Введение

Немецкий математик Феликс Кристиан Клейн (Felix Christian Klein; 25 апреля 1849 – 22 июня 1925) был немецким математиком и педагогом, известным своими работами в области теории групп, комплексного анализа, неевклидовой геометрии и связей между геометрией и теорией групп. Его Эрлангенская программа 1872 года классифицировала геометрии по их основным группам симметрии и стала влиятельным синтезом значительной части математики того времени. За время работы в Геттингенском университете Клейну удалось превратить его в центр математических и научных исследований, создав новые лекции, кафедры и институты. Его семинары охватывали практически все известные на тот момент области математики, а также их приложения. Клейн также уделял значительное внимание математическому образованию и продвигал реформу математического образования на всех ступенях в Германии и за рубежом. В 1908 году на Четвертом Международном конгрессе математиков в Риме он стал первым президентом Международной комиссии по математическому образованию.

Жизнь

Феликс Кляйн родился 25 апреля 1849 года в Дюссельдорфе в семье прусских родителей. Его отец, Каспар Кляйн (1809–1889), был секретарем прусского государственного служащего, дислоцированного в провинции Рейн. Его мать — Софи Элиза Кляйн (1819–1890, урожденная Кайзер). Он посещал гимназию в Дюссельдорфе, затем изучал математику и физику в Боннском университете в 1865–1866 годах, намереваясь стать физиком. В то время Юлиус Плюкер занимал должность профессора математики и экспериментальной физики в Бонне, но к моменту, когда Кляйн стал его ассистентом в 1866 году, интересы Плюкера были сосредоточены главным образом на геометрии. Кляйн получил докторскую степень под руководством Плюкера в Боннском университете в 1868 году. Плюкер умер в 1868 году, оставив свою книгу об основах линейной геометрии незавершенной. Кляйн был наиболее подходящим человеком для завершения второй части Neue Geometrie des Raumes Плюкера и таким образом познакомился с Альфредом Клебшем, который переехал в Геттинген в 1868 году. Кляйн посетил Клебша в следующем году, а также побывал в Берлине и Париже. В июле 1870 года, в начале франко-прусской войны, он находился в Париже и был вынужден покинуть страну. Некоторое время он служил медицинским санитаром в прусской армии, прежде чем в начале 1871 года был назначен приват-доцентом в Геттингене. В 1872 году Кляйн был назначен профессором Эрлангенского университета, когда ему было всего 23 года. Клебш рекомендовал его кандидатуру, считая, что он, вероятно, станет лучшим математиком своего времени. Кляйн не хотел оставаться в Эрлангене, где было очень мало студентов, и был рад предложению о должности профессора в Технической школе Мюнхена в 1875 году. Там он и Александр фон Брилл преподавали продвинутые курсы многим выдающимся студентам, включая Адольфа Хурвица, Вальтера фон Дайка, Карла Рона, Карла Рунге, Макса Планка, Луиджи Бьянки и Грегорио Риччи Курбастро. В 1875 году Кляйн женился на Анне Гегель, внучке философа Георга Вильгельма Фридриха Гегеля. После пяти лет работы в Технической школе Кляйн был назначен на кафедру геометрии в Лейпцигском университете. Среди его коллег были Вальтер фон Дайк, Рон, Эдуард Штуди и Фридрих Энгель. Годы Кляйна в Лейпциге, с 1880 по 1886 год, коренным образом изменили его жизнь. В 1882 году его здоровье ухудшилось, и он боролся с депрессией в течение следующих двух лет. Тем не менее, его исследования продолжались; его основополагающая работа по гиперэллиптическим сигма-функциям, опубликованная между 1886 и 1888 годами, относится примерно к этому периоду. В 1886 году Кляйн принял должность профессора в Геттингенском университете. С тех пор и до выхода на пенсию в 1913 году он стремился восстановить Геттинген как ведущий мировой центр математических исследований. Однако ему так и не удалось перенести из Лейпцига в Геттинген свою собственную ведущую роль в развитии геометрии. Он преподавал различные курсы в Геттингене, в основном касающиеся взаимосвязи между математикой и физикой, в частности, механикой и теорией потенциала. Исследовательский центр, созданный Кляйном в Геттингене, служил образцом для лучших подобных учреждений во всем мире. Он ввел еженедельные дискуссионные встречи и создал математический читальный зал и библиотеку. В 1895 году Кляйн пригласил Давида Гильберта из Кенигсбергского университета. Это назначение оказалось очень важным; Гильберт продолжал укреплять первенство Геттингена в математике до своего собственного выхода на пенсию в 1932 году. Под редакцией Кляйна Mathematische Annalen стал одним из лучших математических журналов в мире. Основанный Клебшем, он вырос под руководством Кляйна, чтобы конкурировать и в конечном итоге превзойти Crelle's Journal, базирующийся в Берлинском университете. Кляйн создал небольшую команду редакторов, которые регулярно встречались, принимая решения в демократическом духе. Журнал специализировался на комплексном анализе, алгебраической геометрии и инвариантной теории. Он также предоставил важную платформу для реального анализа и новой теории групп. В 1893 году Кляйн был основным докладчиком на Международном математическом конгрессе, проходившем в Чикаго в рамках Всемирной Колумбийской выставки. Отчасти благодаря усилиям Кляйна, Геттинген начал принимать женщин в 1893 году. Он руководил первой диссертацией по математике, написанной в Геттингене женщиной, Грейс Чисхолм Янг, английской ученицей Артура Кейли, которой Кляйн восхищался. В 1897 году Кляйн стал иностранным членом Королевской нидерландской академии искусств и наук. Около 1900 года Кляйн начал интересоваться математическим образованием в школах. В 1905 году он сыграл важную роль в разработке плана, рекомендующего преподавать аналитическую геометрию, основы дифференциального и интегрального исчисления и понятие функции в средних школах. Эта рекомендация постепенно была реализована во многих странах мира. В 1908 году Кляйн был избран президентом Международной комиссии по математическому образованию на Международном математическом конгрессе в Риме. Под его руководством немецкая часть Комиссии опубликовала множество томов об обучении математике на всех уровнях в Германии. Лондонское математическое общество наградило Кляйна своей медалью Де Моргана в 1893 году. Он был избран членом Королевского общества в 1885 году и был удостоен его медали Копли в 1912 году. На следующий год он вышел на пенсию по состоянию здоровья, но продолжал преподавать математику у себя дома еще несколько лет. Кляйн был одним из девяноста трех подписавших «Манифест девяноста трех» — документ, написанный в поддержку вторжения Германии в Бельгию на ранних этапах Первой мировой войны. Он умер в Геттингене в 1925 году.

