“傅里叶”这个名字,相信很多人听到之后,一定都会觉得血液凝固、两腿发抖。。。

在理工科大学生“恐惧”排行榜中,我相信傅爷一定稳居前三。

是的,没错,在我们最痛恨的灭绝级专业课中,“傅里叶”这三个字是出现频率最高的。傅里叶变换、傅里叶积分、傅里叶级数,傅里叶分析……每一个都会让你陷入极度的痛苦之中无法自拔。。。

 

 

不过大家放心,今天这篇文章绝对不会让大家恐惧。这里要讲的,是傅爷一直不为人知的生平故事。

 

我们还是从头开始吧。

 

傅里叶(也有译作 傅立叶),也就是我们的傅爷,全名是 让·巴普蒂斯·约瑟夫·傅里叶(Baron Jean Baptiste Joseph Fourier),不好意思,容我喘口气。。。


傅里叶

他是举世闻名的法国数学家,物理学家。

 

1768年3月21日,他生于法国中部奥塞尔的一个平民家庭,他的父亲是一个裁缝。他的童年并不算幸福,9岁时,双亲亡故,他变成一个孤儿,被当地的一个主教收养。

 

1780年,他被教会送入镇上的军校就读,表现出对数学的特殊爱好。他还有志于参加炮兵或工程兵,但因家庭地位低贫而遭到拒绝。

 

再后来,他希望到巴黎在更优越的环境下追求他有兴趣的研究,可是法国大革命中断了他的计划。无奈之下,他于1789年回到家乡奥塞尔的母校执教。

 

在大革命期间,傅里叶以热心地方事务而知名,而且是一个非常有正义感的人。他替当时恐怖行为的受害者申辩,结果因此被捕入狱。出狱后,他曾就读于巴黎师范学校,虽为期甚短,其数学才华却给人以深刻印象。

 

1795年,当巴黎综合工科学校成立时,傅里叶被任命为助教,协助J.L.拉格朗日(Lagrange,相信大家一定不会陌生)和G.蒙日(Monge,也是超级大牛),从事数学教学工作。这一年,他还讽刺性地被当作罗伯斯庇尔(Robespierre)的支持者而被捕,经同事营救获释。


拉格朗日 (左) 蒙日(右)

1798年,蒙日选派他跟随拿破仑(Napoleon)远征埃及。在开罗,他担任埃及研究院的秘书,并从事许多外交活动,但同时他仍不断地进行个人的业余研究,即数学物理方面的研究。

 

1801年,傅里叶回到法国后,希望继续执教于巴黎综合工科学校,但因拿破仑赏识他的行政才能,任命他为伊泽尔地区首府格勒诺布尔的高级官员。

 

由于政声卓著,1808年拿破仑又授予他男爵称号。

 

此后,几经宦海浮沉,1815年,傅里叶终于在拿破仑百日王朝的尾期辞去爵位和官职,毅然返回巴黎以图全力投入学术研究。但是,失业、贫困以及政治名声的落潮,这时的傅里叶处于一生中最艰难的时期。由于得到昔日同事和学生的关怀,为他谋得统计局主管之职,工作不繁重,所入足以为生,使他能够继续从事研究。

 

1816年,傅里叶被提名为法国科学院的成员。一开始,路易十八因为怀疑他与拿破仑的关系,拒绝了他的提名。后来,事情得到澄清,傅里叶于1817年就职科学院,其声誉又随之迅速上升。他的任职得到了当时年事已高的 P.S.M.de 拉普拉斯(Laplace,是不是每个名字都让你心中一颤?)的支持,却不断受到 S.D.泊松(Poisson)的反对。事实上,后来两人之间的恩恩怨怨一直就没停歇过。


拉普拉斯 (左) 泊松(右)

1822年,傅里叶被选为科学院的终身秘书,这是极有权力的职位。

1827年,他又被选为法兰西学院院士,还被英国皇家学会选为外国会员。

 

傅里叶一生为人正直,他曾对许多年轻的数学家和科学家给予无私的支持和真挚的鼓励,从而得到他们的忠诚爱戴,并成为他们的至交好友。在他帮助过的科学家中,有知名的 H.C.奥斯特(Oersted)、P.G.狄利克雷(Dirichlet)、N.H.阿贝尔(Abel)和 J.C.F.斯图姆(Sturm)等人。有一件令人遗憾的事,就是傅里叶收到伽罗瓦(Galois)的关于群论的论文时,他已病情严重而未阅,以致论文手稿失去下落。

