קרל פרידריך גאוס

יוהאן קרל פרידריך גאוס
Johann Carl Friedrich Gauß

לידה	בראונשווייג, נסיכות בראונשווייג-וולפנביטל
פטירה	גטינגן, ממלכת הנובר
הערות	תלמידים מפורסמים: פרידריך בסל, ריכרד דדקינד, ברנהרד רימן

יוהאן קרל פרידריך גאוס (בגרמנית: Johann Carl Friedrich Gauß להאזנה (מידע • עזרה), 30 באפריל 1777 – 23 בפברואר 1855) היה מתמטיקאי, פיזיקאי ואסטרונום גרמני, מגדולי המתמטיקאים של כל הזמנים. גאוס תרם רבות בתחומי האלגברה, תורת המספרים, אנליזה מתמטית, סטטיסטיקה, גאומטריה דיפרנציאלית, גאודזיה, תורת הכבידה, תורת החשמל והמגנטיות, אסטרונומיה, אופטיקה ועוד. המגנום אופוס שלו, "מחקרים אריתמטיים" (Disquisitiones Arithmeticae), נחשב ליצירה המכוננת של תורת המספרים המודרנית, ונודעה לה השפעה כבירה על התפתחות הדיסציפלינות המתמטיות הטהורות בשתי המאות שחלפו מאז פרסומה.

גאוס מכונה לעיתים קרובות בספרות המתמטית "נסיך המתמטיקאים" ו"גדול המתמטיקאים מאז ימי קדם", זאת בשל השפעתו יוצאת הדופן בתחומים רבים של המתמטיקה והמדע.

ביוגרפיה

פסל של גאוס בעיר הולדתו, בראונשווייג

גאוס נולד בבראונשווייג שבסקסוניה התחתונה כבן יחיד למשפחת פועלים ענייה. אמו מעולם לא תיעדה את תאריך הלידה שלו, אולם זכרה שהוא נולד ביום רביעי, שמונה ימים לפני חג העלייה, שהוא עצמו מתרחש 39 ימים לפני חג הפסחא. גאוס פתר מאוחר יותר את חידת תאריך לידתו בקונטקסט של מציאת תאריך חג הפסחא, ופיתח שיטות לחשב את מועדי החג בעבר ובעתיד.

גאוס היה ילד פלא. גאוס עצמו סיפר כי עמד על סוד הפעולות האריתמטיות עוד בטרם ידע לדבר. קיימים סיפורים רבים על גאונותו כילד, רובם נחשבים לאגדות. אחד מהם, המובא בספרו של אריק טמפל בל, Men of Mathematics, מספר כי עוד בטרם מלאו לו שלוש שנים, נתגלה להוריו כישרונו המתמטי הייחודי: אביו עסק בהכנת גיליון השכר השבועי של הפועלים שבהשגחתו וביצע במשך מספר דקות את החישובים המסובכים. כאשר סיים את החישוב, אמר לו בנו שנפלה טעות בחישוב, ונקב בתוצאה שחישב בראשו. סיפור מפורסם מבית הספר היסודי מספר כי מורהו של גאוס ביקש להעסיק את תלמידי הכיתה בתרגיל שלפתרונו הייתה דרושה שעה ארוכה. התרגיל היה לחבר את המספרים מ-1 עד 100, והנה לא עברו כמה שניות וגאוס, באותה עת בן 7 בלבד, הניח את לוח-היד שהיה נהוג באותם ימים, קרא "!Lieget se" ("הנה זה מונח", בניב המקומי) ונקב בתוצאה: 5,050. בדיעבד התברר כי הוא גילה את הטור החשבוני בלי להיות מודע לכך: הוא הבחין שסכום האיבר הראשון והאחרון זהה לסכום האיבר השני והלפני האחרון וכן הלאה (1 + 100, 2 + 99, ..., 50 + 51). כלומר כדי למצוא את הפתרון לתרגיל יש להכפיל 101 במספר הזוגות (שהוא מחצית מספר האיברים), וכך מתקבל הפתרון (5,050=101X50).

