Константин Каратеодори ( греческий : Κωνσταντίνος Καραθεοδωρή , латинизированный : Константинос Каратеодори ; 13 сентября 1873 — 2 февраля 1950) был греческим математиком , который провел большую часть своей профессиональной карьеры в Германии. Он внес значительный вклад в реальный и комплексный анализ, вариационное исчисление и теорию меры. Он также создал аксиоматическую формулировку термодинамики. Каратеодори считается одним из величайших математиков своей эпохи [3] и самым известным греческим математиком со времен античности . [4]
Константин Каратеодори родился в 1873 году в Берлине в семье греков и вырос в Брюсселе . Его отец Стефанос , юрист, служил послом Османской империи в Бельгии , Санкт-Петербурге и Берлине. Его мать, Деспина, урожденная Петрококкинос, была с острова Хиос . Семья Каратеодори, родом из Боснохори или Выссы , имела прочное положение и уважение в Константинополе , а ее члены занимали многие важные государственные должности.
Семья Каратеодори провела 1874–1875 годы в Константинополе, где жил дед Константина по отцовской линии, пока его отец Стефанос находился в отпуске. Затем в 1875 году они отправились в Брюссель, где Стефанос был назначен послом Османской империи. В Брюсселе родилась младшая сестра Константина Юлия. 1879 год был трагическим для семьи, поскольку в этом году умер дедушка Константина по отцовской линии, но гораздо более трагично то, что мать Константина Деспина умерла от пневмонии в Каннах . Бабушка Константина по материнской линии взяла на себя воспитание Константина и Юлии в доме его отца в Бельгии. Они наняли горничную-немку, которая научила детей говорить по-немецки. К этому времени Константин уже говорил на французском и греческом языках.
Константин начал свое формальное обучение в частной школе в Вандерстоке в 1881 году. Он ушел через два года, а затем провел время со своим отцом во время визита в Берлин, а также провел зимы 1883–84 и 1884–85 годов на Итальянской Ривьере . Вернувшись в Брюссель в 1885 году, он в течение года посещал гимназию, где впервые начал интересоваться математикой. В 1886 году он поступил в среднюю школу Athénée Royal d'Ixelles и проучился там до окончания учебы в 1891 году. Дважды за время обучения в этой школе Константин выигрывал приз как лучший ученик-математик в Бельгии.
На этом этапе Каратеодори начал обучение на военного инженера. Он посещал Бельгийскую военную школу с октября 1891 по май 1895 года, а также учился в Прикладной школе с 1893 по 1896 год. В 1897 году разразилась война между Османской империей и Грецией. Это поставило Каратеодори в затруднительное положение, поскольку он встал на сторону греков, однако его отец служил правительству Османской империи. Поскольку он был инженером по образованию, ему предложили работу в британской колониальной службе. Эта работа привела его в Египет, где он работал на строительстве плотины Асьют до апреля 1900 года. В периоды, когда строительные работы приходилось останавливать из-за наводнений, он изучал математику по некоторым учебникам, которые были у него с собой, например, иорданскому Cours d'Analyse. и текст Сэлмона по аналитической геометрии конических сечений . Он также посетил пирамиду Хеопса и провел измерения, которые записал и опубликовал в 1901 году. [5] В том же году он опубликовал книгу о Египте, которая содержала богатую информацию по истории и географии страны. [6]
Каратеодори изучал инженерное дело в Бельгии в Королевской военной академии , где его считали харизматичным и блестящим студентом.
У Каратеодори было около 20 докторантов, среди них были Ганс Радемахер , известный своими работами по анализу и теории чисел, и Пол Финслер , известный своим созданием финслерового пространства .
Контакты Каратеодори в Германии были многочисленными и включали такие известные имена, как: Герман Минковский , Давид Гильберт , Феликс Кляйн , Альберт Эйнштейн , Эдмунд Ландау , Герман Амандус Шварц , Липот Фейер . В трудный период Второй мировой войны его близкими соратниками в Баварской академии наук были Перрон и Титце.
