ברנהרד רימן

שנים מוקדמות

רימן נולד ב-17  בספטמבר 1826, בכפר קטן בממלכת הנובר, הנכללת כיום בשטחה של גרמניה. אביו, פרידריך ברנרד רימן, היה כומר לותרני עני שלחם במלחמות הנפוליאוניות. אמו, שארלוט אבל, נפטרה בטרם ילדיה הגיעה לבגרות. ברנהרד רימן היה השני מבין שישה ילדים, וסבל מביישנות ומהתמוטטויות עצבים תכופות. בילדותו גילה יכולות מתמטיות יוצאות דופן, כמו למשל יכולת חישוב מנטלי חריגה, אולם סבל מביישנות ומפחד להופיע בפומבי.

חינוך

בשנת 1840 עבר רימן להנובר, שם גר אצל סבתו ולמד בגימנסיה. אחרי מות סבתו ב-1842, הוא החל ללמוד בבית ספר גבוה. בבית הספר הגבוה, רימן למד את התנ"ך ביסודיות, אך לעיתים קרובות הוסחה דעתו על ידי נושאים מתמטיים. מוריו נדהמו לעיתים קרובות מיכולתו הטבעית לבצע פעולות מתמטיות סבוכות, שבמהלכן הוא לעיתים קרובות הפגין אינטואיציה שעלתה על זו של בוחניו. ב-1846, בגיל 19, הוא החל ללמוד פילולוגיה ותאולוגיה נוצרית במטרה להפוך לכומר ולסייע בענייני הכספים של משפחתו.
במהלך האביב של 1846, אביו, לאחר שצבר מספיק כסף, שלח את רימן לאוניברסיטת גטינגן, שם הוא החל ללמוד לקראת תואר בתאולוגיה. בעת ששהה בגטינגן, רימן החל ללמוד מתמטיקה ולהאזין להרצאותיו של קרל פרידריך גאוס (במיוחד להרצאותיו על שיטת הריבועים הפחותים). גאוס המליץ שרימן יחדול מלימודי התאולוגיה וייכנס לתחום המתמטי; לאחר שאביו נעתר לבקשתו, רימן עבר לאוניברסיטת ברלין ב-1847. במהלך תקופת לימודיו, למד אצל יעקובי, דיריכלה, שטיינר ואייזנשטיין. הוא שהה בברלין במשך שנתיים וחזר לגטינגן ב-1849, שם קיבל את התואר דוקטור (בהנחיית גאוס) ב-1851 (מספרים שכאשר גאוס עצמו נוכח בהרצאת הדוקטורט של רימן, הוא האזין עד תום ולאחר מכן קם והכריז: "הבנתי", בניגוד מוחלט ליהירותו המפורסמת מאוד כלפי מתמטיקאים עד לרימן, לגביהם תמיד טען כי אין מקוריות בעבודותיהם).

חיים אקדמיים

רימן נשא את הרצאותיו הראשונות ב-1854, והרצאות אלו הן שייסדו את ענף הגאומטריה הרימנית, אשר עומד ביסוד התיאור המתמטי של תורת היחסות הכללית של אלברט איינשטיין. הרצאת הפתיחה לרגל מינויו לפּריוַוטדוֹצֶנט (הדרגה האקדמית הנמוכה ביותר), באוניברסיטת גטינגן, הייתה הרצאת הפתיחה המפורסמת ביותר שניתנה אי-פעם בתולדות המתמטיקה. ההרצאה שינתה מן הקצה אל הקצה את ההשקפה הכללית של המתמטיקאים על מהותה של הגאומטריה.
בשנת 1857 התמנה רימן לפרופסור בגטינגן, וכעבור שנתיים, בעקבות מותו של דיריכלה, התמנה לפרופסור מן המנין. בשנת 1862 נשא לאישה את אליזה קוך.

