Siméon Denis Poisson - Siméon Denis Poisson

Siméon Poisson
SiméonDenisPoisson.jpg
Siméon Denis Poisson (1781-1840)
Født ( 1781-06-21 )21. juni 1781
Pithiviers , Orléanais , Frankrig
(nuværende Loiret , Frankrig)
Døde 25. april 1840 (1840-04-25)(58 år)
Nationalitet fransk
Alma Mater École Polytechnique
Kendt for Poisson -proces
Poisson -ligning
Poisson -kerne
Poisson -distribution
Poisson -bracket
Poisson -algebra
Poisson -regression
Poisson -summeringsformel
Poissons spot
Poissons forhold
Poisson -nuller
Conway – Maxwell – Poisson -distribution
Euler – Poisson – Darboux -ligning
Videnskabelig karriere
Felter Matematik og fysik
Institutioner École Polytechnique
Bureau des Longitudes
Faculté des sciences de Paris  [ fr ]
École de Saint-Cyr
Akademiske rådgivere Joseph-Louis Lagrange
Pierre-Simon Laplace
Doktorander Michel Chasles
Joseph Liouville
Andre bemærkelsesværdige studerende Nicolas Léonard Sadi Carnot
Peter Gustav Lejeune Dirichlet

Baron Siméon Denis Poisson FRS FRSE ( fransk:  [si.me.ɔ̃ də.ni pwa.sɔ̃] ; 21. juni 1781 - 25. april 1840) var en fransk matematiker , ingeniør og fysiker, der havde gjort mange videnskabelige fremskridt.

Biografi

Poisson blev født i Pithiviers , Loiret -distriktet i Frankrig , søn af Siméon Poisson, en officer i den franske hær.

I 1798 kom han ind på École Polytechnique i Paris som første i sit år og begyndte straks at tiltrække opmærksomheden fra skolens professorer, der lod ham frit tage sine egne beslutninger om, hvad han ville studere. I 1800, mindre end to år efter hans indtræden, udgav han to erindringer, den ene om Étienne Bézouts metode til eliminering, den anden om antallet af integraler af en endelig forskelsligning . Sidstnævnte blev undersøgt af Sylvestre-François Lacroix og Adrien-Marie Legendre , som anbefalede, at den skulle offentliggøres i Recueil des savants étrangers, en hidtil uset ære for en ungdom på atten. Denne succes skaffede på en gang adgang til Poisson i videnskabelige kredse. Joseph Louis Lagrange , hvis foredrag om funktionsteorien, han deltog i på École Polytechnique, genkendte hans talent tidligt og blev hans ven. Imens betragtede Pierre-Simon Laplace , i hvis fodspor Poisson fulgte, ham næsten som sin søn. Resten af ​​hans karriere, indtil hans død i Sceaux nær Paris, var optaget af sammensætningen og udgivelsen af ​​hans mange værker og opfyldelsen af ​​opgaverne i de mange uddannelsesstillinger, som han successivt blev udnævnt til.

Umiddelbart efter endt studier på École Polytechnique blev han udnævnt til répétiteur ( undervisningsassistent ) der, en stilling, som han havde besat som amatør, mens han stadig var elev på skolen; for hans skolekammerater havde gjort en skik med at besøge ham på sit værelse efter et usædvanligt vanskeligt foredrag for at høre ham gentage og forklare det. Han blev 1802 til viceprofessor ( professorsuppleant ), og i 1806 efterfulgte han professor som Jean Baptiste Joseph Fourier , som Napoleon havde sendt til Grenoble . I 1808 blev han astronom for Bureau des Longitudes ; og da Faculté des sciences de Paris  [ fr ] blev indstiftet i 1809 blev han udnævnt til professor i rationel mekanik ( professeur de mécanique rationelle ). Han blev medlem af instituttet i 1812, eksaminator ved militærskolen ( École Militaire ) i Saint-Cyr i 1815, eksamenseksamen ved École Polytechnique i 1816, rådmand for universitetet i 1820 og geometer til Præsidiet des Longitudes efter Pierre-Simon Laplace i 1827.