Эйнштейн, тогдашний член Прусской академии наук в Берлине, работал над своей общей теорией относительности, когда связался с Каратеодори и попросил разъяснений по уравнению Гамильтона-Якоби и каноническим преобразованиям . Он хотел увидеть удовлетворительное происхождение первого и истоки второго. Эйнштейн сказал Каратеодори, что его вывод «прекрасен», и рекомендовал его опубликовать в Annalen der Physik. Эйнштейн использовал первое в статье 1917 года под названием Zum Quantensatz von Sommerfeld und Epstein («О квантовой теореме Зоммерфельда и Эпштейна»). Каратеодори объяснил некоторые фундаментальные детали канонических преобразований и отослал Эйнштейна к « Аналитической динамике» Э. Т. Уиттекера . Эйнштейн пытался решить проблему «замкнутых временных линий» или геодезических, соответствующих замкнутой траектории света и свободных частиц в статической Вселенной, которую он представил в 1917 году. [7]
Ландау и Шварц стимулировали его интерес к изучению комплексного анализа. [8]
Находясь в Германии, Каратеодори сохранил многочисленные связи с греческим академическим миром, подробную информацию о которых можно найти в книге Георгиаду. Он принимал непосредственное участие в реорганизации греческих университетов. Особенно близким другом и коллегой в Афинах был Николаос Критикос, который посещал его лекции в Геттингене, позже поехал с ним в Смирну, а затем стал профессором Афинского политехнического института. Критикос и Каратеодори помогли греческому топологу Христосу Папакириакопулосу получить докторскую степень по топологии в Афинском университете в 1943 году при очень трудных обстоятельствах. Во время преподавания в Афинском университете у Каратеодори был студент Евангелос Стаматис, который впоследствии добился значительных успехов как знаток древнегреческой математической классики. [9]
В своей докторской диссертации Каратеодори показал, как расширять решения разрывных случаев, и изучил изопериметрические задачи. [8]
Ранее, между серединой 1700-х и серединой 1800-х годов, Леонард Эйлер , Адриен-Мари Лежандр и Карл Густав Якоб Якоби смогли установить необходимые, но недостаточные условия для существования сильного относительного минимума. В 1879 году Карл Вейерштрасс добавил четвертый, который действительно гарантирует существование такого количества. [10] Каратеодори построил свой метод вывода достаточных условий, основанный на использовании уравнения Гамильтона–Якоби для построения поля экстремалей. Эти идеи тесно связаны с распространением света в оптике. Этот метод стал известен как метод эквивалентных вариационных задач Каратеодори или королевский путь к вариационному исчислению . [10] [11] Ключевым преимуществом работы Каратеодори по этой теме является то, что она освещает связь между вариационным исчислением и уравнениями в частных производных. [8] Он позволяет быстро и элегантно вывести условия достаточности в вариационном исчислении и ведет непосредственно к уравнению Эйлера-Лагранжа и условию Вейерштрасса. В 1935 году он опубликовал свою работу «Variationsrechnung und Partielle Differentialgleichungen Erster Ordnung » («Вариационное исчисление и уравнения с частными производными первого порядка»).
Совсем недавно работа Каратеодори по вариационному исчислению и уравнению Гамильтона-Якоби была использована в теории оптимального управления и динамического программирования. [10] [12] Этот метод также можно распространить на кратные интегралы. [ нужна цитата ]
Теорема Каратеодори в выпуклой геометрии утверждает, что если точка лежит в выпуклой оболочке множества , то ее можно записать как выпуклую комбинацию большинства точек из . А именно, существует подмножество , состоящее из или меньшего числа точек, такое, что лежит в выпуклой оболочке . Эквивалентно, лежит в - симплексе с вершинами в , где . Наименьшее значение , которое делает последнее утверждение действительным для каждого в выпуклой оболочке P , определяется как число Каратеодори . В зависимости от свойств можно получить верхние оценки ниже, чем те, которые дает теорема Каратеодори. [13]
Ему приписывают авторство гипотезы Каратеодори, утверждающей, что замкнутая выпуклая поверхность допускает по крайней мере две омбилические точки . По состоянию на 2021 год эта гипотеза оставалась недоказанной, несмотря на большое количество исследований.
