第十四章：现代数学概观－二十世纪的数学 第一节 五大新兴学科的建立

第十四章：现代数学概观－二十世纪的数学

第一节 五大新兴学科的建立

一、数理逻辑

数理逻辑作为一门数学学科，来源于对数学和逻辑基础的探讨，它最早可追溯到莱布尼茨，他 关于逻辑演算的观念预示着布尔代数，而英国数学家布尔(G．Boole 1815—1864)在1847年出版《逻 辑的数学分析》一书，正式推出所谓布尔代数，在逻辑上相当于命题演算．其后由英国数学家杰方 斯(W．S．Jevons，1835—1882)和小皮尔斯(C．S．Peirce，1839—1914)在1874年加入次序关系，德

国数学 卷中加以

公理化．第一个完全形式化的语言是德国数学家弗瑞格(G．Frege，1848—1925)在1879年出版的《概 念文字》中引进的．他首先定义了全称量词及存在量词．并引进一般的谓词逻辑．不过相应的逻辑 代数一直到1950年才由波兰数学家塔斯基(A．Tarski，1902—1983)所发展，他引进所谓“圆柱代 数”．1955年美国数学家哈尔莫斯(P．Halmos，1916—)又引进多进代数，形成一般的逻辑代数理 论．1889年意大利数学家皮亚诺(G．Peano，1858—1932)提出自然数的公理系统，即后来所谓皮亚 诺算术公理．而戴德金在前一年也提出类似的公理系统．弗雷格在1884年出版的《算术基础》中开 始提到算术无非是扩展的逻辑．戴德金也提出类似的观点．弗雷格在1893年出版的《算术的基本规 律》第一卷中，用五条逻辑公理来推导算术命题．1902年6月罗素给弗雷格一封信，提出著名的罗 素悖论，并指出弗雷格的矛盾．弗雷格在1903年出版的《算术的基本规律》第二卷附录中承认这是 对他的巨大打击，正是这个悖论，揭开了数理逻辑新的一章．

2．罗素悖论

罗素的悖论是关于集合论的，康托尔已经意识到不加限制地谈论“集合的集合”会导致矛盾．其 他人也发现集合论中存在矛盾．而罗素在1903年出版的《数学的原理》(Principles of Mathematics) 中，则十分清楚地表现出集合论的矛盾，从而动摇了整个数学的基础．罗素的悖论是说：可以把集 合分成两类：凡不以自身为元素的集合称为第一类集合，凡以自身做为元素的集合称为第二类的集 合，每个集合或为第一类集合或为第二类集合．设M表示第一类集合全体所成的集合．如果M是第 一类集

现了这个矛盾之

后，导致第三次数学危机，在数学界出现了各种意见，从抛弃集合论到尽可能保持集合论在数学中 的基础地位的都有．由于20世纪数学的发展主流是建立在集合论基础之上，这里只考虑数学家如何 消除悖论．在20世纪初，大致有两种办法，一个办法是罗素的分支类型论，它在1908年发表，在这 个基础上罗素与怀特海(A．N．Whitehead，1861—1947)写出三大卷《数学原理》(principia Mathematica，

1910—1913)，成为数理逻辑最早一部经典著作．还有一个办法是公理方法限制集合，由此产生公理 集合论．

3．集合论的公理化

康托尔本人没有对集合论进行公理化．集合论公理化是策梅罗(E．Zermelo，1871—1953)在1908 年发表的．富兰克尔(A．Fraenkel，1891—1965)等人曾加以改进，形成著名的ZF系统，这是最常用 的一个系统，因此大家都希望从中推出常用的选择公理(1904年策梅罗引进它来

设与ZF系统是相容 的．1963年，柯亨(P．Cohen，1934—)发明“力迫法”证明这两条“公理”的否定也不能在ZF系统 中证明，从而推出其独立性．

4．希尔伯特纲领

为了使数学奠定在严格公理化基础上，1922年希尔伯特提出希尔伯特纲领，首先将数学形式化，

构成形式系统，然后通过有限主义方法证明其无矛盾性．

1928年希尔伯特提出四个问题作为实现其纲领的具体步骤：

(1)分析的无矛盾性．1924年阿克曼(W．Ackermann，896—1962)和1927年冯 诺伊曼(J．Von Neumann，1903—1957)的工作使希尔伯特相信只要一些纯算术的初等引理即可证明分析的无矛盾 性．

1930年夏天，哥德尔开始研究这个问题，他不理解希尔伯特为什么要直接证明分析的无矛盾 性．哥德尔认为应该把困难分解：用有限主义的算术证明算术的无矛盾性，再用算术的无矛盾性证 明分析的无矛盾性．哥德尔由此出发去证明算术的无矛盾性而得出不完全性定理．

(2)更高级数学的无矛盾性．特别是选择公理的无矛盾性．这个问题后来被哥德尔在1938年以相 对的方式解决．

(3)算术及分析形式系统的完全性．这个问题在1930年秋天哥尼斯堡的会议上，哥德尔已经提出 了一个否定的解决．这个问题的否定成为数理逻辑发展的转折点．

(4)一阶谓词逻辑的完全性，这个问题已被哥德尔在1930年完全解决．

这样一来哥德尔把希尔伯特的方向扭转，使数理逻辑走上全新的发展道路．

5．哥德尔的三项重大贡献

除了连续统假设的无矛盾性之外，哥德尔在1929—1930年证明下面两大定理：

(1)完全性定理：哥德尔的学位论文《逻辑函数演算的公理的完全性》解决了一阶谓词演算的完 全性问题．罗素与怀特海建立了逻辑演算的公理系统及推演规则之后，数学家最关心的事就是公理 系统的无矛盾性及完全性．所谓完全性就是，每一个真的逻辑数学命题都可以由这个公理系统导出，

也就是可证明．命题演算的完全性已由美国数学家波斯特(E．Post，1897—1954)在1921年给出证 明．而一阶谓词演算的完全性一直到1929年才由哥德尔给出证明．

(2)不完全性定理：这是数理逻辑最重大的成就之一，是数理逻辑发展的一个里程碑和转折点．

哥德尔证明不完全性定理是从考虑数学分析的无矛盾性问题开始的．1930年秋在哥尼斯堡会议 上他宣布了第一不完全性定理：一个包括初等数论的形式系统，如果是无矛盾的，那就是不完全 的．不久之后他又宣布：如果初等算术系统是无矛盾的，则无矛盾性在算术系统内不可证明．

哥德尔的不完全定理造的是一个不自然的数论问题，数学家一直希望在一阶皮亚诺算术中找到 一个数学表述既简单又有趣的数论问题，就像哥德巴赫猜想或费马大定理来说明算术的不完全 性．这一直到1977年才由巴黎斯(J．Paris)等人造出，这更加证明希尔伯特纲领是不可能实现的．

6．哥德尔以后的数理逻辑．哥德尔的不完全性定理从根本上动摇了数学的基础，它指出绝对 的无矛盾性的证明是不可能实现的，数学家只能限制自己的领域及要求．数理逻辑也成为一个专门 的学科，它分成四大分支：证明论、递归论、公理集合论及模型论，它们都在30年代发展起来．证 明论仍然继续希尔伯特纲领，但不得不放宽有限主义的条件．其中最主要的成就是根岑(G．Gentzen，

1909—1945)在1934年用超穷归纳法证明自然数算术的无矛盾性．递归论也奠定基础，1935年克林尼 (S.Kleene，1909—1994)定义一般递归函数，1936年图林(A．Tuˉring，1912—)提出图林机概念．同 年车尔赤(A．Church1903—)提出车尔赤论点：任何有效可计算函数均等价于一般递归函数．递归论 与数学关系至为密切，它不仅为计算机科学奠定基础，同时一系列判定问题则直接涉及数学基本问 题：如群的基本问题是问什么时侯两个群同构，对于有限表出群是1908年提出的，到50年后，苏联 数学家阿其扬(C．И．Aдьян，)在1957年及以色列数学家拉宾(M．O．Rabin，)在1958年独立 证明这问题是不可解的．在这个基础上，小马尔科夫(A．A．MapkoB，1903—1979)证明拓扑学的 基本问题——同胚问题也是不可解的，1970年最终证明希尔伯特第十问题是不可解的．模型论首先 是处理真假问题，它指出一系列命题在某些模型下为真，而在另外模型下非真．其次它构造一批非 标准模型．1934年斯科仑(T．Skolem，1887—1968)给出整数的非标准模型，1961年鲁宾逊

(A．Robinson，1918—1974)提出非标准分析，使莱布尼茨的无穷小合法化，创立了非标准数学．

二、抽象代数学

代数学与拓扑学是现代数学的两大部门．它们构成现代数学的基础与核心．没有代数学和拓扑 学，现代数学(除了那些较为孤立的、相对地讲不太重要的学科)可以说寸步难行．

抽象代数学或近世代数学是在20世纪初发展起来的．1930—1931年范 德 瓦尔登(B．L．vander Waerden，1903—)的《近世代数学》(Moderne Algebra)一书问世，在数学界引起轰动，由此之后，

