为什么现在数学系普遍不学椭圆函数、超几何函数等特殊函数?


除了课程设置方面的原因,我想从历史考据的角度来回答一下。

因为时代风向变了。

如果你生活在 19 世纪和二十世纪第二次世界大战之前,那么椭圆函数、模形式、超几何函数这些内容,会是数学课程甚至数学考试的主要内容。

这些内容究竟“主要“到什么程度呢?以两个”课本“为例。

H.Weber 在 1890 年代写了三卷的 'Lehrbuch der Algebra', 被誉为”经典时代的最后一本主要的代数课本“。虽然名曰”代数教程“,这套教科书专门用了第三卷整一卷 700 多页的篇幅来讲椭圆函数、模形式(和代数数域的关系,特别是 CM-fields)。放在今日国内,100 个做代数的人,恐怕有 90 个都不知道椭圆函数模形式为何物。

另一个则是 1902 年(第一版)的 Whittaker & Watson 'A course of modern analysis'。这本书名曰‘现代分析’,但是内容和我们现代理解的‘现代分析’可以说几乎毫不相关。这本书按照当下的分类应当更名为‘复变函数与特殊函数大全’。另外,这本书中的相当多的题目,都是剑桥 Math tripos 的试题。因此也难怪 ‘在 1936-1937 年度清华大学算学部的选修课程表中序号为 1 的就是椭圆函数,学分是 3 个’(刘培杰《椭圆函数与模函数》序)。

一个非常显著的现象就是,椭圆函数、模形式、超几何级数,绝对是19 世纪数学中的显学。从 Euler, Abel, Jacobi 开始一直到‘经典末期’的 Kronecker, Klein,Poincare, 几乎没有哪个大数学家不在椭圆函数模形式超几何级数方面做出过贡献。既然是研究的热门领域,那么不从学生时代抓起,显然是不能为工(guan)作(shui)做准备的。哪怕是今日,即便是‘椭圆函数简史’,也足够一个本科或者硕士灌上一篇安全的毕业论文(嗯,仔细搜一搜还不少)

热点可以持续很久,但是风向改变起来,可以说是迅雷不及掩耳盗铃的。

曾经有数学家说过(出处已忘),在二战以前的时候,做数学的基础必备知识相对不多,基本也就微积分,加上一点椭圆函数即可。但是后来,情况则完全不同,需要一个数学工作者在相当多的方面都有一定了解。以二战为分水岭,哥廷根学派遭到摧毁,Bourbaki 崛起,灯塔国成为新的中心,数学的研究核心和语言发生了根本性的变化。可以说,椭圆函数模形式的古典理论是德国学派的荣耀之一,伴随着德系话语权的衰落,椭圆函数模形式也很自然的被清除出了大部分大学课程。在中国是如此,实际上在全世界范围内,大部分也是如此。

所以大标题问题的宏观历史原因,即为以上所言。

对另外几个问题加上几个 addendum。

1. 已经几乎不存在‘椭圆函数、超几何函数’这一专门研究领域

这也就有些类似于,不可能有人再专注于研究‘三角函数’(除了中学教学)。19 世纪关于椭圆函数和超几何函数的专著和大部头已经是汗牛充栋了。德法数学家对这些函数已经做了持续一个世纪的详尽研究,以至于很现代的文献提及椭圆函数或超几何函数的某些方面,还会引用这些文献,而且每一部专注篇幅都非常庞大,如长篇小说一般。在此仅举几个文献让大家体会一下,感兴趣的可以翻 qiang 去archive.org挖坟。

Legendre, Traite des fonctions elliptiques. Tome 1,2,3.(1825)

Tannery J. Elements de la theorie des fonctions elliptiques. Introduction. Calcul differentiel-Paris -Tome I,II,III,IV. (1893)

Klein. Vorlesungen uber die Theorie die Elliptischen Modulfunctionen band 1,2.

Fricke. Die elliptischen Funktionen und ihre Anwendungen Teil 1,2,3.

2. 从现代观点来看,椭圆函数、超几何函数依然是非常重要的数学对象

继续前文内容。虽然椭圆函数、超几何函数已经不是数学研究的主要对象,但是它们从古至今不断反复地出现在研究,哪怕是最近几十年的研究中。这就好比三角函数,尽管是‘初等函数’,但是在不‘初等’的研究中仍会出现。可以毫不夸张地说,德国学派对椭圆函数和模形式的研究,是人类数学史上一座绝对的高峰。这其中很多研究即使现在来看,都是远远超越时代想象的,而且并没有因为后来的进一步工作而变得平凡。从审美和培养数学品味的角度来看,学习一定的椭圆函数、超几何函数知识是有必要的,尽管对于大部分人的未来发展和研究可能没有任何帮助。

3. 王著《特殊函数概论》是一本好字典,但不是最佳的学习材料

王老先生早年毕业于剑桥,师从 Fowler, 其《特殊函数概论》明显是受到了 Whittaker &Watson 的风格影响,虽然年代较晚,但叙述方式仍显古旧。另外需要注意,王是物理学家, 《特》虽是一本数学书,但终究目的是为物理所‘用’的一本‘字典’(所以现在的一大怪相是,物理系通常会学习特殊函数而数学系不会。这并不是一个好现象),因此从数学的角度来看,这本还是太过于零碎,缺乏数学角度系统宏观的描述,不太容易让人抓住重点。当然,那这本书做入门无脑计算练手还是不错的,有助于低成本掌握直观印象。

4. 入门椭圆函数、超几何函数只需要基本的复变知识,但想要对对椭圆函数、超几何函数有深入的见解,需要结合一定的代数几何和数论学习。

因此,在此不建议一般学生抱着一部关于椭圆函数的大书闷头学习,这样既无趣扫兴又可能对未来毫无益处,届时用到仍需要从头学习。我的建议是去读一些比较短小的几十页左右的 notes(网上很多,自行查找)比如

Jan Nekovar,ELLIPTIC FUNCTIONS AND ELLIPTIC CURVES

或者是讲到一些应用的以及和其他领域相关的小书。没有‘用’过的知识,永远是无趣的死知识。比如,毛国人所著的这本书浅入深出,讲了许多有意思的例子,而且更接近现代语言:

Prasolov V., Solovyev Y. Elliptic functions and elliptic integrals.

其他一些推荐的 notes 和书的部分也都可以参考,关键是要‘少’和‘精’。至于其他很多大部头,包括 Klein,Fricke 在内,很大程度上只对研究数学思想史和文献引用有用,即使把德文翻译过来,也仍然是很难读的。德文法文虽然没有必要去读,但是想绕开英文文献只读中文书籍,现在情况下几乎是不可能的。

此外,椭圆函数可以作为(复)代数(曲线)几何的很好的具体入门,而且椭圆函数、模形式几乎是少数‘具体可见’的代数几何对象之一。不熟悉这些东西,很难对代数几何有具体直观的印象。同时,不进一步的了解一定的代数几何,也很难系统化了解椭圆函数的知识。

是否存在一套动作,使得对于任意状态的魔方,只需要重复该动作到一定次数,都一定能还原?
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有什么高中生物课本和化学课本没有,高考也不会考,但很有意思的知识点?
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