 

由于傅里叶极度痴迷热学,他认为热能包治百病,于是在一个夏天,他关上了家中的门窗,穿上厚厚的衣服,坐在火炉边,于是他被活活热死了。。。死了。。。了。。。

 

1830年5月16日,傅里叶卒于法国巴黎。

 

傅里叶的科学成就,主要在于他对热传导问题的研究,以及他为推进这一方面的研究所引入的数学方法。

 

早在远征埃及时,他就对热传导问题产生了浓厚的兴趣,不过主要的研究工作是在格勒诺布尔任职期间进行的。

 

1807年,他向科学院呈交了一篇很长的论文,题为“热的传播”(Mémoire sur la propagation de la chaleur),内容是关于不连结的物质和特殊形状的连续体(矩形的、环状的、球状的、柱状的、棱柱形的)中的热扩散(即热传导)问题。在论文的审阅人中,拉普拉斯蒙日S.F.拉克鲁瓦(Lacroix)都是赞成接受这篇论文的,但是拉格朗日提出了强烈的反对。

 

傅里叶在论文中运用正弦曲线来描述温度分布,并提出一个很有争议性的结论:任何连续周期信号可以由一组适当的正弦曲线组合而成。(这句话是不是很耳熟?高数课听过,信号与系统课听过,数字信号处理课也听过。)

 

但是拉格朗日坚持认为傅里叶的方法无法表示带有棱角的信号,如在方波中出现非连续变化斜率。(不懂?放心,我也不懂)

 

最终,法国科学学会屈服于拉格朗日的威望,拒绝了傅里叶的工作。不过,在审查委员会给傅里叶的回信中,还是鼓励他继续钻研,并将研究结果严密化。

 

究竟两位大牛谁对谁错呢?

正弦曲线无法组合成一个带有棱角的信号,这句话拉格朗日是对的。但是,我们可以用正弦曲线来非常逼近地表示它,逼近到两种表示方法不存在能量差别,基于此,傅里叶是对的。(某老师解释的,我表示继续不懂)

 

 

 

为了推动对热扩散问题的研究,科学院于1810年悬赏征求论文。傅里叶对其1807年的文章加以修改,并再次提交,题目是“热在固体中的运动理论”(Theorie du mouvement de chaleur clansles corps solides)。

 

这篇论文在竞争中获胜,傅里叶获得科学院颁发的奖金。但是评委——可能是由于拉格朗日的坚持——仍从文章的严格性和普遍性上给予了批评,以致这篇论文又未能正式发表。

 

这下子傅里叶彻底炸了,他认为这是一种无理的非难,他决心将这篇论文的数学部分扩充成为一本书(他本来还打算把物理部分出书,可惜后来没有完成)。

 

1822年,傅立叶终于出版了专著《热的解析理论》

 

 

这部经典著作将欧拉伯努利等人在一些特殊情形下应用的三角级数方法发展成内容丰富的一般理论,三角级数后来就以傅里叶的名字命名(傅里叶级数)。后来为了处理无穷区域的热传导问题又导出了“傅里叶积分”,这一切都极大地推动了偏微分方程边值问题的研究。

 

然而傅里叶的工作意义远不止此,它迫使人们对函数概念作修正、推广,特别是引起了对不连续函数的探讨;三角级数收敛性问题更刺激了集合论的诞生。

 

《热的解析理论》影响了整个19世纪分析严格化的进程,在数学史,乃至科学史上公认是一部划时代的经典性著作。

 

实际上,傅里叶变换远不止数学和物理学上的价值,它几乎存在于生活和科学的各个领域——研究不同的潜水器结构与水流的相互作用,试图预测即将到来的地震,识别距离遥远的星系的组成部分,寻找热量大爆炸残余物中的新物理成分,从x射线衍射模式揭示蛋白质的结构,为NASA分析数字信号,研究乐器的声学原理,改进水循环的模型,寻找脉冲星(自转的中子星),用核磁共振研究分子结构。甚至,傅里叶变换已经被用于通过破译油画中的化学物质,来识别假冒的杰克逊·波洛克绘画。。。

 

所以说,吐槽归吐槽,大家真心应该感谢傅爷,感谢傅爷推动了人类社会的进步。他老人家200多年前创造的东西,学渣们到现在都看不懂,作为学渣之一,小枣君反正是很羞愧的。。。

 

傅爷,你永远活在我们心中!

(完)

来源:鲜枣课堂

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