抽象代数学或近世代数学成为代数学的主流，不久之后也就理所当然地把“抽象”及“近世”的帽 子甩掉，堂尔皇之成为代数的正统．

范 德 瓦尔登的书至今仍然是代数学的模式．它是根据德国女数学家E．诺特(E．Noether，

1882—1935)和德国数学家阿廷(E．Artin，1898—1962)的讲义编写而成，在精神上基本来源于他们 两位，特别是诺特，被公认为“近世代数学之母”．在诺特之前，不少大数学家都对近世代数学有 过这样或那样的贡献，但是这种与经典代数学迥然不同的思想主要来源于戴德金和希尔伯特，戴德 金不仅引进大多数抽象代数观念——如理想、模、环、格等，而且初步研究它们的结构及分类，而 希尔伯特的抽象思维方式及公理方法则对现代整个数学都有举足轻重的影响．

抽象代数学的研究对象与研究目标与经典代数学有着根本的不同：经典代数学的主要目标是求 解代数方程和代数方程组，而抽象代数学的目标则是研究具有代数结构的集合的性质，刻划它们并 加以分类，这些对象是用公理定义的．

1．域论

从古代起，人们就已经熟悉有理数和它们的运算——加法和乘法．这些运算满足加法交换律和 加法结合律，乘法交换律和乘法结合律，以及分配律，而且对于加法存在零元素(0)及逆元素(倒数)．所 有有理数的集合是人们最早认识的具体的域，后来也知道实数集合、复数集合同样满足上述公理，

它们也是城．除了这些最熟悉的域之以，在19世纪研究得最多的域是代数数域，这些都是含有无穷 多元素的数域．有没有有限多个元素的域呢？1830年伽罗瓦已知有有限多个元素的域(后来被称为伽 罗瓦域)，其元素被称为伽罗瓦虚数，它们满足pa＝0，其中p是一个素数，p称为域的特征．伽罗瓦 曾具体证明，在一个特征为p的伽罗瓦域中，元素个数是p的一个幂．如在当时的情况一样，伽罗瓦 所作的一切都是有具体表示的．到19世纪末，人们知道其他域的例子还有有理函数域及代数函数域．

从整体结构上对域进行考察始自戴德金及克罗内克对代数数域的研究(从1855年起)．但抽象域 的观念则来自德国数学家韦伯(H．Weber，1842—1913)，他的思想来自抽象群的观念．后来美国数 学家狄克逊(L．E．Dickson，1874—1954)及亨廷顿(E．V．Huntington，1874—1952)给出域的独立 的公理系统．在韦伯的影响下，德国数学家施泰尼茨(E．Steinitz，1871—1928)在1910年发表《域的 代数理论》一文，为抽象域论奠定了基础．他把域分为两种类型：一种是特征为p的域，也即对所 有元素a满足pa＝0的域，它们一定包含最小的城(称为素域)，最小的域一定是只含p个元素的伽罗瓦

域．另一种是不存在这种p的域，称为特征0，其素域一定是有理数域．不管域属于哪一种类型，任 何域均可由素域添加一些新元素“扩张”而成．所以域的根本问题是研究域的扩张．他对扩张进行 了分类，其中主要的一类是添加系数在原域中的多项式的根后所得的扩张(代数扩张)．当一个域通 过代数扩张不能再扩大时称为代数封闭域．施泰尼茨证明，每个域均有唯一的代数封闭域．特别他 还对特征p一般域胁许多特殊性质如不可分性、不完全性进行研究．

关于抽象有限域，已经有了相当完整的结果：1893年美国数学家莫尔(E．H．Moore，1862—1932) 证明，任何一有限域必定与某一个伽罗瓦域同构．反过来，对于任意素数p和正整数a，必定存在唯 一一个伽罗瓦域，具有p^a个元素．有限域理论在数论、编码理论、组合理论及数理统计等方面有着 许多应用．

在域论中引进p进域是一个重大成就．德国数学家亨泽尔(K．Hensel，1861—1941)在1908年出 版的《代数数论》(Theorie der algebraischen Zahlen)中系统阐述了p进数，他对这种数规定了加、减、

乘、除四种基本运算，构成一个域称p进域，而它是有理数域的一个完备化，如同实数域一样．但 是与实数域性质的一个很大的不同是实数域具有阿基米德性质，也就是对任何两个实数a，b总存在 一个正整数n，使na＞b．p进域虽然也有一个自然的顺序，但却没有阿基米德性质．pˉ进数域是一 种“局部”域，在它里面也可定义整数及代数数，它的建立大大有助于数论的发展．亨泽尔之后，

抽象赋值论得到发展，在代数数论及代数几何学上有着重要应用．

抽象理论的建立不仅使已有的零散知识系统化，而且有助于许多问题的解决，1927年阿廷解决 希尔伯特第17问题就是靠他引进抽象的实域(他称为形式实域)．实域k是把实数域的一个特性抽象 化：即-1不能表示为k中元素的平方和．通过这个概念，他证明“任何正定有理函数都可表示为有理 函数平方和”．

2．环论

环的概念原始雏型是整数集合．它与域不同之处在于对于乘法不一定有逆元素．抽象环论的概 念来源一方面是数论，整数的推广——代数整数具有整数的许多性质，也有许多不足之处，比如唯 一素因子分解定理不一定成立，这导致理想数概念的产生．戴德金在1871年将理想数抽象化成“理 想”概念，它是代数整数环中的一些特殊的子环．这开始了理想理论的研究，在诺特把环公理化之 后，理想理论被纳入环论中去．

环的概念的另一来源是19世纪对数系的各种推广．这最初可追溯到1843年哈密顿关于四元数的 发现．他的目的是为了扩张用处很大的复数．它是第一个“超复数系”也是第一个乘法不交换的线 性结合代数．它可以看成是实数域上的四元代数．不久之后凯莱得到八元数，它的乘法不仅不交换，

而且连结合律也不满足，它可以看成是第一个线性非结合代数．其后各种“超复数”相继出现．1861 年，魏尔斯特拉斯证明，有限维的实数域或复数域上的可除代数，如满足乘法交换律，则只有实数

及复数的代数(1884年发表)．1870年戴德金也得出同样结果(1888年发表)．1878年弗洛宾尼乌斯 (F．G．Frobenius，1849—1917)证明实数域上有限维可除代数只有实数、复数及实四元数的代数．1881 年小皮尔斯也独立得到证明．1958年用代数拓扑学方法证明，实数域上有限维可除代数，连非结合 可除代数也算在内，只有1，2，4，8这四种已知维数．可见实数域及复数域具有独特的性质．

关于域上线性结合代数的研究在19世纪末处于枚举阶段，1870年老皮尔斯(B．Peirce，1809—

1880)发表《线性结合代数》，列举6维以下的线性结合代数162个．他还引进幂零元与幂等元等重要 概念为后来的结构理论奠定基础．1898年、嘉当(E．Cartan)在研究李代数的结构基础上，对于结合 代数进行类似的研究，1900年，德国数学家摩林(T．Molien，1861—1941)征明，复数域上维数≥2 的单结合代数都与复数域上适当阶数的矩阵代数同构．线性结合代数的结构定理是1907年由美国数 学家魏德本(J．HM．Wedderburn，1882—1948)得出的：线性结合代数可以分解为幂零代数及半单 代数，而半单代数又可以表示为单代数的直和．单代数可表为域上可除代数的矩阵代数．这样结合 代数就归结为可除代数的研究．可除代数有着以下的结果．1905年魏德本证明：有限除环都是(交换) 域，也即伽罗瓦域．当时除了伽罗瓦域及四元数之外，不知道有别的除环．20世纪虽然发现了一些 新的除环，但除环的整个理论至今仍不完善．

从线性结合代数到结合环的过渡是阿廷完成的．1928年，阿廷首先引进极小条件环(即左、右理 想满足降键条件的环，后称阿廷环)，证明相应的结构定理．对于半单环的分类，雅可布孙(N.Jacobson，

1910—)创立了他的结构理论．他认为对任意环均可引进根基的概念，而对阿廷环来说，根基就是一 组真幂零元．对于非半单的阿廷环(主要出现于有限群的模表示中)，如福洛宾尼乌斯代数及其推广 也有许多独立的研究．而与阿廷环对应的是诺特环，对于有么无的环，秋月康夫(1902—1984)及霍 普金斯(C．H opkins)证明阿廷环都是诺特环．对于诺特环，却长期没有相应的结构理论．一直到1958 年英国数学家戈尔迪(A．W．Gold－ie)才取得突破，他证明任何诺特半素环都有一个阿廷半单的分 式环，这才促进了新研究．与诺特环平行发展的是满足多项式等式的环．近来环表示论及同调方法 的应用对结合环理论有极大促进．