I 1817 giftede han sig med Nancy de Bardi, og med hende fik han fire børn. Hans far, hvis tidlige oplevelser havde fået ham til at hade aristokrater, opdrættede ham i den første republiks strenge trosbekendelse . Under hele revolutionen , imperiet og den følgende restaurering var Poisson ikke interesseret i politik, men koncentrerede sig i stedet om matematik. Han blev udnævnt til baronens værdighed i 1825, men han tog hverken diplomet eller brugte titlen. I marts 1818 blev han valgt til stipendiat i Royal Society , i 1822 til udenlandsk æresmedlem ved American Academy of Arts and Sciences og i 1823 til udenlandsk medlem af Royal Swedish Academy of Sciences . Den Julirevolutionen 1830 truede ham med tabet af alle hans ære; men denne skændsel for Louis-Philippe 's regering blev afværget afværget af François Jean Dominique Arago , der, mens hans "tilbagekaldelse" blev planlagt af ministerrådet, skaffede ham en invitation til at spise på Palais-Royal , hvor han var åbent og effektivt modtaget af borgerkongen, der "huskede" ham. Efter dette var hans nedbrydning naturligvis umulig, og syv år senere blev han gjort til en jævnaldrende i Frankrig , ikke af politiske årsager, men som en repræsentant for fransk videnskab .

Poisson i 1804 af E. Marcellot

Som lærer i matematik siges Poisson at have været ekstraordinært vellykket, som det kunne have været forventet af hans tidlige løfte som répétiteur ved École Polytechnique. Som videnskabelig arbejder er hans produktivitet sjældent eller aldrig blevet ligestillet. På trods af hans mange officielle pligter fandt han tid til at udgive mere end tre hundrede værker, flere af dem omfattende afhandlinger, og mange af dem erindringer om de mest abstrakte grene af ren matematik, anvendt matematik , matematisk fysik og rationel mekanik. ( Arago tilskrev ham citatet, "Livet er kun godt for to ting: at lave matematik og lære det.")

En liste over Poissons værker, udarbejdet af ham selv, er givet i slutningen af ​​Aragos biografi. Alt, hvad der er muligt, er en kort omtale af de mere vigtige. Det var i anvendelsen af ​​matematik til fysik, at hans største tjenester til videnskab blev udført. Måske var den mest originale og bestemt den mest permanente i deres indflydelse hans erindringer om teorien om elektricitet og magnetisme , som praktisk talt skabte en ny gren af ​​matematisk fysik.

Næste (eller efter nogle, først) i betydning står erindringerne om himmelsk mekanik , hvor han viste sig at være en værdig efterfølger til Pierre-Simon Laplace. Den vigtigste af disse er hans erindringer Sur les inégalités séculaires des moyens moulements des planètes , Sur la variation des constantes arbitraires dans les questions de mécanique , begge udgivet i Journal of the École Polytechnique (1809); Sur la libration de la lune , i Connaissance des temps (1821) osv .; og Sur le mouvement de la terre autour de søn centre de Gravité , i Memoires de l'Académie (1827), etc. I den første af disse erindringer, Poisson diskuterer berømte spørgsmål om stabiliteten af de planetariske kredsløb , som allerede havde været bosatte sig af Lagrange til den første grad af tilnærmelse til de forstyrrende kræfter. Poisson viste, at resultatet kunne udvides til en anden tilnærmelse, og dermed gjort et vigtigt fremskridt inden for planetarisk teori. Erindringen er bemærkelsesværdig, for den vakte Lagrange efter et inaktivitetsinterval til i sin alderdom at sammensætte en af ​​de største af hans erindringer med titlen Sur la théorie des variation des éléments des planètes, et en particulier des variation des grands axes de leurs kredsløb . Så meget tænkte han på Poissons erindringsbog, at han lavede en kopi af den med sin egen hånd, som blev fundet blandt hans papirer efter hans død. Poisson leverede vigtige bidrag til teorien om tiltrækning.

Som en hyldest til Poissons videnskabelige arbejde, der strakte sig til mere end 300 publikationer, blev han tildelt en fransk peerage i 1837.

Hans er et af de 72 navne, der er indskrevet på Eiffeltårnet .

