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讓·巴普蒂斯·約瑟夫·傅里葉(著(zhù)名數學(xué)家、物理學(xué)家)

讓·巴普蒂斯·約瑟夫·傅里葉(Baron Jean Baptiste Joseph Fourier,1768年3月21日-1830年5月16日),法國歐塞爾人,著(zhù)名數學(xué)家、物理學(xué)家。

1780年,就讀于地方軍校。1795年,任巴黎綜合工科大學(xué)助教,跟隨拿破侖軍隊遠征埃及,成為伊澤爾省格倫諾布爾地方長(cháng)官。1817年,當選法國科學(xué)院院士。1822年,擔任該院終身秘書(shū),后又任法蘭西學(xué)院終身秘書(shū)和理工科大學(xué)校務(wù)委員會(huì )主席,敕封為男爵。主要貢獻是在研究《熱的傳播》和《熱的分析理論》,創(chuàng )立一套數學(xué)理論,對19世紀的數學(xué)和物理學(xué)的發(fā)展都產(chǎn)生了深遠影響。

1830年5月16日,在巴黎去世,時(shí)年六十三歲。其墓地現位于拉雪茲神父公墓。

人物生平

傅里葉生于法國中部歐塞爾(Auxerre)一個(gè)裁縫家庭,9歲時(shí)淪為孤兒,被當地一主教收養。1780年起就讀于地方軍校,1795年任巴黎綜合工科大學(xué)助教,1798年隨拿破侖軍隊遠征埃及,受到拿破侖器重,回國后于1801年被任命為伊澤爾省格倫諾布爾地方長(cháng)官?。

傅里葉早在1807年就寫(xiě)成關(guān)于熱傳導的基本論文《熱的傳播》,向巴黎科學(xué)院呈交,但經(jīng)拉格朗日、拉普拉斯和勒讓德審閱后被科學(xué)院拒絕,1811年又提交了經(jīng)修改的論文,該文獲科學(xué)院大獎,卻未正式發(fā)表。傅里葉在論文中推導出著(zhù)名的熱傳導方程?,并在求解該方程時(shí)發(fā)現解函數可以由三角函數構成的級數形式表示,從而提出任一函數都可以展成三角函數的無(wú)窮級數。傅里葉級數(即三角級數)、傅里葉分析等理論均由此創(chuàng )始。

傅里葉由于對傳熱理論的貢獻于1817年當選為巴黎科學(xué)院院士。

1822年,傅里葉終于出版了專(zhuān)著(zhù)《熱的解析理論》(Theorieanalytique de la Chaleur ,Didot ,Paris,1822)。這部經(jīng)典著(zhù)作將歐拉、伯努利等人在一些特殊情形下應用的三角級數方法發(fā)展成內容豐富的一般理論,三角級數后來(lái)就以傅里葉的名字命名。傅里葉應用三角級數求解熱傳導方程,為了處理無(wú)窮區域的熱傳導問(wèn)題又導出了當前所稱(chēng)的“傅里葉積分”,這一切都極大地推動(dòng)了偏微分方程邊值問(wèn)題的研究。然而傅里葉的工作意義遠不止此,它迫使人們對函數概念作修正、推廣,特別是引起了對不連續函數的探討;三角級數收斂性問(wèn)題更刺激了集合論的誕生。因此,《熱的解析理論》影響了整個(gè)19世紀分析嚴格化的進(jìn)程。傅里葉1822年成為科學(xué)院終身秘書(shū)。

數學(xué)研究

1、讓·巴普蒂斯·約瑟夫·傅里葉主要貢獻是在研究熱的傳播時(shí)創(chuàng )立了一套數學(xué)理論。

2、最早使用定積分符號,改進(jìn)了代數方程符號法則的證法和實(shí)根個(gè)數的判別法等。

3、傅里葉變換的基本思想首先由傅里葉提出,所以以其名字來(lái)命名以示紀念。從現代數學(xué)的眼光來(lái)看,傅里葉變換是一種特殊的積分變換。它能將滿(mǎn)足一定條件的某個(gè)函數表示成正弦基函數的線(xiàn)性組合或者積分。在不同的研究領(lǐng)域,傅里葉變換具有多種不同的變體形式,如連續傅里葉變換和離散傅里葉變換。

4、傅里葉變換屬于調和分析的內容。分析二字,可以解釋為深入的研究。從字面上來(lái)看,“分析”二字,實(shí)際就是條分縷析而已。它通過(guò)對函數的 條分縷析來(lái)達到對復雜函數的深入理解和研究。從哲學(xué)上看,"分析主義"和"還原主義",就是要通過(guò)對事物內部適當的分析達到增進(jìn)對其本質(zhì)理解的目的。比如近代原子論試圖把世界上所有物質(zhì)的本源分析為原子,而原子不過(guò)數百種而已,相對物質(zhì)世界的無(wú)限豐富,這種分析和分類(lèi)無(wú)疑為認識事物的各種性質(zhì)提供了很好的手段。

5、在數學(xué)領(lǐng)域,也是這樣,盡管最初傅里葉分析是作為熱過(guò)程的解析分析的工具,但是其思想方法仍然具有典型的還原論和分析主義的特征。"任意"的函數通過(guò)一定的分解,都能夠表示為正弦函數的線(xiàn)性組合的形式,而正弦函數在物理上是被充分研究而相對簡(jiǎn)單的函數類(lèi),這一想法跟化學(xué)上的原子論想法何其相似。奇妙的是,現代數學(xué)發(fā)現傅里葉變換具有非常好的性質(zhì),使得它如此的好用和有用,讓人不得不感嘆造物的神奇。