环论的另一来源是代数数论及代数几何学及它们导致的交换环理论．1871年戴德金引进理想概 念，开创了理想理论．环这个词首先见于希尔伯特的数论报告．代数几何学的研究促使希尔伯特证 明多项式环的基定理．在本世纪初英国数学家腊斯克(E．Lasker，1868—1941)及麦考莱

(F．S．Macaulay，1862—1937)对于多项式环得出分解定理．对于交换环的一般研究来源于E．诺特．她 对一般诺特环进行公理化，证明准素分解定理从而奠定交换环论乃至抽象代数学基础，其后克鲁尔 (W．Krull，1899—1971)给出系统的研究，他还引进了最值得注意的局部环．四十年代，薛华荔、

柯恩(I．S．Cohen，1917—1955)及查瑞斯基(O．Zariski，1899—1986)对局部环论进行了系统的研究．

3．群论

19世纪末抽象群开始成为独立研究的对象，当时主要问题仍是以置换群为模式的有限群，问题 涉及列举给定阶数的所有群以及群的可解性的判据．

当时主要的定理是由挪威数学家西洛(L．Sylow，1832—1918)在

的．而19世纪90年代群论最主 要成就是群表示论的出现，它是由德国数学家福洛宾尼乌斯奠定的．后由他的学生舒尔(I．Schur，

1875—1941)所发展，成为研究群论不可缺少的工具．所谓群表示即是把群具体实现为某种结构的自 同构群，例如域F上的有限维线性空间的线性变换群，通常是把群的元素与F上的n×n可逆矩阵相对 应．在英国数学家伯恩塞德(W．Burnside，1852—1927)的经典著作《有限阶群论》(Theory of Groups of Finite Order)第二版(1911)已经进行综述并给出应用．

20世纪有限群论的中心问题是有限单群的分类．很久以来，就已经知道一个相当长的有限单群 的表，除了素数阶循环群之外，对于每一个整数n≥5存在一个n！/2阶单群，它由n个事物的所有偶 置换构成，这就是所谓交错群．当n=5时，它就是二十面体群．另外还知道许多射影特殊线性变换 群PSL(n，q)，它们通过行列式为1的n×n矩阵群(元素取在有限域GL(q)中)的商群构造出来．另外对 于正交矩阵、辛矩阵、酉矩阵也可以造出一批单群来．这些“典型群”，从若尔当时候起就已知道，

后来经过美国数学家狄克逊、荷兰数学家范 德 瓦尔登、法国数学家丢东涅(J．Dieudonné，1906

—1992)进行系统研究．真正重大的突破是1955年薛华荔在日本《东北数学杂志》上发表的“论某些 单群”的论文，这篇论文的重要性不仅展示一些新单群，而且更重要的是对于以前知道的绝大部分 通过李代数换基的办法进行统一的处理，从而得出九个系列的薛华荔群．其后，这些薛华荔群经过 美国数学家斯坦伯格(R．Steinberg，1922—)、韩国数学家李林学、比利时数学家梯茨(J．Tits，1930

—)、日本数学家铃木通夫(1926—)等人加以扩充，得出全部李型单群的16系列．除了上述这18个序 列中的有限单群之外，还有几个不属于它们的所谓“散在单群”，其中头一个是7920阶的群M₁₁是 法国数学家马丢(E．L．Mathieu，1835—1890)在1861年发现的，他不久又发现另外4个单群M₁₂， M₂₂，M₂₃，M₂₄．一直到1965年之前再没有发现新的散在单群了．突然1965年南斯拉夫数学家严科 (Z．Janko，1932—)发现了一个175560阶的新单群，其后10年间，陆续发现另外20个敬在单群，其 中最大的称为费舍尔(B．Fischer，1936—)“魔群”，其阶大约为8.10⁵³，到这时候是否所有单群均 已找到，也就是有限单群的分类已经完成了呢？在这条漫长的路上，首先的突破是一系列群论性质 及表示论的成果，其中包括1955年布劳尔(R．Brauer 1901—1977)的工作．第二个突破是1963年美国 数学家费特(W．Feit，1930—)和汤姆逊(J．G．Thompson，1932—)证明除循环群之外，奇阶群都是 可解群，这个长达250页的论文包括了极其丰富的信息．70年代，在群的结构研究上有了新的突破，

最终导致1981年，有限单群的分类彻底完成，不过全文需要1万页以上，这是各国上百位群论专家 通力合作的结果．

对于无穷阶的离散群，也有一些重要的研究，其中重要的是与数理逻辑有关的“字的问题”，

即两个符号序列何时相等，对于有限生成的具有有限个关系式的群，1955年左右苏联数学家诺维科 夫(Π C Hовиков，1901—1975)、美国数学家布里顿(J．L．Britton)和布恩(W．Boone，

1920—1983)证明一般的字的问题是不可解的，也就是不存在一个普遍的算法来判定两个字是否相 等，但是另一方面德国数学家马格努斯(W．Magnus，1907—)在1932年解决一个关系式的有限生成 群的字的问题．另一个重要的问题是伯恩赛德问题，他问一个有限生成的群如果其所有元素都是有 限阶的，该群是否有限，这个问题一直到1964年由前苏联数学家考斯特利金(А．И．Костри кин，1929—)举出例子而得出否定的回答．另外还有一个狭义的伯恩赛德猜想，即有限生成群当 所有元素x满足xⁿ＝0是有限群，现在知道当n＝2，3，4，6时，狭义伯恩赛德猜想成立，但如果n相 当大，诺维科夫和布里顿等人也举出反例．

三、测度与积分理论

测度是长度、面积和体积概念的精密化及推广．各民族数学发展一开始均致力于测量长度和面 积，得出相应的公式及方法，而统一的求积方法一直到牛顿和莱布尼茨建立微积分之后才得到．这 时求积问题变成一个特殊的积分问题．但积分是一个相当复杂的概念，19世纪由于分析的严格化才 导致由柯西、黎曼及达布相继改进的黎曼积分的概念，最后确定下来．

随着康托尔点集论的建立，要求对更一般的点集的“大小”进行比较及量度，这要求定义测度．先 是对黎曼可积性条件中函数的不连续点集的“测度”给出定义．最早是哈那克(A．Harnack，1851

—1888)、杜布瓦—瑞芒(P．du Bois Rey－mond，1831—1889)、史托尔茨(O．Stolz，1842—1905) 及康托尔在1881到1885试着做出定义，他们均采用覆盖区间长度的下确界，但是这样定义有毛病．例 如，两个无公共点集的并集的“测度”有时能够小于两集的“测度”之和，除了上述定义的“外”

测度之外，最先定义“内”测度的是皮亚诺，他在1887年定义“可测”集为内、外测度相等，这样 虽然克服上述困难，但有界开集并不一定可测．若尔当在他的《分析教程》第一卷第二版(1893)中 也做了类似的定义，同样也有类似的毛病．对这些毛病的补救来自波莱尔(E．Borel，1871—1956)，

他在《函数论教程》中大大改进了以前的测度观念，利用可数可加性对任一有界开集构造地定义测 度．他还考虑零测度集(实际上这个观念可以追溯到黎曼)．而真正把波莱尔的方法同皮亚诺—若尔 当的办法结合而形成系统测度论的则是波莱尔的学生勒贝格，这些发表在他的博士论文《积分、长 度、面积》当中．

勒贝格的功绩不仅在于建立系统的测度理论，更主要的是建立系统的积分理论．在勒贝格之前，

除了黎曼积分之外，还有斯蒂尔吉斯(T．J．Stieltjes，1856—1894)积分．斯蒂尔吉斯在1894年发表 的“连分式的研究”中证明：如连分式

数F(Z)，F(Z)可表为

曼积分对于一般的数学分析已经 足够，但是还有一系列不理想的地方．

微积分的基本定理是微分和积分互为逆运算，也就是说如果

则导数F′(x)存在，而且等于f(x)，至少在f光滑的点是如此．但是1881年沃尔泰拉(V．Volterra，

1860—1940)还在比萨大学做学生时，发现一个例子：一个函数F在(0，1)区间上定义有界，其导数f

＝F′处处存在，但是在当时流行的积分——黎曼可积的意义是不可积的．因此，需要定义一种积 分，它可以在更广的一类函数上定义，而且使微分和积分成为互逆的运算．另外对这种积分还希望 收敛级数可以逐项积分．勒贝格在他的1902年学位论文中迈出新的一步，他定义勒贝格积分与以前 定义积分的方式不同，以前是先定义积分，然后由积分得到“测度”，勒贝格与此相反，他先定义 测度，然后定义积分．他定义积分时，不去把自变量的区间加以区分，而把因变量y的区间(对于实 函数来说是R的子集)加以重分(成有限个区间)，再仿照通常的办法定义积分，这样就可以使一些很 坏的函数也成为勒贝格可积的，最明显的例子就是狄利克雷函数．这样，大大扩充了可积函数的范 围．另外如果勒贝格可积函数同时也黎曼可积，则两个积分相等．并且与一些极限运算可以交换，