Bidrag

Potentiel teori

Poissons ligning

Poissons ligninger for elektricitet (øverst) og magnetisme (nederst) i SI -enheder på forsiden af en bachelorbog .

Poissons velkendte generalisering af Laplaces andenordens delvise differentialligning for potentiale

er kendt som Poissons ligning efter ham, blev først offentliggjort i Bulletin de la société philomatique (1813). Hvis vi henter Laplaces ligning

Hvis er en kontinuerlig funktion, og hvis for (eller hvis et punkt 'bevæger sig' til uendeligt ) en funktion går til 0 hurtigt nok, er en løsning af Poissons ligning det newtonske potentiale for en funktion

hvor er en afstand mellem et volumenelement og et punkt . Integrationen løber over hele rummet.

Poissons to vigtigste erindringer om emnet er Sur l'attraction des sphéroides (Connaiss. Ft. Temps, 1829) og Sur l'attraction d'un ellipsoide homogène (Mim. Ft. L'acad., 1835).

Poisson opdagede, at Laplaces ligning kun er gyldig uden for et fast stof. Et grundigt bevis for masser med variabel densitet blev først givet af Carl Friedrich Gauss i 1839. Poissons ligning er anvendelig i ikke kun gravitation, men også elektricitet og magnetisme.

Elektricitet og magnetisme

Da det attende århundrede kom til en tæt, nærmede menneskelig forståelse af elektrostatik modenhed. Benjamin Franklin havde allerede fastlagt begrebet elektrisk ladning og bevarelse af ladning ; Charles-Augustin de Coulomb havde udtalt sin lov om elektrostatisk statistik omvendt kvadrat . I 1777 introducerede Joseph-Louis Lagrange konceptet om en potentiel funktion, der kan bruges til at beregne tyngdekraften i et udvidet legeme. I 1812 vedtog Poisson denne idé og opnåede det passende udtryk for elektricitet, som relaterer den potentielle funktion til den elektriske ladningstæthed . Poissons arbejde med potentiel teori inspirerede George Greens papir fra 1828, Et essay om anvendelse af matematisk analyse til teorierne om elektricitet og magnetisme .

I 1820 demonstrerede Hans Christian Ørsted , at det var muligt at aflede en magnetisk nål ved at lukke eller åbne et elektrisk kredsløb i nærheden, hvilket resulterede i en flod af publicerede papirer, der forsøgte at forklare fænomenet. Ampères lov og Biot-Savart-loven blev hurtigt udledt. Videnskaben om elektromagnetisme blev født. Poisson undersøgte også fænomenet magnetisme på dette tidspunkt, selvom han insisterede på at behandle elektricitet og magnetisme som separate fænomener. Han udgav to erindringer om magnetisme i 1826. I 1830'erne var et stort forskningsspørgsmål i undersøgelsen af ​​elektricitet, om elektricitet var en væske eller væsker, der er forskellige fra stof, eller noget, der simpelthen virker på materie som tyngdekraften. Coulomb, Ampère og Poisson mente, at elektricitet var en væske, der var forskellig fra stof. I sin eksperimentelle forskning, begyndende med elektrolyse, forsøgte Michael Faraday at vise, at dette ikke var tilfældet. Elektricitet, mente Faraday, var en del af sagen.

Optik

Foto af Arago -stedet i en skygge af en 5,8 mm cirkulær forhindring.

Poisson var medlem af den akademiske "gamle vagt" ved Académie royale des sciences de l'Institut de France , som var stærke troende på partikelteorien om lys og var skeptiske over for dens alternativ, bølge -teorien. I 1818 satte Académie emnet for deres pris som diffraktion . En af deltagerne, civilingeniør og optiker Augustin-Jean Fresnel forelagde et speciale, der forklarede diffraktion, der stammer fra analyse af både Huygens – Fresnel-princippet og Youngs dobbeltspalteeksperiment .

Poisson studerede Fresnels teori i detaljer og ledte efter en måde at bevise det forkert. Poisson troede, at han havde fundet en fejl, da han viste, at Fresnel teori forudsiger en on-akse lyspunkt i skyggen af en cirkulær forhindring blokerer en punktkilde af lys, hvor partiklen-teori om lys forudsiger komplet mørke. Poisson hævdede, at dette var absurd, og Fresnels model var forkert. (Sådan et sted observeres ikke let i dagligdagssituationer, fordi de fleste dagligdags lyskilder ikke er gode punktkilder.)

