次年,想到沈陽去謀職,不幸在旅社中染上鼠疫,竟而去世。楊武之的母親姓王,在他9歲時(1905)也早故。所以,楊邦盛夫婦對楊武之的照料不多,生活多由叔父楊邦瑞安排。

      1914年,楊武之在安徽省立第二中學畢業。這是一所很好的學校,為楊武之打下了良好的文化基礎。是年秋,考入北京高等師范學校預科,為期一年,后入數理部本科。規定修業3年,于1918年畢業。這一學歷,在當時的師范教育中屬于最高的層次,各地爭相聘用。最后,楊武之決心回到母校——安徽省立二中擔任教員兼舍監(訓育主任)。年少氣盛的楊武之,在學校里施行嚴格的紀律,對一批紈绔子弟嚴加管束。學校規定,夜晚10時,關閉校門,使一批在外尋歡作樂而遲歸的學生,不得其門而入。由此,一些不思上進的學生,對舍監楊武之大為不滿,以至尋釁鬧事,準備動武報復。鬧事之后,因學生家長袒護鬧事學生,希圖不了了之。楊武之遂憤而辭職,轉往安慶中學教書。這一事件對他刺激頗深,覺得一介書生,難以和腐敗的政府及土豪劣紳相周旋。

      楊武之因此萌生“科學救國”的意念,希望以出國留學,振興中華科學,發揚中華文明來改變中國的黑暗現實。在安慶教書期間,積極準備參加留學考試。
        楊武之由父母作主,在幼年時即和同鄉羅竹全之女羅孟華訂親,并于1919年完婚。羅孟華的文化不高,一直操持家務。他們夫婦之間感情甚篤,終身不渝。1922年,長子楊振寧出生。楊武之的備考也到了緊張階段。

      1923年春,楊武之順利地通過安徽省的公費出國留學考試。隨即離別妻子和未滿周歲的兒子,只身赴美國留學。他先到美國西部的斯坦福大學讀了三個學季的大學課程,取得學士學位。然后于1924年秋天轉往芝加哥大學繼續攻讀。當時的芝加哥大學數學系已臻美國第一流水平,楊武之師從名家L.E.迪克森(Dickson),研究代數學和數論。1926年以《雙線性型的不變量》一文獲得碩士學位。兩年之后,又以《華林問題的各種推廣》,使楊武之成為中國因數論研究而成為博士的第一人。

      1928年秋,楊武之學成歸國,先在廈門大學任教一年,次年即被清華大學聘為數學系教授。此后,楊武之一直在清華大學(包括抗戰時期的西南聯合大學)任教,直到解放。1950年之后,留在上海復旦大學任數學教授。1973年5月12日,在上海逝世。

      博士論文:推進“棱錐數的華林問題”
        楊武之的主要學術貢獻是數論研究,尤其以華林(Waring)問題的工作著稱。
        中國的數論研究淵遠流長。孫子定理,中國剩余定理,秦九韶的不定方程理論,都是享譽世界的名篇。但到明清之際,數論研究已遠遠落后于歐洲,到本世紀20年代,能研究現代的數論而發表創造性論文的中國人,當以楊武之為第一人。
        所謂華林問題,是指下列猜想:每個正整數都是4個平方數之和,9個立方數之和,一般地,g(k)個k次方數之和。

      1770年,J.-L.拉格朗日(Lagrange)證明了每個正整數確實是4個平方數之和,即g(2)=4。

      1909年,大數學家D.希爾伯特(Hilbert)證明:g(k)必是有限數。

      1928年,楊武之的導師狄克遜證得:g(3)=9。另外,S.W.貝爾(Baer)證明,凡大于23×1014的整數是8個立方數之和。于是狄克遜要楊武之考慮帶系數的華林問題,即每個正整數f可否表示為f=rx3十C7,其中C7=x31十x32十…十x37,r=0,1,2,…,8.楊武之很快得到下述結果:
        1.凡是大于14.1×4016的正整數都可表示為rx3十C7,其中r=5,7。
        2.凡大于(30.1)×4196的正整數都可表示為3x3十C7。
              3.凡大于23×1014的正整數都可表為8×c3十C7。
        4.凡大于23×1014的奇正整數都可表示為rx3十C7,其中r=2,4,6。
        5.凡大于23×1014的奇正整數的兩倍,都可表為2x3十7。
        楊武之的博士論文還討論了帶系數的7次方數的表示等問題。
        楊武之最好的工作是關于棱錐數的華林問題。棱錐數p(n)=1/6(n3-n)是三角形數f(n)=n/2(n十1)的推廣。1640年,費馬猜測每個正整數都是不超過3個三角形數之和。后來證明這是對的。至于每個正整數能表示為幾個棱錐數之和,也陸續有人研究。