המלחמה האוסטרו-פרוסית ומותו באיטליה

רימן עזב את גטינגן כאשר צבאות הנובר ופרוסיה התעמתו שם ב-1866. הוא נפטר משחפת בעת מסעו השלישי לאיטליה ב-20 ביולי 1866, ונקבר בבית העלמין בעיירה ביגנזולו. רימן היה נוצרי אדוק, בנו של כומר פרוטסטנטי, וראה את חייו כמתמטיקאי כדרך נוספת לשרת את האל. במהלך חייו, הוא נאחז תמיד באמונתו הנוצרית והחשיב אותה להיבט החשוב ביותר של חייו. בעת מותו, הוא ציטט מתוך שיר תפילה נוצרי ומת לפני שסיים את התפילה. בינתיים, בגטינגן, עוזר הבית שלו השליך כמה מכתביו שנמצאו במשרדו, כולל כמות רבה של עבודה לא מפורסמת. רימן סירב לפרסם עבודה לא מוגמרת, וכמה תובנות עמוקות שלו עשויות להיות אבודות לעד.
על מצבתו של רימן בביגנזולו (איטליה) מופיע פסוק מתוך הפרק השמיני של האיגרת אל הרומאים: " ואנו יודעים שכל הדברים עמלים יחדיו לטובת אלו שאוהבים את האל, אלו שנקראים לשרתו".
Here rests in GodGeorg Friedrich Bernhard Riemann
Professor in Göttingen
born in Breselenz, Germany 17 September 1826
died in Selasca, Italy 20 July 1866
For those who love God, all thingsmust work together for the best.

גאומטריה רימנית

עבודותיו של רימן יצרו קרקע פורייה להתפתחות רעיונות מתמטיים בהמשך המאה ה-19, והן הניבו ענפי מחקר מתמטי חדשים המשלבים אנליזה עם גאומטריה. ענפים אלו הפכו בסופו של דבר לחלקים העיקריים בתאוריות של גאומטריה רימנית, גאומטריה אלגברית, ותורת היריעות המרוכבות. התורה של משטחי רימן פותחה מאוחר יותר בידי פליקס קליין ובאופן מיוחד על ידי אדולף הורוויץ. תחום זה של המתמטיקה הוא חלק מיסודות הטופולוגיה, והוא עדיין מיושם בדרכים מקוריות וחדשות לפיזיקה מתמטית.
ב-1853, גאוס ביקש מתלמידו רימן להכין הביליטציה על יסודות הגאומטריה. במהלך החודשים הבאים, רימן פיתח את התאוריה שלו על גאומטריה בממדים גבוהים יותר ונשא בגטינגן ב-1854 את הרצאתו הנושאת את השם "על ההיפותזה העומדת ביסודות הגאומטריה". עבודתו בנושא פורסמה רק ב-1868 על ידי דדקינד, שנתיים אחרי מותו. תהליך הקבלה של הרעיונות בעבודה זו היה איטי אולם כיום היא נחשבת לאחת העבודות החשובות ביותר בהיסטוריה של הגאומטריה. רימן הציג בה את המושגים של יריעה, מטריקה רימנית, וטנזור עקמומיות, ובכך פתח צוהר לתאוריה של מרחבים רב-ממדיים.
הענף המתמטי שנוסד בעקבות עבודה זאת נקרא גאומטריה רימנית. רימן מצא את הדרך הנכונה להכליל ל-n ממדים את הגאומטריה הדיפרנציאלית של משטחים, שגאוס עצמו ייסדה כאשר הוא הוכיח את תיאורמה אגרגיום שלו. האובייקט המתמטי המרכזי הנחקר בגאומטריה זו הוא טנזור העקמומיות של רימן. במקרה הפרטי של משטח, טנזור הוא מספר (סקלר) חיובי, שלילי או אפס; כאשר המקרים הקבועים ושונים מאפס הם מודלים של גאומטריות לא-אוקלידיות.
הרעיון של רימן היה להצמיד לכל נקודה במרחב אוסף של מספרים (טנזור) אשר יתארו כמה המרחב מתעוות או מתעקם באותה נקודה. לדוגמה, רימן מצא כי בארבעה ממדים מרחביים, צריך אוסף של בדיוק 10 מספרים בכל נקודה כדי לתאר את התכונות של היריעה, ללא קשר לכמה היא מעוותת. זו הבנייה המפורסמת המרכזית לגאומטריה שלו, אשר ידועה עכשיו כמטריקה רימנית. רימן היה גם הראשון להציע להשתמש ביותר משלושה או ארבעה ממדים כדי לתאר את המציאות הפיזיקלית, רעיון שהתמזג בסופו של דבר עם התרומות של איינשטיין בתחילת המאה ה-20.