而且可以推广到高维．

勒贝格积分虽然能解决沃尔泰拉原来的问题，但并不足够一般以致能够使所有具有有限导数f(x)

＝F′(x)的函数F(x)的导数f(x)=F′(x)都可积．为此，法国数学家当日瓦(A．Denjoy，1884—1974) 在1912年和德国数学家佩隆(O．Per－ron，1880—1975)在1914年分别设计了以他们各自的姓定义的 积分．其后鲁金(H．H．Лузин，1883—1950)给出描述性定义，这三者是等价的．

1915年法国数学家弗雷歇把积分扩张到抽象集合的泛函上．他的模式取自1913年奥地利数学家 拉东(J．Radon，1887—1956)的工作，其中引进集函数．他实际上综合了斯蒂尔吉斯积分与勒贝格 在1910年把勒贝格测度论推广到高维(三维及三维以上)欧氏空间的研究．勒贝格通过可测函数的积 分定义一个集函数，证明它是完全可加的而且绝对连续的．不过他只有点函数观念，而拉东则利用

集函数定义拉东测度．1930年波兰数学家尼古丁(O．Nikodyn，1887—1974)对抽象测度论完成了1910 年勒贝格定理在抽象测度论的推广，最终完成抽象测度论的建立．它不仅构成概率论的基础，同时 也是抽象调和分析、谱理论等分支不可少的前提．

泛函分析是一门新兴学科，1932年才被正式列入德国《数学文摘》．“泛函分析”这个词首先 出现于列维(P．Lévy，1886—1971)的1922年出版的《泛函分析教程》中．它是一门分析学科，但与 传统的分析学科不太一样，后者强调演算，而前者强调概念．它们的对象也有所不同，后者主要讨 论个别函数(类)的性质，而前者主要讨论函数空间及其上算子的集合，特别是其上的拓扑、代数及 序结构．不过很难说它有一个统一的对象及目标．泛函分析大致可分为四大块：一是函数空间理论，

从希尔伯特空间、巴拿赫空间到一般拓扑线性空间的理论．二是函数空间上的分析，这是最先发展 的一部分，即所谓泛函演算．三是函数空间之间的映射及算子理论，发展最成熟的是希尔伯特空间 中的线性算子理论．四是算子(或函数)集合的代数结构，如巴拿赫代数、冯 诺伊曼代数、C*代数 以及算子半群等理论．

泛函分析的来源可以追溯到18世纪变分法的产生．正如微积分研究函数的极值一样，变分法研 究函数集(空间)上的函数——泛函的极值．而泛函分析的直接推动力则是19世纪末兴起的积分方程 的研究．它导致线性泛函分析的诞生．

泛函分析的发展可分三个时期：

第一阶段是创始时期，大约从19世纪80年代到20世纪20年代．开始是意大利一些数学家引进泛 函演算，特别是他们引进原始泛函以及线性算子的概念．后来法国数学家发展了泛函演算，这反映 在阿达马(J．Hadamard)在1897年第一次国际数学家大会上的报告中．他为了研究偏微分方程而考虑 了闭区间[0，1]上全体连续函数所构成的族，发现这些函数构成一个无穷维的线性空间，并于1903 年定义了这个空间上的函数，即泛函．这些还只是具体的结果．

法国数学家弗雷歇利用当时的集合论观念把前人的结果统一成为一个抽象的理论，他把他们的 共同点归纳起来而且加以推广：

(1)把函数或曲线看成一个集合或空间中的点．不妨把它们看成一个抽象集合．

(2)点列的极限概念也可以推广，这样有极限概念的集合他称为L空间，这是后来拓扑空间的萌 芽．

(3)集合上可以定义取值在实数里的实函数，即泛函．由于有了极限概念，就可以定义泛函的连 续性．

(4)泛函可以进行代数运算，也可以进行分析演算，比如微分．这样就成为名符其实的泛函分析

了．

1906年他还在抽象的空间中引进“距离”的观念，具有欧几里得空间距离的性质，这种空间就 有更丰富的结构．

大约在弗雷歇同时，希尔伯特对于积分方程进行系统的研究．他在前人基础上，深刻认识积分 方程与无穷多变无线性方程组之间的相似性，积分方程的有解性与无穷多变元的收敛性条件有 关．这样他实际上得到了具体的希尔伯特空间的理论．抽象的希尔伯特空间理论是他的学生施密特 (E．Schmidt，1876—1959)得到的．他引进实和复的希尔伯特空间的几何观念，把函数看成是平方 可积序列的空间(l²空间)的点．1907年，匈牙利数学家黎斯(F．Riesz，1880—1956)等人引进勒贝格 平方可积空间(L²空间)，发现其性质和l2空间相同，两个月之后，德国数学家费歇尔(E．Fischer，1875

—1959)与黎斯(M．Riesz，1886—1969)证明l²空间和L²空间同构，只不过是同一种抽象希尔伯特空 间的两种具体表现而已．这也反映出研究抽象空间的重要意义．黎斯—费歇尔定理也更清楚表明积 分理论和抽象空间的泛函之间的紧密联系．

1910年黎斯仿照L²空间研究了L^p空间(1＜p＜∞)就是p次方可积函数全体构成的空间，后又研究 l^p空间，它们不是希尔伯特空间，而是巴拿赫(S．Banach，1892—1945)空间．他发现l^p上连续线性 泛函全体

方面是不可少的工具．

第二阶段泛函分析正式发展成为一门学科， 1920年到1922年间奥地利数学家哈恩(H．Hahn，

1879—1934)，海莱(E．Helly，1884—1943)，维纳(N．Wiener，1894—1964)和巴拿赫都对赋范空间 进行定义并加以研究，海莱还得到所谓哈恩——巴拿赫定理．但对泛函分析贡献最杰出的是巴拿 赫．他进一步把希尔伯特空间推广成巴拿赫空间，用公理加以刻划，形成了系统的理论．他在1932 年出版的《线性算子论》一书统一了当时泛函分析众多成果，成为泛函分析第一本经典著作．

这时泛函分析不仅理论上比较完备，而且在古典分析的应用上起着举足轻重的作用，其中特别 是波兰数学家肖德尔(J．Schauder，1899—1940)和法国数学家勒瑞(J．Leray，1906—)的不动点理论 是现代偏微分方程理论的重要工具．他们把微分方程的解看成巴拿赫空间到自身映射的不动点，得 出了基本定理，这是现代非线性泛函分析的出发点．

1926年冯 诺伊曼来到哥丁根大学，当时正是哥丁根物理学与数学的全盛时代．量子力学的产 生和抽象代数、泛函分析的发展使人们思想空前活跃．冯 诺伊曼把希尔伯特空间公理化，并把量 子力学的数学基础建立在泛函分析之上．虽然冯 诺伊曼的公理的来源可以从维纳、外尔和巴拿赫 的工作中看到，但冯 诺伊曼的工作更为系统，特别是他关于厄米算子的谱理论．

三十年代末，波兰数学家马祖尔(S．Mazur，1905—1981)与苏联数学家盖尔范德(Ц.М.Гел

ьфанд，1913—)发展巴拿赫代数(赋范环)理论，而且通过抽象方法轻而易举证明古典分析中的 大定理．这显示了泛函分析方法的威力，也论证了泛函分析的独立存在的价值．

第三阶段是泛函分析的成熟阶段．从40年代起泛函分析在各方面取得突飞猛进的发展．头等重 要的事是施瓦兹(L．Schwar－tz 1915—)系统地发展了广义函数论，它现在已成为数学中不可缺少的 重要工具．它的前身就是狄拉克(P．Dirac，1902—1984)在量子力学中引进的δ函数．

第二次世界大战以后，泛函分析取得突飞猛进的发展：1920年到1940年间所发展的局部凸向量 空间理论的技术在1945年后主要通过沙顿(R．Schatten，1911—)及格罗登迪克(A．Grothendieck，1927

—)引入拓扑张量积的理论而完成．在这个理论的发展过程中，格罗登迪克引进一种新型的拓扑凸空 间一核空间，它在许多方面比巴拿赫空间还接近于有限维空间，并且具有许多卓越的性质，使它在 泛函分析及概率论的许多分支中证明是非常有用的．

巴拿赫时代就提出来的两个老问题直到1973年才被恩福楼(P．Enflo)否定解决掉：他造出一个 可分巴拿赫空间，其中不存在(巴拿赫意义下的)基；他还造出一个可分巴拿赫空间的紧算子的例子，

它不是有限秩算子(关于紧集上的一致收敛拓扑)的极限．

1900年到 1930年间由希尔伯特、卡勒曼(T．Carleman，1892—1949)及冯 诺伊曼所发展的希 尔伯特空间的算子谱理论由于盖尔范德及其学派于1941年所创始的巴拿赫代数理论而大大简化及 推广．但是，这个理论中最有趣的部分仍然是冯 诺伊曼代数的研究．冯 诺伊曼代数的研究开始 得稍早一些，它和希尔伯特空间中局部紧群的酉表示理论有着非常紧密的联系．在冯 诺伊曼的先 驱性文章之后，这些代数的分类并没有取得多少进步，特别是相当神秘的“Ⅲ”型因子．到1967年，