אביו של גאוס, שהיה חסר השכלה ואב קשוח, רצה כי בנו ימשיך בדרכו ויהיה לבנאי, ולכן התנגד להמשך לימודיו של בנו. אך אמו הכירה בגאונותו של בנה ותמכה בהמשך לימודיו. מורהו, ביטנר, הכיר אף הוא בגאונותו של גאוס והסב אל גאוס את תשומת לבו של הדוכס מבראונשווייג, קרל וילהלם פרדיננד. הדוכס אכן נתן את תמיכתו וחסותו בהמשך לימודיו התיכוניים והאוניברסיטאיים של גאוס.

תחילת דרכו

גאוס קיבל מלגה מהדוכס, ובשנים 1792 עד 1795 למד ב-Collegium Carolinum (לימים האוניברסיטה הטכנית בבראונשווייג). משם המשיך ללימודים גבוהים באוניברסיטת גטינגן, שם למד עד 1798. בעודו באוניברסיטה, גילה מחדש באופן בלתי תלוי מספר מושגים ומשפטים חשובים: משפט הבינום המוכלל, הממוצע האריתמטי-גאומטרי, ומשפט ההדדיות הריבועית. הפריצה שלו התרחשה ב-1796, כאשר הראה באמצעות הרעיון של הרחבת שדות שכל מצולע משוכלל שמספר צלעותיו הוא מספר פרמה (ועקב כך כל מכפלה של מספר פרמה בחזקה של 2), ניתן לבנייה בסרגל ובמחוגה. תגלית זו הייתה ההתקדמות המשמעותית הראשונה בנושא בניות בסרגל ובמחוגה מזה למעלה מ-2,000 שנה: בעיות בנייה העסיקו מתמטיקאים עוד מימי יוון העתיקה, והייתה להן חשיבות רבה בהתפתחות האלגברה; בזכות האנליזה המעמיקה של פולינומים ציקלוטומיים, הן פתחו שערים לתאוריות מתמטיות עמוקות כמו תורת גלואה. תגלית זו היוותה נקודת מפנה בחייו של גאוס, מכיוון שהניעה אותו לבחור במתמטיקה כקריירה ולא בבלשנות שבה התעניין באותה עת. כחובב בלשנות נלהב שלט גאוס בשפות רבות: גרמנית, יוונית, לטינית, צרפתית, אנגלית ודנית.

1796 הייתה השנה הפרודוקטיבית ביותר עבור גאוס ותורת המספרים. ב-30 במרץ הוא גילה כי מצולע משוכלל בן 17 צלעות ניתן לבנייה בסרגל ומחוגה. גאוס היה גאה מאוד בתגליתו, ואף ביקש שייחרט על מצבתו מצולע משוכלל בן 17 צלעות. הוא פיתח את האריתמטיקה המודולרית, כלי בעל יכולת הפשטה ניכרת בתיאור מניפולציות בתורת המספרים. ב-8 באפריל 1796 היה הראשון שהוכיח את משפט ההדדיות הריבועית, משפט עמוק וכללי המאפשר למתמטיקאים לקבוע קיום פתירות של כל משוואה ריבועית באריתמטיקה מודולרית. גאוס כינה אותו בשם "משפט הזהב", ועדות לחיבה שרחש לו היא שפרסם שש הוכחות שונות שלו במהלך חייו (שתיים נוספות פרי עטו פורסמו לאחר מותו). משפט המספרים הראשוניים, אשר שוער ב-31 במאי, נותן הבנה טובה כיצד מתפלגים המספרים הראשוניים בין המספרים הטבעיים. ב-10 ביולי גאוס גילה שכל מספר טבעי ניתן להצגה כסכום של שלושה מספרים משולשים לכל היותר, ותיעד את התגלית בהערה מפורסמת ביומנו: "אאורקה! ∆ + ∆ + ∆ = num". ב-1 באוקטובר הוא גילה תוצאה על מספר הפתרונות של פולינום בעל מקדמים השייכים לשדה סופי, שהובילה להשערות וייל 150 שנה מאוחר יותר.