אנליזה מרוכבת

בעבודת הדוקטורט שלו, רימן ביסס תשתית גאומטרית לאנליזה מרוכבת דרך משטחי רימן, שבאמצעותם פונקציות רב-ערכיות כמו הלוגריתם המרוכב או השורש הריבועי יהפכו לפונקציות חד-חד ערכיות. פונקציות מרוכבות הן פונקציות הרמוניות (כלומר, הן מקיימות את משוואת לפלס ולכן גם את משוואות קושי-רימן) על המשטחים הללו והן מתוארות על ידי מיקום נקודות הסינגולריות והטופולוגיה של המשטחים. ה"גנוס" הטופולוגי של משטחי רימן הוא , כאשר למשטח יש  ענפים (leaves) ו- נקודות הסתעפות (branch points). בעבור  למשטח רימן יש  פרמטרים. בנייה זאת אפשרה לראשונה להעניק מסגרת קונספטואלית מאוחדת לאינספור התוצאות על פונקציות מרוכבות (משפט אינטגרל קושי, תוצאות רבות על אינטגרלים אליפטיים ופונקציות אליפטיות, וכו') שנצברו בעשורים הקודמים על ידי מתמטיקאים רבים. כך למשל, המקום הגאומטרי "הטבעי" לחקר פונקציות אליפטיות כפולות-מחזור במישור המרוכב הוא משטח רימן המתאים שלהן, שהוא הטורוס.
תרומותיו בהקשר זה רבות מספור. משפט ההעתקה של רימן המפורסם, אותו הוכיח בעבודת הדוקטורט שלו (מ-1851), עומד בליבה של התאוריה הגאומטרית המודרנית של העתקות קונפורמיות. משפט זה קובע שכל תחום פשוט קשר במישור המרוכב שאינו  שקול קונפורמית לעיגול היחידה הפתוח. ההכללה של המשפט למשטחי רימן שרירותיים היא משפט היוניפורמיזציה המפורסם, שהוכח בשלהי המאה ה-19 על ידי אנרי פואנקרה ופליקס קליין. עם זאת, הוכחות ריגורוזיות ראשונות למשפט ניתנו רק אחרי הפיתוח של ארסנל כלים מתמטי עשיר יותר (במקרה זה, כלים מתחום הטופולוגיה). כדי להוכיח את הקיום של פונקציות על משטחי רימן הוא השתמש בתנאי מינימום מסוים, לו הוא קרא עקרון דיריכלה. קרל ויירשטראס מצא חלל בהוכחה: רימן לא הבחין שהנחת העבודה שלו (שהמינימום קיים) עשויה לא לעבוד; מרחב הפונקציות עשוי לא להיות שלם, ולפיכך הקיום של המינימום אינו מובטח. דרך עבודתו של דויד הילברט בחשבון הוריאציות, עקרון דיריכלה בוסס לבסוף.
עם זאת, ויירשטראס התרשם עמוקות מרימן, במיוחד מעבודתו על התאוריה של פונקציות אבליות. כאשר עבודתו של רימן הופיעה, תוך זמן קצר ויירשטראס השליך את מאמרו והחליט לא לפרסמו במגזין המתמטי Crelle. הייתה להם הבנה טובה כאשר רימן ביקר אותו אותו בברלין ב-1859. ויירשטראס עודד את תלמידו הרמן אמדאוס שוורץ למצוא חלופות לעקרון דיריכלה באנליזה מרוכבת, משימה בה הוא הצליח במידה רבה - במהלך העשורים הקרובים שוורץ הדגים בניות מפורשות רבות של העתקות קונפורמיות מתחומים שונים לעיגול היחידה, ובכך אישש את נכונות הטענה של רימן.