不同构的Ⅲ型因子只知道三个．其后，事情开始发展很快，几年之内许多数学家发现了新的Ⅲ型因 子，一直到1972年到达顶点，发展成一般的分类理论，这个分类理论是建立在富田稔(1924—)的思 想及康耐(A．Connes，1947—)定义的新的不变量的基础上的，康耐的不变量使他解决了冯 诺伊曼 代数理论中许多未解决的问题．

五、拓扑学

拓扑学是现代数学的基础，研究拓扑空间及其间的连续映射．在20世纪初期，分为一般拓扑学 (也称点集拓扑学)及组合拓扑学．一般拓扑学讨论点集的一般的拓扑性质，如开、闭性、紧性、可 分性、连通性等等．它们的具体体现可追溯到很久以前，但抽象化的定义则是20世纪的事情．最早 的拓扑概念在康托尔、拜尔(Baire1874—193z)及若尔当等人著作中已经出现，1906年弗雷歇正式提 出非度量的抽象空间，同时黎斯也提出“聚点”的公理化定义，然后用它定义邻域，但真正从邻域 出发定义拓扑的是豪斯道夫(F．Hausdorff，1868—1942)，他在1914年的《集论大纲》中通过邻域定 义所谓豪斯道夫空间以及开集、闭集、边界、极限等概念，从而正式形成了一般拓扑学的分支．另

一种不通过度量定义拓扑的方法是库拉托夫斯基(C．Kurat－owski，1895—1980)在1922年提出来的，

他用闭包概念定义拓扑．1923年，蒂茨(H．Tietze，1880—1964)以开集做为定义拓扑的中心概念，

现在通用的公理首先是亚历山大洛夫(П．С．Александров，1896—1982)在1925年提 出来的．豪斯道夫在他的书的第二版《集论》中加以总结，使—般拓扑学的表述得以确立下来．

使组合拓扑学成为一个重要的数学分支的是庞加莱．他在1881年到1886年在微分方程定性理论 以及后来天体力学的研究中，都有意识地发展拓扑的思想．他从1892年起对拓扑学开始进行系统地 研究．在1895年到1904年发表的关于“位置分析”的六篇论文中，他创造了组合拓扑学的基本方法 并引进重要的不变量，同调及贝蒂数(1895)、基本群(1895)、挠系数(1899)，并进行具体计算．他还 证明了庞加莱对偶定理的最初形式．1904年他提出了著名的庞加莱猜想；单连通、闭(定向)三维流 形同胚于球面．他有意识地研究两个闭流形(首先是三维流形)同胚的条件．在他的第二篇补充(1900) 中，曾猜想如果两个闭流形的贝蒂数及挠系数对应相等，则它们同胚．但不久(1904)他自己就举出 反例，因而他进一步把基本群考虑进去．1919年美国数学家亚力山大(J.w.Alexander，1888—1971) 举出两种透镜空间，证明它们贝蒂数、挠系数和基本群对应相等，但仍不同胚．至今三维流形的同 胚问题尚未解决．

布劳威尔继庞加莱之后对拓扑学做出突出贡献，创造单纯逼进方法，使拓扑学的证明有了严格 的基础．1915年亚历山大证明贝蒂数及挠系数的拓扑不变性．对偶定理是拓扑不变量之间关系的重 要方面，1922年亚力山大证明亚历山大对偶定理，是对庞加莱对偶定理的重要补充及发展．1930年，

列夫希兹(S．Lefsc－hetz，1884—1972)证明列夫希兹对偶定理，以上述两定理为其特殊情形．

对基本的拓扑不变量加以改造，早在1908年蒂茨的文章中已经开始，他和其他人开始考虑整数 以外的系数，如模p系数及有理数．1926年亚历山大引进Z_n系数．1925年底到1926年初，诺特同亚 历山大洛夫等拓扑学家接触时，曾建议把组合拓扑学建立在群论基础上，在她的影响下，浩普夫 (H．Hopf，1894—1971)于1928年定义同调群，但诺特的思想直到以后才逐步为大家了解和接受．1935 年切赫(E．Cech，1893—1960)考虑系数取在任何交换群中．

二十年代起，数学家曾试图把同调论从流形逐步推广到更一般的拓扑空间．先是维埃陶瑞斯 (L.Vietoris，1891—)(1927)、亚历山大洛夫(1928)等人推广到紧度量空间，继而切赫推广到一般拓扑 空间(1932)，即所谓切赫同调论．同时列夫希兹发展了奇异同调论．这是两个最重要的同调理论．在 代数与几何的对偶观念的影响下，许多数学家在三十年代初提出同调群的对偶观念——上同调 群．除了同调群和上同调的加法结构外，许多人从各个角度寻找其中的乘法结构，列夫希兹和浩普 夫在1930年左右研究流形的交口环．1935年到1938年亚力山大、切赫、惠特尼(H．Whitney，1907

—1989)、柯尔莫哥洛夫(А．Н．Колмогоров，1903—1987)等人独立引进复形的上积．后 来才证明(1952)一般同调不一定有上同调那种自然的乘法．上同调具有环的结构，带来更多的应 用．1947年，斯廷洛德(N．Steenrod，1910—1971)定义了平方运算，后来发展成上同调运算的理论．

同样在三十年代，另一个更广泛的概念——同伦产生了．同伦观念的重点由拓扑空间的性质转 移到空间与空间的映射的性质上．1895年庞加莱定义的基本群是第一个同伦群．其后布劳威尔、浩 普夫等人对于球面到球面的映射进行过初步的研究，得出拓扑度的概念．尤其是1931年浩普夫映射 的发现促使人们注意连续映射的研究．1932年，切赫在国际数学家大会上定义了高维同伦群，但未 引起注意．1933年波兰数学家虎尔维兹(W．Hure- wicz，1904—1956)对连续映射进行研究，在1935

—1936年发表四篇论文，定义了高维同伦群并研究了其基本性质．虎尔维兹还定义了伦型的概念，

由于当时所知的大多数拓扑不变量均为伦型不变量，使同伦论的研究有了巨大的推动力．1942年列 夫希兹的《代数拓扑学》问世，标志着组合拓扑学正式转变为代数拓扑学．

第二节 老学科的新进展

一、复变函数论

19世纪数学上最主要的成就之一是复变函数论的产生与发展．有人说“19世纪是函数论的世 纪．”实际上，19世纪研究的主要是特殊函数，特别是椭圆函数及其推广，以及特殊的应用，尤其 是用残数演算计算定积分和为绘制地图而进行的保形变换的研究．复变函数论三个奠基人是柯西、

黎曼和魏尔斯特拉斯，他们各有一套方法和课题，各有自己的追随者．到19世纪末，出现了这三条 途径的融合，形成了统一的复变函数论，另外，把一般函数论作为函数论的主要方向大大扩充了函 数论的研究领域．

整函数及亚纯函数理论．比多项式复杂的函数是超越整函数，n次多项式有n个根，它可以表示 为各因子的乘积．如果复变元z的复值函数在所有不等于∞的点z处全纯，则称f(z)为整函数．当∞是 f(z)的极点，f(z)就是多项式，而不是多项式的整函数，就是超越整函数，例如e^z，，sinz，cosz等．魏 尔斯特拉斯最先研究一般(超越)整函数，他在1876年把整函数表示成典范乘积．他还证明，所有复

值都是f(z)可以趋于任何复数值C．1879年法国数学家皮卡(E．Picard，1895—1941)证明了皮卡大定 理：每一个超越整函数f(z)对每一有限值w，最多除了一个之外，都取无穷多次．这个定理成为后来 值分布理论的出发点．这个可能不取的值称为例外值，如果我们把∞也算一个值，则例外值可以有 两个．儒利雅(G．Julia，1893—1978)在1919年把皮卡定理加以精密化，他证明，对于超越整函数，

至少存在一个方向，在这个方向的狭窄角域中，皮卡定理也成立，这个方向称为儒利雅方向．

比整函数再稍微复杂一些的函数是亚纯函数(半纯函数)，它在复平面上可以有极点．同样，魏 尔斯特拉斯也给出了表示．1877年瑞典数学家米塔格—莱夫勒(G．Mittag－Leffler，1846—1927)给 出部分分式的表示：

对于亚纯函数，皮卡大定理也成立．在经过许多人研究之后，芬兰数学家耐凡林那

(R．Nevanlinna，1895—1980)对于亚纯函数的值分布理论进行了统一的论述．他引进了特征函数T(r) 及亏数等概念，证明了第一、第二定理，使值分布理论成为精致的定量理论． 1935年芬兰数学家 阿尔福斯(L．V．Ahlfo－rs，1907—)用拓扑的方法建立了覆盖面理论，由它不仅可推出耐凡林那理 论，而且还得出亚纯函数许多其他结果，由它还明确了例外值个数2的拓扑意义，它与球面的欧拉 示性数有关．其后的值分布理论是本着耐凡林那理论的模式向一般区域或黎曼面上推广．