Udvalgets leder, Dominique-François-Jean Arago , udførte forsøget. Han støbte en 2 mm metalskive til en glasplade med voks. Til alles overraskelse observerede han det forudsagte lyspunkt, der bekræftede bølgemodellen. Fresnel vandt konkurrencen.

Derefter var den korpuskulære teori om lys død, men blev genoplivet i det tyvende århundrede i en anden form, bølge-partikeldualitet . Arago bemærkede senere, at diffraktionens lyspunkt (som senere blev kendt som både Arago-stedet og Poisson-stedet) allerede var blevet observeret af Joseph-Nicolas Delisle og Giacomo F. ​​Maraldi et århundrede tidligere.

Ren matematik og statistik

I ren matematik var Poissons vigtigste værker hans serie af erindringer om bestemte integraler og hans diskussion af Fourier -serier , sidstnævnte banede vejen for de klassiske undersøgelser af Peter Gustav Lejeune Dirichlet og Bernhard Riemann om det samme emne; disse findes i Journal of École Polytechnique fra 1813 til 1823 og i Memoirs de l'Académie for 1823. Han studerede også Fourier -integraler .

Poisson skrev et essay om beregningen af ​​variationer ( Mem. De l'acad., 1833) og erindringer om sandsynligheden for de gennemsnitlige resultater af observationer ( Connaiss. D. Temps, 1827 osv.). Den Poissonfordelingen i sandsynlighedsregning er opkaldt efter ham.

I 1820 studerede Poisson integrationer langs stier i det komplekse plan og blev den første person til at gøre det.

I 1829 udgav Poisson et papir om elastiske kroppe, der indeholdt en erklæring og bevis på et særligt tilfælde af det, der blev kendt som divergenssætningen .

Mekanik

Analytisk mekanik og beregning af variationer

Grundlagt hovedsageligt af Leonhard Euler og Joseph-Louis Lagrange i det attende århundrede, så beregningen af ​​variationer yderligere udvikling og anvendelser i det nittende.

Lade

hvor . Så ekstremiseres det, hvis det opfylder Euler -Lagrange -ligningerne

Men hvis afhænger af højere ordens derivater af , det vil sige hvis

så skal tilfredsstille Euler -Poisson -ligningen,

Poissons Traité de mécanique (2 bind 8vo, 1811 og 1833) blev skrevet i stil med Laplace og Lagrange og var længe et standardværk. Lad være positionen, vær den kinetiske energi, den potentielle energi, begge uafhængige af tid . Lagranges bevægelsesligning læser

Her er dot notation for den tid derivat, . Poisson sæt . Han hævdede, at hvis han er uafhængig af , kunne han skrive

giver

Han introducerede en eksplicit formel for momenta ,

Således fik han fra ligningen af ​​bevægelse

Poissons tekst påvirkede arbejdet af William Rowan Hamilton og Carl Gustav Jacob Jacobi . En oversættelse af Poissons traktat om mekanik blev udgivet i London i 1842. Lad og vær funktioner for de kanoniske variabler i bevægelse og . Derefter er deres Poisson -beslag givet af

Åbenbart er operationen anti-pendler. Mere præcist . Ved Hamiltons bevægelsesligninger , den samlede tid derivat af er

hvor er Hamiltonian. Med hensyn til Poisson -parenteser kan Hamiltons ligninger skrives som og . Antag at det er en konstant bevægelse , så skal den tilfredsstille

Desuden siger Poissons sætning, at Poisson -beslaget for to bevægelseskonstanter også er en bevægelseskonstant.

I september 1925 modtog Paul Dirac beviser på et seminalpapir af Werner Heisenberg om den nye fysikgren kendt som kvantemekanik . Snart indså han, at nøgleidéen i Heisenbergs papir var antikommutativiteten af ​​dynamiske variabler og huskede, at den analoge matematiske konstruktion i klassisk mekanik var Poisson-parenteser. Han fandt den behandling, han havde brug for i ET Whittaker 's Analytical Dynamics of partikler og stive legemer .