個(gè)人理論

熱的解釋

1822年傅里葉提出了他在熱流上的作品:熱的解析理論(Théorie analytique de la chaleur),其中他根據他所推理的牛頓冷卻定律,即兩相鄰流動(dòng)的熱分子和他們非常小的溫度差成正比。這本書(shū)被Freeman翻譯與在編輯上'更正'成英文后56年(1878)。書(shū)中還編輯了許多在編輯上的更正,并在1888年由達布在法國重新出版。 在這項工作中有三個(gè)重要貢獻,一個(gè)是純粹的數學(xué),兩個(gè)物理本質(zhì)。在數學(xué)中,傅里葉聲稱(chēng)的函數中,任何一個(gè)變量,不論是否連續或不連續,可擴大成一系列的正弦倍數的變量。雖然這個(gè)結果是不正確的,但在傅里葉的觀(guān)察中,一些不連續函數的無(wú)窮級數的總和是一個(gè)突破。約瑟夫路易斯拉格朗曾給予了這個(gè)(假的)定理特別的例子,并暗示這是一般的方法,但他沒(méi)有繼續這個(gè)主題。約翰狄利克雷是第一個(gè)在具有限制條件下給予一個(gè)滿(mǎn)意的示范。這本書(shū)的一個(gè)物理貢獻是二維的概念同質(zhì)性方程;即一個(gè)方程如果任何一方的平等,只能在正式比賽的尺寸正確的。傅里葉還開(kāi)發(fā)了三維分析,是代表物理單位的方法,如速度和加速度,其基本層面的質(zhì)量,時(shí)間和長(cháng)度,以獲得他們之間的關(guān)系。其他物理的貢獻是傅里葉的建議,關(guān)于熱量的導電擴散的偏微分方程,也就是傳授給每一個(gè)學(xué)生的數學(xué)物理。

傅里葉變換

1、傅里葉變換是線(xiàn)性算子,若賦予適當的范數,它還是酉算子。

2、傅里葉變換的逆變換容易求出,而且形式與正變換非常類(lèi)似。

3、正弦基函數是微分運算的本征函數,從而使得線(xiàn)性微分方程的求解可以轉化為常系數的代數方程的傅里葉求解。在線(xiàn)性時(shí)不變的物理系統內,頻率是個(gè)不變的性質(zhì),從而系統對于復雜激勵的響應可以通過(guò)組合其對不同頻率正弦信號的響應來(lái)獲取。

4、著(zhù)名的卷積定理指出:傅里葉變換可以化復雜的卷積運算為簡(jiǎn)單的乘積運算,從而提供了計算卷積的一種簡(jiǎn)單手段。

5、離散形式的傅里葉變換可以利用數字計算機快速的算出(其算法稱(chēng)為快速傅里葉變換算法(FFT))。

正是由于上述的良好性質(zhì),傅里葉變換在物理學(xué)、數論、組合數學(xué)、信號處理、概率、統計、密碼學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)等領(lǐng)域都有著(zhù)廣泛的應用。

確定的方程

傅里葉留下了未完成的工作是被克勞德路易納維編輯且在1831年出版的確定的方程。這項工作包含了許多原始的問(wèn)題弗朗索瓦Budan在1807年和1811年,已闡明了一般人都知道的傅里葉的理論,但這個(gè)示范并不完全令人滿(mǎn)意。傅里葉的證明和常常在教科書(shū)中給予的理論方程是一樣的。最終解決這個(gè)問(wèn)題是由查爾斯弗朗索瓦雅克斯特姆在1829年解決的。

“溫室效應”

在1820年傅里葉計算出,一個(gè)物體,如果有地球那樣的大小,以及到太陽(yáng)的距離和地球一樣,如果只考慮入射太陽(yáng)輻射的加熱效應,那它應該比地球實(shí)際的溫度更冷。他檢查了其他的觀(guān)察到的可能的熱源的文章,并在1824年和1827年就此發(fā)表了文章。雖然傅里葉最終建議,星際輻射可能占了其他熱源的一大部分,但他也考慮到一種可能性:地球的大氣層可能是一種隔熱體。這種看法被廣泛公認為是有關(guān)當前廣為人知的“溫室效應”的第一項建議。傅里葉在他的文章提到了索緒爾的實(shí)驗。在軟木中,他插入幾個(gè)透明的玻璃,借由間隔的空氣分離。正午的陽(yáng)光透過(guò)透明玻璃的頂部被允許進(jìn)入。車(chē)廂內部的這個(gè)裝置讓溫度變的更高。傅里葉認為氣體在大氣中可形成穩定的屏障,如玻璃。這一結論可能導致了后來(lái)的所使用的'溫室效應'的比喻是指確定的大氣溫度過(guò)程。傅里葉指出,實(shí)際的機制,確定了包括溫度,大氣對流不存在于索緒爾的實(shí)驗裝置。

在電子學(xué)中,傅里葉級數是一種頻域分析工具,可以理解成一種復雜的周期波分解成直流項、基波(角頻率為ω)和各次諧波(角頻率為nω)的和,也就是級數中的各項。一般,隨著(zhù)n的增大,各次諧波的能量逐漸衰減,所以一般從級數中取前n項之和就可以很好接近原周期波形。這是傅里葉級數在電子學(xué)分析中的重要應用。

人物紀念

小行星10101號傅里葉星

他是名字被刻在埃菲爾鐵塔的七十二位法國科學(xué)家與工程師其中一位

約瑟夫.傅里葉大學(xué)

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