幂级数及狄利克雷级数是应用最多的复变函数，从19世纪末有着多方面的研究．特别是一个幂 级数的收敛圆周成为自然边界的条件，有各种各样的缺项定理．应用上最常用的是陶伯尔型定理．陶 伯尔型定理是

奥地利数学家陶伯尔(A．Tauber，1866—1943)给出逆定理成立的条

李特尔伍德的陶伯尔型定理推广到可测函数，进而证明素数定理．在数

的研究，另外也有相应的陶伯尔型定理，在数论上有许多应用．

函数论一个重要方面是保角映射，其基本定理是黎曼映射定理(1851)．它指出单连通区域之间

可通过解析函数进行保角映射．在区域D内定义的单值解析函数f(z)，如D内不同两点映到不同点，

称为单叶函数．单叶函数理论是保角映射的重要组成部分，在单位圆内单叶函数族的理论开始于科 贝(P．Koebe，1882—1945)单值化问题的研究．他于1909年得出畸变定理，畸变定理反映函数值的 某种限界．德国数学家比勃巴赫(L．Bieberbach，1886—1982)在1916年推导定量结果时，得出单叶 函数系统理论，同时证明单叶函数｜a₂｜≤2，他猜想｜a_n｜≤n．几十年来，数学家对所猜想发表 了上千篇论文，研究了各种方法，特别

方程，首先证明｜a₃｜≤3．美国数学家席弗尔(M．Schiffer，1911—)在1938年引进变分方法，后得 出｜a₄｜≤4(1956)．到1972年才证明对a5，a6比勃巴赫猜想成立．出乎人们意料，美国数学家德、

布兰吉斯(L．de Bianges，1932—)1984年一举完全证明比勃巴赫猜想，从而结束了这个问题近七十 年的历史．

对于开黎曼面的分类，最初是分型问题，即区别是一圆盘还是复平面是开黎曼面的覆盖面．由 芬兰数学家阿尔福斯、梅尔堡(P．J．Myrberg，1892—1976)等人在三十年代初开始研究，后来进入 一般开黎曼面的分类，这是从撒利奥(L．Sario，1916—)1946年的工作开始的．

函数论方面一个老问题是单值化问题，也就是象圆x²+y²=1这样的代数函数，能不能找到一个单 值的参数表示(如x=cost，y=sint就是)．19世纪许多大数学家都对此做过贡献．一直到1907年，整个 问题才由科贝和庞加莱独立地解决．像代数函数这样的多值函数，怎样表示为单值化的曲面上的单 值函数的问题，早在19世纪中叶由黎曼得出富有想象力的黎曼面的观念．他的几何思想不仅推动几 何函数论的发展，而且也预示着曲面拓扑学的萌芽．1913年，德国数学家外尔(H．Weyl，1885—

时代的著作，对黎曼面做了抽象的刻划，引进了复流形的概念．匈牙利数学家拉多(T．Rado，1895

—1965)及罗马尼亚数学家斯托伊洛夫(S．Stoilow，1887—1961)有着基本的贡献．对于闭黎曼曲面 的分类，归结为参模结构的研究．近年来，对于黎曼面的参模的结构进行了重要的研究，这方面的 工具是1928年德国数学家格罗采(H．Grotzsch，1902—)引进的拟保角映射．保角映射把地图上一小 圆映成一个小圆，保持两条线交角不变，而拟保角映射则可看成把一个小圆映成一个小椭圆．1939 年德国数学家台什缪勒(O．Teichmiiller，1913—1943)应用极值保角映射观念研究黎曼面的模，他的 文章极为晦涩后来发现思想倒是对头的．战后沿着这条路线取得了巨大进展．

傅里叶级数原来是处理直线(－∞，＋∞)上，周期为2π且在[0，2π]上可积的数值函数(最好令

其为复数值)，这样的函数f的傅里叶级数是

由于e^inx=cosnx+isinnx，因此可用sin和cos来表达傅里叶级数．这种实的形式在几何上更直观，复指 数形式在代数上更容易处理和推广．主要问题是函数f的傅里叶级数的“和”是否存在，是否“等于”

f．最初“和”与“等于”自然地理解为逐点收敛的，后来自然的和更富成果的是几乎处处收敛与依 范数收敛．人们早就知道，存在连续函数的傅里叶级数，它在某一点上，甚至在许多点上发散．如 果考虑齐撒罗意义下的求和，则费耶尔(L.Fejer，1880—1959)定理(1904)指出：在这种意义下每一连 续函数f的傅里叶级数逐点收敛于f．但可积函数情况就差得多，柯尔莫哥洛夫证明若只要求f∈L¹[0，

2π](即f在[0，2π]上可积)，则f的傅里叶级数可以几乎处处发散(1923)，或甚至于处处发散(1926)．

鲁金提出：如果f∈L²[0，2π]，则f的傅里叶级数是否几乎处处收敛于f呢？过了50年仍无法回 答这问题，想证明答案是肯定的努力，遭到无数次失败以至50年代到60年代专家们几乎一致认为，

鲁金问题的答案必定是否定的．令人感到惊异的是：答案却是肯定的．1966年，瑞典数学家卡尔松 (L．Carleson，1928—)给出了第一个证明，他的成就的一个突出之点是他没有用到以前所不知道的 技巧．次年洪特(R．A．Hunt)证明，对f∈L^p[0，2π]其中1＜p＜∞，则f的傅里叶级数几乎处处收敛 于f．这样就漂亮而完整地结束了傅里叶级数论中最重要的一章．

函数f及其傅里叶级数的系数序列{a_n}之间关系，只当平方可积函数(∈L²)时才有极好的性质；即 1907年由黎斯及费舍尔独立证明的黎斯—费舍尔定理，它指出任意L²中的函数都存在收敛于其自身 的傅里叶级数，反过来对任意平方可和序列{a_n}，也都存在L2中的函数f，使{a_n}为其傅里叶级数的系 数序列，同时有帕塞瓦尔(M．A．Parseval，1755—1836)定理成立：

这当然是最理想的情形．但是，对于任L^p，1≤p≤≥∞，情形要复杂

级数．1930年起，李特尔伍德及佩利(R．E．Paley，1907—1933)创立李特尔伍德—佩利理论，特别 是把f分解为“二进”块之和：△₀+△₁＋…+△k＋…△_k=∑a_ne^inx．用这个分解来代替傅里级数可得

L^p空间的结果．相应于L^p空间，对于单位圆上的全纯函数，哈代及黎斯建立了哈代空间H^p理论．对 于1＜p＜∞，可证L^p与H^p同构，有趣的情形只是H′及H^∞．

以傅里叶级数理论为模式，可以在许多方向上进行推广．首先是从周期函数推广到全实线(-∞，

∞)上的任意函数，这样就产生傅里叶积分理论．对于在(－∞，∞)上的勒贝格可积函数f，可定义其 傅里叶积分或傅里叶变换式

傅里叶积分理论大致与傅里叶级数理论平行，也有许多差别，例如对周

的函数．与傅里叶级数情形类似，L2的情形最理想，对此普兰舍瑞尔(M．Plancherel，1885－1967) 在1901年到1915年进行研究，特别是1910年证明了普兰舍瑞尔定理：傅里叶变换F及其逆变换F^－1 是L²空间到自身的等距变换．这定理是后来许多推广的出发点．由此推出帕舍瓦尔定理成立：

其中‖‖₂表示L²中的范数，对于L^p空间，1≤p≤2，相应的等式只有不等式

年得出的．由此出发，发展出一套算子内插理论．

第二次世界大战前后，傅里叶分析向多维化及抽象化方向发展，多维傅里叶分析正如多复变函 数论一样，与一维情形相距甚远，最早是波赫纳的工作， 50年代起卡尔德隆(A.P.Calde－ron，1920

—)与齐格蒙所创立的奇异积分理论起着最重要的作用．其后，斯坦因(E．M．Stein，1931—)和外 斯(G．Weiss，1928—)把H^p空间理论推广到高维，而且还在一维问题也有突破．1971年巴克荷路德 (D．Burkholder 1927—)等人用概率论的方法刻划H′中函数的实部，次年费弗曼(C．Fefferman，1949

—)及斯坦因把它推广到n维．同时，费弗曼证明，H′空间的对偶空间是BMO，这里BMO是1960年 由约翰(F．John，1910—)及尼仑伯格(L．Nirenberg，1925—)引进的有界平均振动函数空间，这个 结果也被立即推广到n维．

由于周期函数可以看成是定义在圆圈群T上的函数，R本身对加法也是交换群，调和分析最大的 推广是推广到一般的群上．这在五十年代产生出抽象凋和分析的理论．对于局部紧交换群，有一套 漂亮的理论，例如用代数方法证明1932年维纳的强有力的广义陶伯尔型定理，而对于局部紧李群，