שנות הביניים

העמוד הראשי של מחקרים אריתמטיים

בעבודת הדוקטורט שלו משנת 1799, "הוכחה חדשה לכך שכל פולינום במשתנה אחד ניתן לפרק כמכפלה של גורמים ממשיים מן המעלה הראשונה והשנייה", סיפק גאוס הוכחה מבריקה של המשפט היסודי של האלגברה, משפט חשוב ממנו נובע כי לכל פולינום ממעלה n יש בדיוק n שורשים מרוכבים. עבודת הדוקטורט שלו הכילה ביקורת וסקירה מקיפה של ניסיונות הוכחה קודמים של המשפט, שנעשו על ידי אוילר, לגראנז' וד'אלמבר, והיא הייתה העבודה הראשונה שהצביעה על הפגם הבסיסי בהוכחות קודמות אלו של המשפט. ההוכחה שלו הכילה טיעון מקורי, טופולוגי במהותו, והגישה הכללית בה נקט בהוכחה הייתה מקורית. באופן אירוני, גם ההוכחה של גאוס לא הייתה שלמה והיה בה פער לוגי, בשל שימוש "מובלע" במשפט העקום של ז'ורדן (Jordan's curve theorem), ולפיכך אינה קבילה בסטנדרטים מודרניים. גאוס זיהה את החלל בהוכחתו, ובמרוצת חייו סיפק עוד שלוש הוכחות שונות של תוצאה זו; שתיים נוספות ב-1816 (האחת אלגברית באופיה והשנייה אנליטית), והאחרונה שבהן, ב-1849, נחשבת לדקדקנית ביותר מביניהן לפי הסטנדרטים של היום. מאמציו להוכיח את המשפט היסודי הסירו לחלוטין את הספקות לגבי תקפותם של המספרים המרוכבים.

ב-1801 פרסם גאוס את יצירת המופת הגדולה ביותר שלו: "מחקרים אריתמטיים" (Disquisitiones Arithmeticae) שאת כתיבתה השלים עוד ב-1798, אך החליט לפרסמה רק שלוש שנים מאוחר יותר. ביצירה זו הציג גאוס לראשונה כלי חדש לתיאור בעיות בתורת המספרים - אריתמטיקה מודולרית, הוכיח לראשונה את משפט ההדדיות הריבועית, יצר את תורת התבניות הריבועיות, ויצר תאוריה של בנייה בסרגל ובמחוגה (שעל פיה הוכיח כי המצולע המשוכלל בן 17 צלעות ניתן לבנייה). הניתוח שגאוס נתן בספרו לתורת התבניות הריבועיות היה מעמיק במיוחד, ומלא ברעיונות ובמושגים חדשים. האופן שבו ניתח גאוס בעיות והקונספציה החדשה שהציג בספר, היוו מקור השראה למתמטיקאים במשך דורות רבים אחרי פרסומו. כך למשל, ניתוחו של גאוס את בעיית הבנייה בסרגל ומחוגה הכיל חלק מהאלמנטים הרעיוניים של תורת גלואה, וספר זה היווה מקור השראה לגלואה.

באותה שנה גילה האסטרונום האיטלקי ג'וזפה פיאצי את האסטרואיד קרס. אולם פיאזי היה יכול לעקוב אחריו רק למשך מספר חודשים בלבד, וחלק מסלולו שבו הצליח לצפות היווה רק 3 מעלות בשמי הלילה. לאחר מכן נעלם קרס באופן זמני מאחורי ההילה של השמש. מספר חודשים מאוחר יותר, כשקרס היה אמור להופיע שוב, לא היה מסוגל פיאזי לאתר אותו מחדש: הכלים המתמטיים של התקופה לא היו מסוגלים לבצע חיזוי של מיקום האסטרואיד על פי מידע כל-כך זעום, שכן 3 מעלות מהווים פחות מ-1% ממסלולו של האסטרואיד.

גאוס, שהיה אז בן 23, שמע על הבעיה והחליט לנסות ולחזות את מיקומו של האסטרואיד. לאחר שלושה חודשי עבודה מאומצת, הצליח גאוס לחזות את הזמן ואת המקום שבו יופיע האסטרואיד שוב – הוא חזה הן את המקום והן את התאריך, דצמבר 1801, שבו יופיע קרס מחדש. ואכן, בהתאם לתחזית, שנה לאחר שנראה בפעם הראשונה, הופיע קרס מחדש בזמן ובמקום שגאוס חזה. התחזית למיקום התבררה כמדויקת בדרגה של חצי-מעלה כאשר האסטרואיד נצפה על ידי הברון פרנץ פון זאך ב-31 בדצמבר 1801 בעיר גותה, ויממה מאוחר יותר על ידי היינריך אולברס בברמן. ההישג הביא לגאוס תהילה והכרה מיידית גדולה, והוביל לכך שהוצעה לו משרה כפרופסור לאסטרונומיה וכמנהל מצפה הכוכבים של אוניברסיטת גטינגן. העובדה שהחיזוי היה כה מדויק, חרף מגבלות הכלים המתמטיים של התקופה, זעזעה את הקהילה המדעית באותה תקופה. זאך כתב כי "בלעדי העבודה האינטליגנטית והחישובים של גאוס ייתכן כי לעולם לא היינו מוצאים מחדש את קרס שוב". בשלב זה בחייו עדיין נתמך גאוס במלגה שניתנה לו מטעם הדוכס מבראונשווייג ולא נזקק לעבודה. אולם עם מותו של הדוכס ב-1807, החליט לקבל את המשרה שהוצעה לו והחזיק בה עד יום מותו.

השיטה של גאוס הייתה כרוכה בקביעת חתך חרוט במרחב בהינתן המוקד שלו (השמש), וחיתוך החרוט עם 3 ישרים נתונים (קווי ראייה מכדור הארץ לקרס, כשכדור הארץ עצמו נע במסלול אליפטי), ובהינתן הזמן שלוקח לקרס לעבור את הקשתות המותוות בין ישרים אלו (אשר מהם ניתן לחשב את אורך הקשתות באמצעות החוק השני של קפלר). בעיה זו מובילה למשוואה ממעלה שמינית, שפתרון אחד שלה, מסלול כדור הארץ, ידוע. הפתרון שמחפשים מופרד אז מ-6 האחרים בהתבסס על התנאים הפיזיקליים. בעבודה זו גאוס השתמש בשיטות קירוב מעמיקות שיצר במיוחד לצורך מטרה זו.

שיטה אחת כזו הייתה טרנספורם פוריה מהיר (Fast Fourier Transform). בעוד שיטה זו מיוחסת בדרך כלל למאמר משנת 1965 של המתמטיקאים ג'יימס קולי וג'ון טוקי, גאוס פיתח אותה כשיטת אינטרפולציה טריגונומטרית. המאמר שלו, Theoria Interpolationis Methodo Nova Tractata, פורסם רק לאחר מותו בכרך השלישי של אוסף העבודות שלו. עבודה זו אף חוזה את ההצגה הראשונה של ז'וזף פורייה על הנושא בשנת 1807.

התפלגויות נורמליות שונות בסטטיסטיקה

גילוי האסטרואיד קרס על ידי פיאצי הוביל את גאוס לעבודתו המונומנטלית על התאוריה של תנועת אסטרואידים המושפעים מגופים גדולים, אותה פרסם בשנת 1809 בשם "תאוריה של תנועת הגופים השמימיים בחתכי חרוט סביב השמש". בעבודה זו הוא כיסה, איחד וייעל את המתמטיקה של חיזוי המסלולים של המאה ה-18 עד כדי כך שהיא נחשבת לאבן פינה בתולדות האסטרונומיה החישובית. החיבור הציג את קבוע הכבידה הגאוסי, והכיל יישום מעמיק וממצה של שיטת הריבועים הפחותים אותה המציא, שיטה אשר משתמשים בה בכל ענפי המדעים המדויקים כדי להקטין למינימום את ההשפעה של שגיאות המדידה. באמצעות הגדרת ההתפלגות הנורמלית של שגיאות, הוכיח גאוס בחיבורו את שיטתו שלו (ראו גם: סטטיסטיקת גאוס-מרקוב). ההתפלגות הנורמלית, שנחשבת להתפלגות החשובה ביותר בסטטיסטיקה ומיושמת בתחומי חיים רבים ובכל תחומי המדע, נקראת מאז בשם "פעמון גאוס" או "גאוסיאן". שיטה זו תוארה קודם לכן על ידי לז'נדר ב-1805 אך גאוס טען כי הוא השתמש בה כבר ב-1795.