Он доказал теорему существования решения обыкновенных дифференциальных уравнений в условиях мягкой регулярности.
Другая его теорема о производной функции в точке может быть использована для доказательства Цепного правила и формулы для производной обратной функции . [14]
Он значительно расширил теорию конформных преобразований [15] , доказав свою теорему о распространении конформных отображений на границу жордановых областей. Изучая соответствие границ, он создал теорию простых концов . [8] Он представил элементарное доказательство леммы Шварца . [8]
Каратеодори также интересовался теорией функций многих комплексных переменных. В своих исследованиях по этому вопросу он искал аналоги классических результатов из случая одной переменной. Он доказал, что шар в не голоморфно эквивалентен бидиску. [8]
Ему приписывают теорему о продолжении Каратеодори , которая является фундаментальной для современной теории меры. Позже Каратеодори распространил теорию множеств на булевы алгебры .
Термодинамика была предметом, дорогим Каратеодори еще со времен его пребывания в Бельгии. [16] В 1909 году он опубликовал новаторскую работу «Исследования по основам термодинамики» [17] , в которой сформулировал второй закон термодинамики аксиоматически, то есть без использования двигателей Карно и холодильников и только путем математических рассуждений. Это еще одна версия второго закона, наряду с утверждениями Клаузиуса , Кельвина и Планка . [18] Версия Каратеодори привлекла внимание некоторых ведущих физиков того времени, в том числе Макса Планка, Макса Борна и Арнольда Зоммерфельда. [8] Согласно обзору термодинамики Бейлина, подход Каратеодори называется «механическим», а не «термодинамическим». [19] Макс Борн приветствовал это «первое аксиоматически жесткое основание термодинамики» и выразил свой энтузиазм в своих письмах Эйнштейну. [20] [16] Однако у Макса Планка были некоторые опасения [21]: хотя он и был впечатлен математическим мастерством Каратеодори, он не признавал, что это фундаментальная формулировка, учитывая статистическую природу второго закона. [16]
В своей теории он упростил основные понятия, например, теплота — не существенное понятие, а производное. [22] Он сформулировал аксиоматический принцип необратимости в термодинамике, утверждая, что недоступность состояний связана с существованием энтропии, где температура является функцией интегрирования. Второй закон термодинамики был выражен через следующую аксиому: «Вблизи любого начального состояния существуют состояния, к которым нельзя приблизиться сколь угодно близко посредством адиабатических изменений состояния». В связи с этим он ввёл термин адиабатическая доступность . [23]
Работы Каратеодори в области оптики тесно связаны с его методом вариационного исчисления. В 1926 году он дал строгое и общее доказательство того, что ни одна система линз и зеркал не может избежать аберрации , за исключением тривиального случая плоских зеркал. В своих более поздних работах он дал теорию телескопа Шмидта . [24] В своей «Геометрической оптике» (1937) Каратеодори продемонстрировал эквивалентность принципа Гюйгенса и принципа Ферма, начиная с первого, используя теорию характеристик Коши. Он утверждал, что важным преимуществом его подхода является то, что он охватывает интегральные инварианты Анри Пуанкаре и Эли Картана и дополняет закон Малюса . Он объяснил, что в своих исследованиях в области оптики Пьер де Ферма сформулировал принцип минимума, аналогичный тому, который провозгласил Герой Александрийский для изучения отражения. [25]
Во время Второй мировой войны Каратеодори отредактировал два тома Полного собрания сочинений Эйлера , посвященных вариационному исчислению, которые были представлены для публикации в 1946 году. [26]
В то время Афины были единственным крупным образовательным центром на обширной территории и имели ограниченные возможности для достаточного удовлетворения растущих образовательных потребностей восточной части Эгейского моря и Балкан . Константин Каратеодори, который в то время был профессором Берлинского университета , предложил создать новый университет [27] — трудности, связанные с созданием греческого университета в Константинополе , заставили его рассмотреть три других города: Салоники , Хиос и Смирна . [28]
По приглашению премьер-министра Греции Элефтериоса Венизелоса 20 октября 1919 года он представил план создания нового университета в Смирне в Малой Азии, который будет называться Ионическим университетом Смирны . В 1920 году Каратеодори был назначен деканом университета и принял активное участие в его создании, совершая поездку по Европе с целью приобретения книг и оборудования. Однако университет так и не принял студентов из-за войны в Малой Азии , которая закончилась Великим пожаром Смирны . Каратеодори сумел спасти книги из библиотеки, и только в последний момент его спас журналист, который отвез его на весельной лодке к стоявшему рядом линкору «Наксос». [29] Каратеодори привез в Афины часть университетской библиотеки и остался в Афинах, преподавая в университете и технической школе до 1924 года.