      1896年,W.J.馬耶(Maillet)首先得到,每個充分大的正整數是12個棱錐數之和。

      1928年,楊武之在博士論文里證明:每個正整數都可寫成9個棱錐數之和。此結果在20余年內沒有改進,直至G.N.沃森(Watson)在1952年將“9個”減為“8個”。到1991年為止,這仍是已證明了的最好結果。

      電子計算機出現之后,許多人曾作過實際驗算,認為除241個例外數之外,小于106的正整數都是5個棱錐數之和。1991年,楊振寧和鄧越凡等人的計算表明,凡小于109的正整數,除了17,27,…,343867等241個例外數之外,都是4個棱錐數之和。他們猜想,除這241個數之外,表示任何正整數,只要4個棱錐數就夠了。
        楊武之的這篇博士論文,首先在美國數學會的會議上作了介紹(1928年4月6日)。同年美國數學會通報第34卷,第412頁上曾對此作了報道。以后全文發表于1931年的《清華理科報告》。

      大學數學教育的先驅
        楊武之一生從事數學教育,特別是在清華大學和西南聯合大學執教并主持系務時期,培養和造就了兩代數學人才,對中國現代數學的貢獻很大。

      1928年,清華留美預備學校改制為清華大學。鄭之蕃、熊慶來先期來清華大學任教。1928年和1929年,孫光遠與楊武之亦先后到校。這4位教授,加上唐培經、周鴻經兩位教員,陣容極一時之盛。1930年,陳省身跟孫光遠學幾何。
      次年,華羅庚又來校跟楊武之研習數論。隨后的學生又有許寶騄、柯召等人的到來。30年代的上半期,清華大學已成為國內最強的數學中心。
        楊武之在清華大學講授過很多代數課程,特別是30年代初開設的群論課,影響了大批的后學者。
        抗戰以后,清華大學與北京大學、南開大學并為西南聯合大學。楊武之又擔任數學系的系主任,以及清華大學數學研究生部的主任。戰時的生活十分艱苦,但是西南聯合大學數學系的學術生活并不貧乏,科學水平節節上升,這和楊武之的組織與領導是分不開的。

      楊武之與華羅庚

      華羅庚自學成才,踏進清華園的傳奇故事已是盡人皆知,但是究竟清華園內的數學圈內怎樣發現華羅庚的細節,現在已很難查考。應該說,唐培經、楊武之,熊慶來等先生都為華羅庚來清華大學作出過努力,而系主任熊慶來的支持,則是關鍵的一著。
        華羅庚來到清華大學以后,選擇數論為研究方向,而且集中研究華林問題,顯然是受到楊武之的直接影響。華羅庚在1980年寫給香港《廣角鏡》周刊的一封信說:“引我走上數論道路的是楊武之教授。”

      華羅庚于1936年赴英國,追隨G.H.哈代(Hardy)學習解析數論,成績卓著。楊武之為自己的學生超過自己而高興非凡。1938年華羅庚回國后到西南聯合大學任教。當時擔任系主任的楊武之,不顧學校里的各種反對意見,向校方提出破格提升華羅庚的職務,即越過講師、副教授直升正教授。

      起初校方以華羅庚未在英國拿博士學位而拒絕,后經楊武之力爭,最終才得到同意。所以,華羅庚在上述給《廣角鏡》的信中也寫道:“從英國回國,未經講師、副教授,直接提我為正教授的又是楊武之教授。”

      在西南聯合大學時期,楊武之和華羅庚曾同住于昆明西北郊的大塘子村。兩家過往很密。當年,華羅庚曾有一信給楊武之,內稱:“古人云:生我者父母,知我者鮑叔。我之鮑叔即楊師也。”

      楊武之所師法的迪克森學派,在本世紀初的美國影響很大。后來由于英國、蘇聯等國的解析數論的興起而漸漸式微。所以,楊武之的數論研究雖曾起過啟蒙和推動的作用,可惜由于迪克森學派的衰落而未能發揮重大影響。

      中國數論學派,在華羅庚的領導下,獲得了重大的發展。飲水思源,人們將會緬懷楊武之在早期所發揮的前驅作用。
       

       
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