摘要：他是那个帮助奠定现代数学基础的人，但几乎没有人记得他的名字。当其他人获得声誉时，阿瑟·凯莱（Arthur Cayley）却被遗忘了。然而，如果没有他，抽象代数、矩阵以及群等概念或许根本不会被发展出来。
他是那个帮助奠定现代数学基础的人，但几乎没有人记得他的名字。当其他人获得声誉时，阿瑟·凯莱（Arthur Cayley）却被遗忘了。然而，如果没有他，抽象代数、矩阵以及群等概念或许根本不会被发展出来。
阿瑟·凯莱（Arthur Cayley，1821–1895）出生在英格兰萨里郡里士满，却在童年时期长居圣彼得堡。他的家族原本是约克郡的世居家庭，但父亲亨利在俄国经商多年，并与外交、商贸界有着密切往来。凯莱少年时期耳濡目染，多语环境让他早早接触到法语、俄语和英语，为他日后的国际化数学交流打下了基础。
1828年，凯莱一家定居伦敦。他在布莱克西斯的私立学校展现出过人的数学直觉。进入国王学院附属学校后，他不仅在代数、几何上成绩优异，还在化学等科目屡获奖项。1838年，他进入剑桥大学三一学院，这一步彻底将他带入了现代数学的舞台。
在三一学院，凯莱接受了乔治·皮科克与威廉·霍普金斯的指导。皮科克是英国代数学的开创者之一，霍普金斯则因指导过众多剑桥数学俊才而闻名。霍普金斯鼓励凯莱深入阅读欧洲大陆数学家的著作，尤其是柯西（Cauchy）、勒让德（Legendre）、雅可比（Jacobi）等人的论文。
凯莱最早钟爱的方向是线性变换与解析几何。本科阶段，他就在《剑桥数学期刊》上发表三篇论文，表现出对代数结构的敏锐直觉。他于1842年以“首席高才生”（senior wrangler）身份毕业，并赢得史密斯奖。这不仅证明了他的计算技巧，更体现了他在抽象思维上的天赋。
凯莱对数学史最为根本的贡献，是矩阵代数的系统化。尽管“matrix”一词最早由西尔维斯特提出，但凯莱才是将其发展为完整代数体系的人。
在 1840–1850 年代，数学界对行列式已有成熟研究，但其意义仍局限于代数方程解法。凯莱敏锐地意识到，行列式只是更一般对象的一部分。他提出“矩阵”可以作为独立实体研究，并将其运算推广。
1855年，他在一篇法文论文中首次引入矩阵逆、矩阵乘法（称为“复合”composition）等概念。三年后，他在 1858 年的著名论文《论矩阵理论》中提出了凯莱–哈密顿定理的雏形：每一个矩阵都满足其特征多项式。这是矩阵理论的根基性成果，后来成为线性代数的核心定理之一。
凯莱并未将矩阵局限于“计算工具”，而是将其视为描述线性变换的代数对象。这种思路本质上把几何与代数桥接了起来。矩阵不再是行列式的附属，而是独立的“代数元素”，能够构成一个闭合的代数系统。
这种转变的意义在于：
线性变换可以完全用矩阵来表述。矩阵的乘法对应变换的复合，揭示了代数与几何的深层联系。矩阵代数成为后世物理学、工程学的核心工具，尤其是量子力学中海森堡的矩阵力学，其思想脉络直通凯莱。凯莱不仅是矩阵代数的奠基人，也几乎是抽象群论的先驱。
1854年，他在一篇论文中首次提出了“抽象群”的定义。他指出：群运算应满足结合律、存在单位元、存在逆元，而不必依赖于具体的排列形式。为此，他使用表格记录群运算规律，这些表格后来被称为“凯莱表”。
更深刻的是，他证明了任何有限群都同构于某个对称群的子群。这就是今天被称为“凯莱定理”的结论。它奠定了群论的逻辑结构：抽象群不再只是对排列的研究，而是独立的代数对象。
这种思想的力量，在 20 世纪逐渐展现。群论成为数学的语言之一，渗透到数论、几何、拓扑、物理学等无数领域。而凯莱在 19 世纪中期就已经洞察了这一点。
1849年，凯莱正式取得律师资格，进入伦敦的林肯律师学院。他的专业是房地产转让，这是一份繁琐但收入颇丰的工作。然而对凯莱而言，法律仅仅是谋生手段。他真正的激情仍在数学。
在林肯律师学院，他结识并长期合作的伙伴是詹姆斯·约瑟夫·西尔维斯特（Sylvester）。两人在事务所的空闲时间里，常常抛开法律文件，探讨代数曲线、不变量理论，甚至是椭圆函数。西尔维斯特后来回忆：“我们本该处理契约，却在纸上画圆柱与球体交线的切线。”
凯莱对法律的态度可以用他自己的一句话概括：“法律的目的，是用尽可能多的词语表达一件事；而数学的目的，是用尽可能少的词语表达清楚。”这种鲜明对比，恰恰解释了他为何能在法律压力下仍保持高产：数学对他而言，不是工作，而是解脱。
在这段 14 年的律师时期，他竟然发表了约 250 篇论文。数量之惊人，足以让同时代的全职数学家都望尘莫及。
不变量理论的奠基
19 世纪代数学家关注多项式的“形式不变性”问题：给定一个代数式，当变量做某种线性变换时，哪些量保持不变？这些“invariants”不仅在代数曲线的分类上有应用，也与几何、物理息息相关。
布尔、雅可比、柯西都曾触及这一问题，但体系仍不完整。凯莱从 1840 年代末起，就与西尔维斯特合作，力图建立系统理论。
1854–1856 年论文：凯莱与西尔维斯特几乎同时发展了不变量的系统方法。他在 1856 年的论文中提出了“凯莱算子”（Cayley Ω-process），这是一种通过微分算子构造不变量的技巧，成为经典不变量理论的基础。他与西尔维斯特共同引入“元件代数”（algebra of syzygies）的思想，即在不变量之间寻找代数关系，这为后来的模理论、同调代数埋下伏笔。不变量理论后来对代数几何和表示论产生深远影响。19 世纪末，希尔伯特在《不变量问题》中提出有限生成性的定理，直接承袭自凯莱–西尔维斯特的传统。换言之，若没有凯莱的先行探索，希尔伯特代数几何的里程碑式成果几乎无从谈起。
射影几何与非欧几里得思想
在几何学上，凯莱表现出远超同辈的视野。他认为欧几里得几何与非欧几里得几何不应对立，而应被纳入一个更高层次的统一框架。他在 1859–1860 年的论文中提出：通过引入一个“绝对二次曲线”（absolute conic），可以把射影几何与度量几何连接起来。
这一构想后来被称为凯莱–克莱因模型（Cayley–Klein model）：
在欧几里得几何中，平行公设成立，对应于无限远直线的存在；在双曲几何与椭圆几何中，通过不同形式的“绝对”二次曲线，可以定义不同的度量结构。这种模型视角，将几何学从“公理学”解放到“结构学”：几何不是关于空间真实的断言，而是关于抽象结构的一致描述。
几乎同时，黎曼在 1854 年的演讲中提出了流形与度量张量的概念。凯莱与黎曼未曾直接交流，但他们不谋而合。凯莱强调射影几何的代数基础，黎曼强调微分几何的连续性，两者共同奠定了 20 世纪几何学的主干。
正因如此，后来的物理学家在建立时空模型时，既继承了黎曼的曲率思想，也依赖于凯莱的射影代数方法。
凯莱的律师时期，堪称其一生最“矛盾”却也最高产的阶段。法律事务占据了白天，但他往往在夜晚、假期乃至开庭间隙，挤出时间写论文。
他的研究领域之广，几乎涵盖了当时纯数学的所有前沿：
代数曲线与曲面：研究三次曲线的双切线、曲面奇点分类，预示了现代代数几何的奇点理论。椭圆函数与积分理论：发展 theta 函数的代数方法，为后来的模形式研究提供素材。代数组合学：研究排列与代数结构的关系，推动了群论早期的形成。四元数与矩阵：与哈密顿、萨尔蒙交流，对比四元数与矩阵的优势，最终奠定矩阵为主流工具的地位。据统计，1853–1860 年间他平均每年发表近 30 篇论文。这种惊人产量既反映了他超群的思维速度，也说明他在律师生涯的挤压下，把数学当成精神逃逸的唯一出口。
学术地位的逐渐确立
1850–1860 年代，凯莱屡次尝试竞逐教授职位，但因缺乏教学经验而失利。他曾申请阿伯丁大学、格拉斯哥大学等教授席位，却屡屡落选。然而，他的研究成果已在学界引起广泛注意：
他在皇家学会获得皇家奖章（1859），并当选院士。他与西尔维斯特、西尔蒙等人被视为英国代数学派的中坚力量。德国、法国的数学刊物频繁刊登他的论文，他成为少数能与大陆学派平等交流的英国人。最终，1863 年，剑桥设立了萨德勒讲席纯数学教授，凯莱得以如愿以偿，全身心投身数学。这一年也成为他人生的重大转折点：结束律师身份，开始真正的学术生涯。
1863 年，凯莱终于结束了长达十四年的律师生涯，被任命为剑桥大学萨德勒讲席纯数学教授。这一职位的设立初衷，是推动英国本土的纯数学研究与教学。而凯莱无疑是理想人选：他既有庞大的论文发表记录，又与欧洲大陆学者保持频繁交流。
不过，凯莱的讲授风格并不以教学易懂见长。他的课程往往直接取材于他最新的研究论文，学生们很难跟上节奏。他们更关心如何在 Tripos 考试中拿高分，而凯莱讲授的抽象理论与考试几乎无关。于是，他的课堂并不算受欢迎。
但从研究角度看，这一阶段的凯莱进入了真正的“体系建构期”。他不再像律师时期那样零散地发表，而是有了明确的研究纲领：
把射影几何与度量几何统一起来；把矩阵理论发展为现代代数的核心；把椭圆函数与 θ 函数纳入更广阔的代数框架。凯莱在 1859–1860 年代提出的“绝对二次曲线”思想，在 1870 年代得到了进一步发展。他认为几何的度量关系（角度、距离）并非天赋，而是建立在射影结构之上的附加定义。
在他看来：
射影几何是更一般的背景；欧几里得几何、双曲几何、椭圆几何只是通过不同选择“绝对曲线”而得到的特殊情形。这种思路后来由费利克斯·克莱因（Felix Klein）推广，形成了著名的“凯莱–克莱因模型”。在克莱因的《厄尔兰纲领》中，凯莱的思想被明确吸收，成为把几何学统一为群作用与不变量理论的关键支柱。
换句话说，凯莱的射影几何观念为 20 世纪“几何等于对称性”的观点奠定了哲学与代数基础。
当物理学家在 20 世纪需要建立时空模型时，黎曼的度量概念与凯莱–克莱因的代数几何框架共同发挥作用。爱因斯坦的广义相对论，正是两种传统的交汇点。
椭圆函数与代数视角
椭圆函数自雅可比、魏尔斯特拉斯以来，一直是 19 世纪数学的热点。凯莱在 1870 年代撰写了他一生唯一的一部专著：《椭圆函数初等论》（1876）。这本书并非系统教科书，而更像是他长期研究的总结。
在书中，他强调了椭圆函数的代数结构，特别是 θ 函数的对称性与变换性质。他尝试用矩阵与不变量理论的语言来重新组织椭圆函数的理论，这在当时是极具开创性的。
凯莱的椭圆函数研究并不仅仅局限于分析技巧，而是强调代数不变量与函数论的交织。例如：
他研究了 θ 函数的模变换，指出其背后存在代数对称群；他把椭圆函数与代数曲线的几何性质联系起来，推动了代数几何与解析函数的融合。这种统一视角，后来直接影响了德国学派（克莱因、希尔伯特）以及法国学派（庞加莱）对模函数与代数曲线的研究。
凯莱终身保持与西尔维斯特的密切交流。1880 年代，他受邀前往美国约翰·霍普金斯大学讲学，正是西尔维斯特在那里担任教授的邀请。他在美国讲授椭圆函数与 θ 函数课程，受到了极大欢迎，显示了他在大西洋两岸的声望。
他与布尔的通信在 1850 年代已奠定了代数逻辑的桥梁。尽管布尔英年早逝，凯莱仍在不变量理论中延续了布尔代数式方法的精神。
而他与哈密顿的关系，则体现为“矩阵与四元数之争”。哈密顿认为四元数是描述空间的终极代数；凯莱则认为矩阵更为普适。事实证明，矩阵代数最终成为主流工具，虽然他始终保持对哈密顿的敬意。
1870–1890 年间，凯莱逐渐获得几乎所有当时数学界的最高荣誉：
皇家学会科普利奖章（1882），英国最高科学奖；德摩根奖章（1884），伦敦数学会最高奖项；多所欧洲大学的荣誉博士学位；当选为法国科学院外籍院士，以及柏林、哥廷根、圣彼得堡等多国科学院成员。他的名字甚至被镌刻在天体上——月球上一座环形山被命名为“Cayley”。
在伦敦数学会的会议上，人们对凯莱的印象往往是：外表消瘦，衣着不甚讲究，但目光敏锐，神态亲切。他并不追逐名利，却以海量论文和惊人广度赢得世界尊重。
美国数学家哈尔斯特德曾评价他：“凯莱是最后一位‘无所不知’的数学家。”这句话，既肯定了他博学的广度，也暗示 20 世纪以后数学的专业化已使“通才”几乎不复存在。
凯莱在 1880–1890 年代依旧高产，持续发表关于不变量、几何、函数论的论文。虽然体力逐渐衰退，但他的智力依旧敏锐。
1895 年 1 月，他在剑桥的花园别墅病逝，享年 75 岁。葬礼上，来自英国、德国、法国、美国的代表齐聚，向这位“十九世纪英国最伟大的数学家”致敬。
他的一生共发表 900 多篇论文，涉及代数、几何、函数论、数论等几乎所有数学领域。五十多个概念和定理以他的名字命名，其中最著名的包括：
凯莱–哈密顿定理（矩阵理论核心）；凯莱定理（群论核心）；凯莱–克莱因模型（几何统一）；凯莱表（群运算表示方式）。来源：老胡科学一点号