בחיבורו משנת 1857 "התאוריה של פונקציות אבליות" (Theorie der Abelschen Functionen), שנחשב לאחד הפרסומים החשובים ביותר בגאומטריה אלגברית, רימן פיתח את הקונספט של משטחי רימן ואת התכונות הטופולוגיות שלהן מעבר לעבודת הדוקטורט שלו משנת 1851, הוכיח משפט אינדקס על הגנוס (הניסוח המקורי של נוסחת רימן-הורוויץ), הוכיח את אי שוויון רימן על המימד של מרחב פונקציות מרומורפיות עם קטבים (הניסוח המקורי של משפט רימן-רוך), דן בטרנספורמציות בירציונליות של עקום נתון ובמימד של מרחב המודולו המתאים של עקומים לא שקולים בעלי גנוס נתון, ופתר בעיות אינוורסיה כלליות יותר מאלו שנחקרו על ידי אבל ויעקובי. אנדרה וייל כתב כי החיבור הזה "הוא אחת היצירות המתמטיות הדגולות ביותר שנכתבו אי פעם, אין אפילו משפט אחד בו שלא הוביל בעקבותיו להתפתחות מעמיקה חדשה".
נקודות חשובות אחרות כוללות את עבודתו על פונקציות אבליות ופונקציות תטא על משטחי רימן. רימן היה נתון בתחרות עם ויירשטראס (החל מ-1857) לפתור את בעיית האינוורסיה לאינטגרלים אבליים, שהם הכללה של אינטגרלים אליפטיים. רימן נעזר בפונקציות תטא במספר משתנים והראה שניתן לצמצם את בעיית האינוורסיה לבעיה של קביעת האפסים של פונקציות תטא הללו. רימן חקר גם מטריצות מחזורים ואפיין אותן דרך "יחסי מחזורים רימניים" (Riemannian period relations). לפי פרדיננד גאורג פרובניוס ושלמה ליפשיץ התקפות של הקשר הזה שקולה לשיכון של  (כאשר  הוא הסריג של מטריצת המחזורים) במרחב הפרויקטיבי באמצעים של פונקציות תטא. בעבור ערכים מסוימים של , זו ה-Jacobian variety של משטח רימן, דוגמה ליריעה אבלית. רימן הראה גם כיצד התאוריה של פונקציות מרוכבות מאירה את התאוריה של משטחים מינימליים (משטח מינימלי הוא המשטח בעל השטח המינימלי עם שפה נתונה; כמו הצורה שלובשות רצועות סבון).
מתמטיקאים רבים כגון אלפרד קלבש חידדו את עבודתו של רימן על עקומים אלגבריים. התאוריות הללו תלויות בתכונות של הפונקציות המוגדרות על משטחי רימן. למשל, משפט רימן-רוך (רוך היה תלמיד של רימן) מספק מידע על מספר הדיפרנציאלים הבלתי תלויים ליניארית של משתנים על משטח רימן (עם תנאים ידועים על האפסים והקטבים).
לפי Detlef Laugwitz, תבניות אוטומורפיות הופיעו בפעם הראשונה בחיבור שעסק במשוואת לפלס על גלילים טעונים חשמלית. אף על פי כן, רימן נעזר בפונקציות כאלו לצורך מיפויים קונפורמיים (כגון מיפוי משולשים טופולוגיים למעגל) בהרצאתו מ-1859 על פונקציות היפרגאומטריות או בחיבורו על משטחים מינימליים.