Poisson udgav også et erindringsbog om bølgeteorien (Mém. Ft. L'acad., 1825).

Kontinuummekanik og væskestrøm

Uafklaret problem inden for fysik :

Under hvilke betingelser findes der løsninger på Navier – Stokes ligninger og er glatte ? Dette er et Millennium Prize -problem i matematik.

I 1821, ved hjælp af en analogi med elastiske kroppe, nåede Claude-Louis Navier frem til de grundlæggende bevægelsesligninger for tyktflydende væsker, nu identificeret som Navier-Stokes ligninger . I 1829 opnåede Poisson uafhængigt det samme resultat. George Gabriel Stokes afledte dem igen i 1845 ved hjælp af kontinuummekanik. Poisson, Augustin-Louis Cauchy og Sophie Germaine var de vigtigste bidragydere til teorien om elasticitet i det nittende århundrede. Beregningen af ​​variationer blev ofte brugt til at løse problemer.

Termodynamik

I sit arbejde med varmeledning fastholdt Joseph Fourier, at den vilkårlige funktion kan repræsenteres som en uendelig trigonometrisk serie og tydeliggjorde muligheden for at udvide funktioner med hensyn til Bessel -funktioner og Legendre -polynomer afhængigt af problemets kontekst. Det tog noget tid, før hans ideer blev accepteret, da hans brug af matematik var mindre end streng. Selvom Poisson oprindeligt var skeptisk, vedtog Poisson Fouriers metode. Fra omkring 1815 studerede han forskellige problemer i varmeledning. Han udgav sin Théorie mathématique de la chaleur i 1835.

I begyndelsen af ​​1800-tallet udviklede Pierre-Simon de Laplace en sofistikeret, hvis spekulativ, beskrivelse af gasser baseret på den gamle kalori-teori om varme, som yngre forskere som Poisson var mindre engagerede i. En succes for Laplace var hans korrektion af Newtons formel for lydens hastighed i luft, der giver tilfredsstillende svar sammenlignet med eksperimenter. De Newton-Laplace formel gør brug af de særlige heats af gasser ved konstant volumen og konstant tryk . I 1823 redigerede Poisson sin lærers arbejde og nåede de samme resultater uden at ty til komplekse hypoteser, der tidligere var anvendt af Laplace. Derudover opnåede Poisson ved hjælp af gaslovene for Robert Boyle og Joseph Louis Gay-Lussac ligningen for gasser, der undergår adiabatiske ændringer , nemlig hvor er gasens tryk, dets volumen og .

Andre værker

Mémoire sur le calcul numerique des integrales définies , 1826

Udover sine mange erindringer udgav Poisson en række afhandlinger, hvoraf de fleste var beregnet til at indgå i et stort arbejde om matematisk fysik, som han ikke levede for at fuldføre. Blandt disse kan nævnes:

Interaktion med Évariste Galois

Efter at den politiske aktivist Évariste Galois var vendt tilbage til matematik efter sin bortvisning fra École Normale, bad Poisson ham om at indsende sit arbejde med ligningsteorien , som han gjorde i januar 1831. I begyndelsen af ​​juli erklærede Poisson Galois arbejde "uforståeligt", men opfordrede Galois til at "offentliggøre hele sit arbejde for at danne sig en endelig mening." Mens Poissons rapport blev foretaget før Galois 'anholdelse den 14. juli, tog det indtil oktober at nå Galois i fængsel. Det er ikke overraskende i lyset af hans karakter og situation dengang, at Galois voldsomt besluttede at udgive sine papirer gennem akademiet og i stedet offentliggøre dem privat gennem sin ven Auguste Chevalier. Alligevel ignorerede Galois ikke Poissons råd. Han begyndte at samle alle sine matematiske manuskripter, mens han stadig var i fængsel, og fortsatte med at polere sine ideer, indtil han blev løsladt den 29. april 1832, hvorefter han på en eller anden måde blev overtalt til at deltage i det, der skulle blive en fatal duel.

Se også

Referencer

eksterne links