则与艰深的群表示论方法结合，形成非交换调和分析的庞大分支．

三、微分方程

常微分方程的研究随着微积分的诞生就已开始．从天文学、力学、物理学及几何学的问题引进 各种常微分方程．18世纪到19世纪数学家用各自方法进行求解，除了明显形式解之外，主要是通过 幂级数及积分把解表示出来．19世纪初，通过数学物理方程经过变量分离法，导出许多特殊的常微 分方程，如贝塞尔方程、勒让德方程等，对它们解的研究构成了特殊函数的重要分支．一般常微分 方程求解问题，首先是拉格朗日发展的．在19世纪中叶，由于黎曼及富克斯(L．Fuchs，1833—1902) 的工作形成了系统的解析理论．但直到19世纪最后20年，常微分方程理论才形成自己的理论基础．

首先是常微分方程的代数理论．受到代数方程的伽罗瓦理论的启发，皮卡在1883年把群论引进 线性常微分方程，其后法国数学家德拉什(J．Drach，1871—1941)和维索(E．Vessiot，1865—1952) 继续这方面的工作．伴随着抽象代数学的发展，这理论溶入微分代数学的框架之中，到五十年代又 纳入代数群理论当中．

现代微分方程论的基础是解的存在性、唯一性以及连续性等等，因为大部分微分方程的实际背 景是来自自然界的描述，而其解则反映自然界的客观运动规律，因此解的存在性、唯一性有着重大 的现实意义．关于常微分方程解的存在性的考虑，首先来自柯西，他的一系列论文奠定了各种存在 性证明的基础．第一种方法来源于欧拉折线法(1768)，柯西在1820年建立，李普希兹(R．Lipschitz，

1832—1903)于1869年作了改进，皮亚诺在1890年得到存在性定理，配隆在1915年又加以改进，他在 1925年还得出初值问题的充分必要条件．对于解析系数的方程，柯西在1840年用所谓极限演算即优 函数法证明解的存在性．第四种方法来自拉格朗日的常数变易法，后来庞加莱推广成小参数法．

常微分方程论主要困难还在于非线性问题．1881年到1886年，庞加莱发表一组四篇题为“由微 分方程所确定的积分曲线”的论文，开辟了微分方程定性理论的新方向．他一反过去具体局部求解 的做法，而着重研究大范围内解的曲线形态，他发现，微分方程的奇点起着关键的作用．于是，他 把奇点进行分类，然后研究解在奇点附近的性态，这样可以定性地确定解是否稳定．

俄国数学家李雅普诺夫(А．М．Ляпунов，1857—1918)从1892年起从另一角度研究稳 定性问题，他的方法是定量的．他证明，在奇点附近解的稳定性依赖于特征方程的根，如果根都具 有负实部，则方程所有解才是稳定的．

1901年瑞典数学家本迪克逊(I．Bendixson，1861—1935)提供了判断某区域内存在闭轨道的准则，

并证明庞加莱——本迪克逊定理，这个定理给方程存在周期解一个肯定的判据．

微分方程在假定解的存在性及连续性前提之下，应用相空间的拓扑结构及向量场的解析结构可 以得到解的行为的定性信息(如稳定性、周期性、回归性等等)．如庞加莱提出猜想：狭义三体问题 存在无穷多周期解．他没能够证明它，只是在他临终前几个月，把这个问题归结为一个拓扑定理，

所谓“庞加莱最后的问题”：由两个同心圆构成的圆环保持面积不变，且在两同心圆上方向相反的

一对一连续映射，一定在圆环内至少有两个不动点．没有料到，庞加莱去世还不到半年，美国数学 家柏克霍夫(G．D．Birk－hof，1884—1944)就证明了这个定理，使欧洲数学界大为震惊．柏克霍夫 受庞加莱的强烈的影响，在1912年到1931年二十年间，应用拓扑技术，研究动力系统许多问题，特 别是极限集、回归性、极小集的结构等．他的工作总结在1927年出版的《动力系统》(Dynamical Systems) 一书中．30年代，苏联数学家开始研究动力系统，他们得到一些基本概念，特别是流及结构稳定性 等．另外，他们在李雅普诺夫稳定性理论中也有许多贡献，特别是许多新工具、新方法在定性理论 上有种种应用，其中包括：不动点理论、拓扑度理论、半群理论、同调理论、代数几何方法等等．

动力系统另一重要问题也来自天体力学，这就是周期系数的常微分方程的同期解的存在问 题．经过厄米特(1877)、皮卡(1881)的研究，希尔(G．Hill，1838—1914)的工作及庞加莱关于渐近解 的观念之后，富洛凯(G．Floquet，1847—1920)在1883年给出一个完整线性方程的理论．到20世纪，

周期系数推广到概周期函数上面．1924年到1926年丹麦数学家玻尔(H．Bohr，1887—1951，著名物 理学家玻尔的弟弟)开创了这方面的理论，其后博赫纳(S．Bochner，1899—1982)及冯 诺伊曼作出 重大贡献．1933年法瓦(J.Favard，1902—1965)出版这方面的第一部书，书中给出一阶线性概周期系 数方程具有概周期解的充分条件，后来还推广到非线性方程上面．

偏微分方程的出现要比常微分方程晚半个世纪，最早是达朗贝尔(1744)及欧拉研究流体力学开 始的．18世纪末，从位势理论中产生拉普拉斯方程．对它的研究一直贯彻到19世纪末，研究热传导 方程使傅里叶得到傅里叶级数．波动方程的求解导致黎曼、克里斯托费尔关于间断解的研究．这些 二阶线性方程虽在1889年由德国数学家杜布瓦累芒加以分类，分别称为椭圆型、抛物型及双曲型方 程，但是一般理论并不成熟．当时只有柯西及柯瓦列夫斯卡雅的存在定理．而一般理论到本世纪初 才由阿达马开始探讨．他1903年声称偏微分方程的“适定”问题，不仅要求解存在及唯一，而且要 连续地依赖于给定的初始条件或边界条件，否则就不是有物理意义的解．

这种连续性的要求，不仅是泛函分析的源泉，也是应用泛函分析的领域．如现在偏微分方程最 常用的方法是先验估计，首先证明对条件的连续性，然后应用泛函定理(巴拿赫定理及黎斯定理)证 明存在性和唯一性．反过来，巴拿赫的闭图象定理又可以在多种情形下，由存在性及唯一性证明连 续依赖性．另外，阿达马对于二阶正规型双曲型方程引进基本解(法文称初等解)的概念．1930年勒 瑞、肖德尔的不动点定理，索保列夫(С．Л．Соболев 1908—)在1936年引进广义解的概念，

尤其是施瓦兹的整个广义函数论，给偏微分方程提供了系统的函数空间工具．

第二次世界大战以后，偏微分方程理论取得巨大的发展：1954年左右马尔格朗日(Malgrange，

1928—)等人证明对于常系数线性偏微分方程都存在基本解．1956年刘威举出著名的反例，对于先滑 系数线性方程可能没有解存在．1958年卡尔德隆证明光滑系数偏微分点子的柯西问题的唯一性条 件．1970年，尼仑伯格等人分别得出这类方程有解的充分条件和必要条件．1973年，费弗曼等人得

出充分必要条件．在这个过程中，1956年许多人同时引进一大类伪微分算子，1968年又被推广为傅 里叶积分算子．这一大类算子不仅包含以前所知的微分算子，而且也包括奇异积分算子．它们的集 合构成算子代数，具有很好的不变性质．

1967年，加德纳等人解决了浅水波的考德威克赫(D．J．Korteweg1848—1941)—德 夫瑞斯(A．de Vries，1858—1939)方程的孤立子解，震动了整个数学及物理学界，它们的方法是逆散射方程，即 利用散射数据．

代数几何学的对象原来是欧氏平面中的代数曲线以及三维欧氏空间中的代数曲线及曲面，后来 推广到高维欧氏空间中的代数方程组所定义的代数簇．从几何上来看，它是解析几何学的延长，在 解析几何学中对于二次代数曲线和曲面已有相当完整的结果，从牛顿起着手对三次代数曲线进行分 类．18世纪，代数几何学的基本问题是曲线和曲面的交截问题，这在代数学上是消去法问题．随着 18世纪末射影几何学的兴起，开始了射影几何方法的研究．这时引进无穷远点及虚点，考虑问题也 从实数扩张到复数．德国数学家普吕克(J．Plücker，1801—1868)在 1834年得出平面曲线的普吕克 公式，它联系平面代数曲线的阶数、类数、二重切线数、拐点数等等．特别由此证明一切三阶曲线 均有几个拐点．1839年他发现四阶曲线有28条二重曲线，其中至多8条是实的．黎曼的函数论方法 对代数几何学以极大促进，他把代数曲线作为黎曼面上的函数论来研究，黎曼更引进第一个双有理 变换不变量——亏格，开辟了代数几何学新的一章，他和他的学生洛赫(G．Roch，1839—1866)得 出黎曼—洛赫定理是代数曲线的基本定理，也是各种推广的出发点．黎曼去世之后，他的成就为各 种流派所继承．首先是克莱布什(R．Clebsch， 1833—1872)重新把黎曼用函数论方法得到的结果改 写成代数曲线的结果，而他的学生M．诺特(M．Noether，1844—1921)则是代数几何方向的首创者．他 在1871年首次证明平面代数曲线的奇点解消定理，1874年和布瑞尔(A．Von Brill，1842—1935)合作，