אנליזה ממשית

בתחום האנליזה הממשית, רימן הגדיר את אינטגרל רימן במונחים של סכומי רימן, ובכך תרם לביסוסה. בין הישגים רבים, הוא הוכיח שכל פונקציה רציפה למקוטעין היא אינטגרבילית. באופן דומה, ניצני הרעיונות של אינטגרלי סטילטיס מופיעים אצל רימן, כך שהם נקראים גם על שמו. כן ביסס את תורת הטורים האינסופיים, כאשר הוכיח את משפט הטורים של רימן - תוצאה מתמטית המראה כי, בניגוד לאינטואיציה, טורים מתכנסים בתנאי אינם חילופיים - וקובעת כי ניתן לסדר מחדש את איבריו של טור מתכנס בתנאי כדי לקבל כל מספר ממשי.
בעבודתו על טורי פורייה, אשר באה בהמשך ישיר לעבודתו של מורו דיריכלה, הוא הראה שפונקציות אינטגרביליות לפי רימן "ניתנות להצגה" באמצעות טורי פורייה. לפניו, דיריכלה הראה זאת בעבור פונקציות רציפות וגזירות למקוטעין (ולכן עם מספר בן מנייה של נקודות בהן הן אינן גזירות). רימן נתן דוגמה לטור פורייה שמייצג פונקציה רציפה שאינה גזירה כמעט בכל מקום, מקרה שלא טופל על ידי דיריכלה (פונקציית ויירשטראס היא פונקציה רציפה שאינה גזירה באף מקום). הוא הוכיח גם את למת רימן-לבג: אם פונקציה מיוצגת על ידי טור פורייה, אז מקדמי פורייה שואפים לאפס כש-n שואף לאינסוף.
חיבורו של רימן על טורי פורייה היה נקודת ההתחלה של עבודתו של גאורג קנטור על טורי פורייה, אשר הייתה הכוח המניע מאחרי היצירה של תורת הקבוצות.
בחיבורו מ-1857 רימן עבד גם עם משוואות דיפרנציאליות היפרגאומטריות באמצעות שימוש בכלים אנליטיים מורכבים והציג את הפתרונות שלהן דרך ההתנהגות של מסלולים סגורים מסביב לנקודות סינגולריות (המתוארת על ידי מטריצת המונדרונומיה). עבודתו זו על מונדרונומיה והפונקציה ההיפרגאומטרית בתחום המרוכב עשתה רושם אדיר, וביססה דרך בסיסית חדשה לעבוד עם פונקציות על ידי התחשבות רק בנקודות הסינגולריות שלהן.

תורת המספרים

רימן הרים תרומות אדירות לתורת המספרים האנליטית. במאמר קצרצר שהגיש רימן כשהתקבל לאקדמיה המדעית של ברלין, "על מספר הראשוניים מתחת לגודל נתון", והיחיד שהוא פרסם על תורת המספרים, הוא חקר את פונקציית זטא שכעת נושאת את שמו, וביסס את החשיבות שלה להבנת התפלגותם של המספרים הראשוניים. "השערת רימן" הידועה הייתה אחת מסדרת השערות שהוא ניסח על תכונות הפונקציה, והיא קובעת כי כל האפסים של פונקציית זטא, דהיינו הערכים המרוכבים עבורם , נחים כולם על הישר . השערה זו הפכה לאחת מהבעיות הפתוחות הבולטות ביותר בתורת המספרים ובמתמטיקה בכלל. רימן עסק בבעיה בעצמו עד למותו שבע שנים מאוחר יותר, אך לא הצליח להוכיחה. להשערת רימן קשר עמוק להתפלגות של המספרים הראשוניים ועד היום לא ניתנה לה הוכחה.
במאמרו של רימן, ישנן התפתחויות רבות מעניינות יותר. הוא הוכיח את המשוואה הפונקציונלית שמקיימת פונקציית זטא (משוואה זו הייתה ידועה, בצורה מעט שונה, ללאונרד אוילר), ודרך הסכימה של פונקציית הקירוב כשהיא עוברת על האפסים הלא-טריוויאליים על פני הישר עם חלק ממשי 1/2, הוא נתן נוסחה מדויקת, "מפורשת", ל-.
רימן היה מודע לעבודתו של פפנוטי צ'בישב על משפט המספרים הראשוניים, אך שיטותיהם היו שונות מאוד.

השקפות פילוסופיות


רימן הותיר אחריו הרבה קטעים פילוסופיים קצרים - כתבים אלו מכילים אבחנות מהותיות בנוגע לפילוסופיה של המתמטיקה והמדע, ובנוגע להיבטים הפסיכולוגיים של תהליך היצירה המתמטי (פילוסופיה של ההכרה). למעשה, הרהורים פילוסופיים-למחצה על יסודות המתמטיקה היוו מרכיב כה משמעותי בתהליך החשיבה שלו שהיסטוריון אחד העיר ש-: "אלמלא היה רימן מתמטיקאי, הפילוסופים היו רואים בו אחד משלהם". מכתביו עולה שרימן הושפע יותר מהפילוסוף הגרמני יוהאן פרידריך הרברט  מאשר מעמנואל קאנט. רימן האמין שהטבע האפריורי של המרחב, אם ישנו כזה, הוא טופולוגי ולא מטרי.