В 1924 году Каратеодори был назначен профессором математики Мюнхенского университета и занимал эту должность до выхода на пенсию в 1938 году. Позже он работал в Баварской академии наук до своей смерти в 1950 году.
Новый греческий университет на обширной территории Юго-Восточного Средиземноморья, как первоначально предполагалось Каратеодори, наконец материализовался с основанием Университета Аристотеля в Салониках в 1925 году. [30]
Каратеодори преуспел в языках, как и многие члены его семьи. Греческий и французский были его первыми языками, и немецкий он освоил с таким совершенством, что его сочинения, написанные на немецком языке, представляют собой стилистические шедевры. [31] Каратеодори также без каких-либо усилий говорил и писал на английском , итальянском , турецком и древних языках . Столь впечатляющий лингвистический арсенал позволил ему напрямую общаться и обмениваться идеями с другими математиками во время его многочисленных путешествий и значительно расширил области его знаний.
Более того, Каратеодори был ценным собеседником для своих коллег-профессоров на философском факультете Мюнхена. Уважаемый немецкий филолог и профессор древних языков Курт фон Фриц хвалил Каратеодори на том основании, что от него можно было узнать бесконечно много о старой и новой Греции, древнегреческом языке и эллинской математике. Фон Фриц провел многочисленные философские дискуссии с Каратеодори.
Математик отправил своего сына Стефаноса и дочь Деспину в немецкую среднюю школу, но они также ежедневно получали дополнительные инструкции по греческому языку и культуре от греческого священника, а дома он разрешал им говорить только по-гречески.
Каратеодори был талантливым оратором, и его часто приглашали произносить речи. В 1936 году именно он вручил первую в истории медаль Филдса на заседании Международного конгресса математиков в Осло, Норвегия. [8]
В 2002 году в знак признания его достижений Мюнхенский университет назвал одну из крупнейших лекционных аудиторий математического института Лекционным залом Константина-Каратеодори. [32]
В городе Неа Висса, родовом доме Каратеодори, находится уникальный семейный музей. Музей расположен на центральной площади города рядом с церковью и включает в себя ряд личных вещей Каратеодори, а также письма, которыми он обменивался с Альбертом Эйнштейном. Более подробную информацию можно найти на оригинальном сайте клуба http://www.s-karatheodoris.gr.
В то же время греческие власти уже давно намеревались создать музей в честь Каратеодориса в Комотини , крупном городе северо-восточного греческого региона, более чем в 200 км от его родного города. 21 марта 2009 года музей «Каратеодорис» (Καραθεοδωρής) открыл свои двери для публики в Комотини. [33] [34] [35]
Координатор музея Афанасиос Липордезис (Αθανάσιος Λιπορδέζης) отметил, что в музее хранятся оригинальные рукописи математика объемом около 10 000 страниц, включая переписку с немецким математиком Артуром Розенталем по алгебраизации меры. На витрине посетители также смогут просмотреть книги «Gesammelte mathematische Schriften Band 1,2,3,4», «Mass und ihre Algebraiserung», «Reelle Functionen Band 1», «Zahlen/Punktionen Funktionen» и ряд других книг. других. На выставке представлены рукописные письма Каратеодори Альберту Эйнштейну и Хельмуту Кнезеру , а также фотографии семьи Каратеодори.
Продолжаются усилия по оснащению музея дополнительными экспонатами. [36] [37] [38]
Полный список публикаций журнальных статей Каратеодори можно найти в его Собрании сочинений ( Ges. Math. Schr. ). Известные публикации: