Joseph Fourier

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没有比数学更通用、更简洁、更不容易出错和模糊的语言……更值得用来表达所有自然事物的不变关系。

Jean-Baptiste Joseph Fourier是一位法国数学家和物理学家,出生于Auxerre,最著名的是开创了Fourier级数的研究,该级数最终发展成为Fourier分析和调和分析,以及它们在热传递和振动问题中的应用。Fourier变换和Fourier导热定律也是以他的名字命名的。Fourier也通常被认为是温室效应的发现者。

传记

Fourier出生于法国Yonne省的Auxerre,是一位裁缝的儿子。他在九岁时成为孤儿。Fourier被推荐给Auxerre的主教,通过这一介绍,他由Benedictine修会的圣马克修道院教育。军队科学团队中的委员会保留给出身良好的人,因此不符合条件的他接受了一个数学军事讲座职位。他在自己的地区积极参与推动法国大革命,在当地革命委员会任职。他在恐怖统治期间被短暂监禁,但在1795年被任命为École Normale,随后继任Joseph-Louis Lagrange担任École Polytechnique教授。

1820年法国数学家Adrien-Marie Legendre(左)和Joseph Fourier的水彩漫画

Fourier在1798年作为科学顾问陪同Napoleon Bonaparte进行埃及远征,并被任命为埃及研究所秘书。由于英国舰队的阻隔,他组织了法国军队必须依赖的工厂来生产战争弹药。他还为埃及研究所(也称为Cairo研究所)贡献了多篇数学论文,该研究所由Napoleon在Cairo建立,目的是削弱英国在东方的影响力。在英国胜利和法国在Menou将军领导下于1801年投降后,Fourier返回法国。

1801年,Napoleon任命Fourier为Grenoble的Isère省的省长,他监督了道路建设和其他项目。然而,Fourier之前从Napoleon的埃及远征中回国,以恢复他在École Polytechnique的教授职位,但Napoleon改变了主意,他的评论是

... Isère省的省长最近去世,我想通过任命citizen Fourier担任这个职位来表达我对他的信心。

因此,为了忠于Napoleon,他接受了省长的职务。正是在Grenoble期间,他开始进行热传播的实验。他于1807年12月21日向巴黎研究所提交了《固体热传播论文》。他还对宏大的《埃及志》有所贡献。

1822年,Fourier继任Jean Baptiste Joseph Delambre成为法国科学院的常任秘书。1830年,他被选为瑞典皇家科学院的外籍成员。

1830年,他日渐衰退的健康开始产生影响:

Fourier已经在埃及和Grenoble经历过数次心脏动脉瘤发作。在巴黎,对于他所经历的频繁窒息的主要原因,不可能有任何误解。然而,1830年5月4日他在下楼时跌倒,使这种病情加重到超乎预料的程度。

这一事件不久后,他于1830年5月16日在床上去世。

Fourier被埋葬在巴黎的Père Lachaise墓地,坟墓以埃及风格装饰,以反映他作为Cairo研究所秘书的职位,以及他的《埃及志》整理工作。他的名字是刻在Eiffel塔上的72个名字之一。

1849年在Auxerre竖立了一座铜像,但在第二次世界大战期间被熔化用作军备。Grenoble的Joseph Fourier大学以他的名字命名。

热的解析理论

1822年,Fourier发表了他关于热流的著作《Théorie analytique de la chaleur》(《热的解析理论》),其中他基于Newton的冷却定律进行推理,即两个相邻分子之间的热流与其温度的极小差异成正比。这本书在56年后由Freeman在1878年翻译成英文,并进行了编辑上的"纠正"。该书也由Darboux编辑,进行了多项编辑纠正,并于1888年以法文重新出版。

约1820年的Fourier素描。

这部著作中有三项重要贡献,一项纯粹是数学的,两项本质上是物理的。在数学中,Fourier声称任何变量的函数,无论是连续的还是不连续的,都可以展开为该变量倍数的正弦级数。虽然这个结果在没有附加条件的情况下不正确,但Fourier关于某些不连续函数是无穷级数之和的观察是一个突破。Fourier级数何时收敛的问题几个世纪以来一直是基础性问题。Joseph-Louis Lagrange给出了该虚假定理的特殊情况,并暗示该方法是通用的,但他没有继续追究。Peter Gustav Lejeune Dirichlet是第一个用一些限制条件给出令人满意证明的人。这项工作为现在被称为Fourier变换的内容奠定了基础。

该书中一个重要的物理贡献是方程中的量纲齐次性概念;即,方程只有在等号两边的量纲匹配时才能形式上正确;Fourier对量纲分析做出了重要贡献。另一个物理贡献是Fourier提出的热传导扩散的偏微分方程。这个方程现在被传授给每一个数学物理学的学生。

多项式的实根

Fourier留下了一部未完成的关于多项式实根的确定和定位的著作,由Claude-Louis Navier编辑并于1831年出版。这部著作包含大量原创内容——特别是Fourier于1820年出版的关于多项式实根的Fourier定理。François Budan在1807年和1811年独立出版了他的定理,也以Fourier的名字著称,这与Fourier定理非常接近,每个定理都是另一个的推论。Fourier的证明是在19世纪方程论的教科书中通常给出的证明。完整的问题解决方案由Jacques Charles François Sturm在1829年给出。

温室效应的发现

在1820年代,Fourier计算出一个与地球大小相同、距离太阳相同距离的物体,如果仅由传入太阳辐射的影响加热,应该比这个星球实际的温度冷得多。他在1824年和1827年发表的论文中检查了额外观察到热的各种可能来源。虽然他最终建议星际辐射可能负责大部分额外的温暖,但Fourier对地球大气可能以某种方式充当绝缘体的可能性的考虑,被广泛认为是现在所知温室效应的第一个提议,尽管Fourier从未这样称呼它。

Grenoble的Fourier胸像

在他的论文中,Fourier提到了de Saussure的实验,他用黑化的软木塞给一个花瓶衬里。在软木塞中,他插入了几块透明玻璃窗格,由空气间隔分开。正午的阳光被允许通过玻璃窗格从花瓶顶部进入。在该装置的内部隔间中,温度变得更高。Fourier得出结论,大气中的气体可以形成像玻璃窗格一样的稳定屏障。这一结论可能对后来使用"温室效应"这一隐喻来指代决定大气温度的过程有所贡献。Fourier指出,决定大气温度的实际机制包括对流,在de Saussure的实验装置中并不存在。

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