Работа

Диссертация Кляйна, посвященная линейной геометрии и ее применению в механике, классифицировала линейные комплексы второго порядка с использованием теории элементарных делителей Вейерштрасса. Первые важные математические открытия Кляйна были сделаны в 1870 году. В сотрудничестве с Софусом Ли он открыл фундаментальные свойства асимптотических линий на поверхности Куммера. Позже они исследовали W-кривые, кривые, инвариантные относительно группы проективных преобразований. Именно Ли познакомил Кляйна с понятием группы, которое сыграло ключевую роль в его дальнейшей работе. Клейн также узнал о группах от Камилля Жордана. Клейн разработал "бутылку Клейна", названную в его честь, одностороннюю замкнутую поверхность, которую нельзя вложить в трехмерное евклидово пространство, но которую можно погрузить в виде цилиндра, закрученного обратно, чтобы соединиться с другим концом изнутри. Она может быть вложена в евклидово пространство размерности 4 и выше. Концепция бутылки Клейна была разработана как трехмерная лента Мёбиуса, одним из способов построения которой является соединение краев двух лент Мёбиуса. В 1890-х годах Клейн начал более интенсивно изучать математическую физику, написав работы о гироскопе совместно с Арнольдом Зоммерфельдом. В 1894 году он инициировал идею создания энциклопедии математики, включая ее приложения, которая стала «Энциклопедией математических наук». Это предприятие, продолжавшееся до 1935 года, предоставило важный стандартный справочник, сохранивший свою ценность.

Программа Эрлангена

В 1871 году, находясь в Геттингене, Клейн сделал важные открытия в геометрии. Он опубликовал две статьи «О так называемой неевклидовой геометрии», показав, что евклидову и неевклидову геометрии можно рассматривать как метрические пространства, определяемые метрикой Кэли — Клейна. Это понимание имело следствием, что неевклидова геометрия состоятельна тогда и только тогда, когда евклидова геометрия, приравнивая статус евклидовой и неевклидовой геометрий и положив конец всем спорам о неевклидовой геометрии. Артур Кэли так и не принял аргумент Клейна, считая его логически замкнутым. Синтез геометрии Клейна, понимаемый как изучение свойств пространства, инвариантных относительно заданной группы преобразований, известный как Эрлангенская программа (1872), оказал глубокое влияние на развитие математики. Эта программа была инициирована инаугурационной лекцией Клейна в качестве профессора в Эрлангене, хотя фактически он произнес другое выступление. Программа предложила единую систему геометрии, которая стала общепринятым современным методом. Клейн показал, как существенные свойства данной геометрии могут быть представлены группой преобразований, сохраняющих эти свойства. Таким образом, определение геометрии в рамках этой программы охватывало как евклидову, так и неевклидову геометрию. В настоящее время значимость вклада Клейна в геометрию очевидна. Его идеи настолько прочно вошли в математическое мышление, что трудно оценить их новизну при первом знакомстве и понять, почему они не были сразу приняты всеми его современниками.