引进线性系的概念，给黎曼—洛赫定理一个代数的证明．1882年M．诺特和哈尔芬(G．Halphen，1844

—1889)把他们的工作推广到空间代数曲线上．同年，诺特给出三维射影空间内代数曲线分类的表，

戴德金和韦伯开辟了以理想为基础的代数方向，而克罗内克则是以除子为基础．

到19世纪中叶，代数曲面只有零散的特殊结果．1849年，萨蒙(G． Salmon，1819—1904)及凯 莱证明在没有奇点的三次代数曲面上存在27条直线．一直到1868年克莱布什才从双有理变换观点讨 论代数曲面．它定义第一类重积分，并征明其线性独立的最大数目是双有理不变量，称为几何亏格 P_g，它与凯莱在1869年由另外途径引进的算术亏格P_a一般并不相等(1871年错玉登H．G．Zeuthen，

1839—1920，及诺特在1875年证明其不变性)．从1870年起M．诺特发展了他的思想，他还引进曲面 的线性亏格P⁽¹⁾，并研究曲面上代数曲线得出曲线亏格公式，他还引进例外曲线的概念．从19世纪80

年代末起，意大利的代数几何学派继承了M．诺特的几何思想，开始对代数几何学、尤其是代数曲 面进行研究．其主要代表人物是卡斯泰努沃(G．Castelnuo-vo，1865—1952)、恩瑞克斯(F．Enriques，

1871—1946)和稍晚的塞梵利(F．Severi，1879—1961)，他们主要的结果是代数曲面的分类．头一个 结果是贝尔蒂尼(E．Bertini，1846—1933)在1877年给出的平面对合变换的分类，1893年，卡斯泰努 沃解决了吕略特(J.Lüroth，1844—1910)问题，1896年他提出并解决用数值不变量刻划有理曲面的问 题，曲线只有唯一数值双有理不变量——亏格，亏格为0是曲线是有理曲线的充分且必要条件，对 于曲面则有多种不变量：除了P_g，P_a，P⁽¹⁾之外还有恩瑞克斯引进的多亏格P_k(k≥2)与曲线的情形不 同， P_g＝P_a＝0还不足以保证代数曲面是有理曲面，要保证这点的充分必要条件是Pg＝P₂=0．恩瑞 克斯给出曲面是直纹曲面(直线与一个亏格为g的曲线的乘积)的充分必要条件是P₄＝P₆＝0．另外还 发现一些特殊的曲面，最主要的是恩瑞克斯六阶曲面和K．曲面．K₃曲面的一个特殊情形是库默尔 于19世纪60年代引进的具有16个二重点的四阶库默尔曲面．这一切都导致恩瑞克斯在20世纪初一系 列论文中对于曲面的分类．1914年，由P₁₂的不同分成四大类．意大利学派这方面的成果总结在1949 年出版的恩瑞克斯《代数曲面》(Le superficie algeb- iche)一书中．

与意大利学派大约同时的是法国的超越方法，从某种意义上来讲，这是黎曼研究代数曲线观点 的直接继续，只不过把单变量代数函数论推广成两个变量代数函数论，即由三个复变量的不可约多 项式P(x，y，z)=0定义的代数函数．黎曼研究的黎曼面的拓扑结构及黎曼面上的有理函数及阿贝尔 积分都被庞加莱及皮卡推广到代数曲面上，但是代数曲面情形要复杂得多．皮卡在1899年发展了第 二类二重积分理论，不过独立的数目与亏格无关．

微分几何学是随着微积分一起产生的．有了微积分这种有力工具，加上解析几何带来的坐标表 示，不难求出给定曲线的切线，曲线的长度，曲线的曲率(弯曲程度的度量)．对于三维空间中的曲 面，可以具体求出曲面在一点的切平面，法线，并研究曲面上曲线的一些性质．1827年德国大数学 家高斯建立了曲面的“内在”几何学．他用曲线坐标(好像球面上经纬度)来代替三维笛卡儿坐标，

证明曲面在一点的全曲率(即高斯曲率，为两个主曲率的乘积)，只依赖于曲面上两点间的无穷小距 离平方ds²，与如何把曲面嵌入到三维欧几里得空间的方式无关．黎曼发展了高斯的思想，把几何从 二维、三维推广到任意维，把曲线、曲面推广到任意维流形，从而开拓了黎曼几何的新篇章．它的 主要工具是张量分析．

在黎曼的影响下，德国数学家克里斯托费尔(E.B.Chri-stoffel，1829—1900)把ds²推广成一般的形 式∑gijdxidxj，研究在局部坐标变换之下，两个ds²是如何互相变换的．这样他引进了以他名字命名 的克里斯托费尔记号Г_jkⁱ．利用这个记号他能够对于向量场进行微分，即所谓协变微分法．1887年

意大利数学家里奇(R．Ricci-Curbastro，1853—1925)定义了张量概念，在克里斯托费尔公式的启发 下，定义了张量的一般运算，即协变微分或绝对微分法．有了这个工具，对于黎曼几何的研究对象 黎曼流形(即微分流形具有一个指定的正定黎曼度量ds₂)，也可以定义类似高斯曲率的量，但这时曲 率不是一个数量，而是一个张量，称为曲率张量(或黎曼——克里斯托费尔张量)．如果曲率张量处 处相等，则黎曼流形称为常曲率的．非欧双曲几何(罗巴切夫斯基几何)，就是研究曲率＜0的常曲率 空间；而非欧椭圆几何，则是研究曲率＞0的常曲率空间．普通欧几里得空间，处处曲率都等于0．

20世纪初，微分几何学还与克莱因的变换群观点下的几何学结合起来，形成了射影微分几何学、

仿射微分几何学及保形微分几何学．射影微分几何学研究空间中图形的微分几何性质中在射影变换 群下不变的那些性质．在达布(J.G.Darboux)的曲面论中已多处看到其萌芽．本世纪初，美国数学家 魏尔钦斯基(E．J．Wilczynski，1876—1932)和意大利数学家福比尼(G．Fubini，1876—1943)独自进 行了系统的研究，后来E 嘉当、切赫、意大利数学家邦比安尼(E．Bompiani， 1889—1975)均作出 重大贡献．相应有仿射微分几何学．对这种几何学，定向闭超曲面的体积是不变量．对于这种几何 学，能够应用活动标架法．在这方面作出主要贡献的是德国数学家布拉施克(W．Blasckke，1885—

1962)，他特别对曲线、曲面得出大范围性质．布拉施克也对保形微分几何学进行研究．他的《微分 几何学讲义》(Vorlesungen über Diferentialgeometrie)(Ⅱ1923，Ⅲ1929)长期以来是这方面标准著作．

1901年里奇和他的学生列维—奇维塔(T．Levi-Civita，1873—1941)系统地建立了张量分析的技 术，提出求绝对微分不变式的一般问题，并且指出这些与坐标选取无关的量在物理问题与数学问题 中肯定是有意义的．20世纪初，张量分析还只是少数数学家手中的工具，而一旦被爱因斯坦用在广 义相对论上，不仅物理学家找到理想的数学工具，反过来激发人们对于黎曼几何及张量分析的兴趣，

从而极大推动了微分几何学的发展．数学家决不满足于只给物理学家提供工具，他们要走自己的道 路，而在这条道路上后来依然不断地为物理学提供工具．

由于黎曼几何学在爱因斯坦广义相对论中取得成功，引起了数学家对黎曼几何学的各种推 广．芬斯拉(P．Finsler，1894—1970)在他的1918年博士论文中首先把线素ds中的基本张量gij推广，

即gij不仅依赖空间中的点而且还依赖该点切向量的方向．因此，由度量得到克里斯托费尔符号不规 定联络．于是E．嘉当由一般联络理论定义芬斯拉空间上的联络，不过，它具有三种曲率张量，从 而比黎曼空间复杂得多．更一般的道路几何学由美国数学家爱森哈特(L．Eisenhart，1876—1965)及 维布伦在1922年提出来，以微分方程定义的道路为空间的基本元素．另外，E 嘉当提出以面积元 素为基础的空间，称为嘉当空间，1937年日本数学家河口商次(1902—1984)更提出更一般的高阶线 元空间或河口空间．

1917年，列维—奇维塔提出平行移动的概念．他的出发点是考虑黎曼流形上两个向量平行的意 义，他把向量场X(t)沿曲线Г平行移动定义为X(t)，对曲线的协变微分等于0，由此推出沿着测地线(也