בין השנים 1812 ל-1818, השנים הראשונות לאחר חזרתו לגטינגן, היה לגאוס פרץ נוסף של רעיונות יצירתיים בתחומים שונים במתמטיקה, ובעקבותיו פרסם מספר רב של מאמרים בולטים, בהם מאמרו משנת 1813 בו מצא באופן אנליטי טהור את המשיכה שיוצר אליפסואיד בכל נקודה במרחב, מאמרו "חקירות כלליות חדשות על הטור האינסופי" שפתח את העידן הריגורוזי של האנליזה המתמטית והיה הדיון השיטתי הראשון על טורים היפרגאומטריים וההצגה של הפונקציה ההיפרגאומטרית (הוא לא פרסם את המשוואה הדיפרנציאלית שמקיימת הפונקציה ההיפרגאומטרית; זו נמצאה בכתב יד שלו שפורסם לאחר מותו, יחד עם תכונות מעניינות נוספות של הפונקציה והטרנספורמציות שלה), מאמרו "שיטה חדשה לחישוב ערכי אינטגרלים על ידי קירוב" - חיבור על שיטה חדשה לאינטגרציה נומרית, מאמרו "קביעת הדיוק של תצפיות" ובו דיון באמדים סטטיסטיים, וכן מאמרו פורץ הדרך באסטרונומיה תאורטית משנת 1818 בו הוכיח שהפרטורבציה המסלולית הנגרמת על ידי גוף מסיבי לגוף קטן שקולה לפרטורבציה אשר הייתה נגרמת על ידי טבעת מסה אליפטית שצפיפותה בכל נקודה פרופורציונלית למסת הכוכב ויחסית הפוך למהירותו באותה נקודה (עבודתו על הפרטורבציות של פאלאס הובילה אותו למשפט יוצא דופן זה).

ב-1818 החליט גאוס לנצל את יכולותיו החישוביות לשימוש מעשי והוביל סקר גאודזי של ממלכת הנובר, וקישר לסקרים דניים מקבילים. כדי לקדם את הסקר המציא גאוס את ההליוטרופ, מכשיר העושה שימוש במראה כדי להחזיר את אור השמש על פני מרחקים גדולים במטרה לסמן ולמדוד מרחקים של עמדות. מחקריו בגאודזיה העמידו יסודות חדשים למדע הגאודזיה, ותרמו לנושאים רבים: יישומים מתמטיים כגון התאוריה המתמטית של קווים גאודטיים על משטח עקום, תיאור הצורה של כדור הארץ (בין היתר טבע את המונח "גאואיד") והסבר לאי רגולציות שלה, הכנת מפות מדויקות יותר של אזורים שונים, שיטות אינטרפולציה טריגונומטרית ועוד.

הסקר של הנובר עורר בגאוס עניין בגאומטריה דיפרנציאלית, תחום במתמטיקה הדן במשטחים ובעקומות. בין השאר יצר בתחום זה מושג מרכזי המתאר עקמומיות של משטחים, וקרוי על שמו עקמומיות גאוס. ב-1827, גאוס גילה וניסח משפט מתמטי חשוב ביותר בתחום זה (Theorema Egregium), המקשר בין הרעיון של עקמומיות משטח לגאומטריה של הצורות המתקיימות עליו, כלומר לזוויות ולמרחקים הנמדדים על פני המשטח ולהבדל בין תוצאות המדידות על פני המשטח לבין אלו הנקבעות בגאומטריה אוקלידית. המשפט ביסס את החשיבות היסודית שיש לעקמומיות גאוס בגאומטריה דיפרנציאלית. הוא פרסם משפט זה ואת מכלול התאוריה שלו על משטחים עקומים בחיבורו מאותה שנה "חקירות כלליות על משטחים עקומים", שהוא יצירתו המרכזית בתחום זה. גאוס ניסח והוכיח גם את המשפט הידוע כמשפט גאוס-בונה, המקשר בין הגאומטריה של משטח לטופולוגיה, משפט בעל חשיבות בהנחת יסודות הטופולוגיה.

קרל פרידריך גאוס, 1828

ב-1820 החל מתמטיקאי הונגרי בשם יאנוש בויאי, בנו של פרקש בויאי שהיה חבר טוב של גאוס, ליצור את התאוריה שלו לגבי גאומטריה לא-אוקלידית ופרסם תוצאות לגביה ב-1832. מאוחר יותר טען גאוס שהוא הגיע בעצמו לתוצאות שפרסם בויאי, ואלו היו תוצאות אליהן הגיע בעצמו לפניו אבל לא פרסמן מעולם; הוא כתב לפרקש בויאי: "לשבח עבודה זו יהיה זה למעשה לשבח את עצמי. שכן כל תכולת העבודה... מתלכד כמעט במדויק עם ההרהורים המתמטיים שלי עצמי אשר העסיקו אותי במהלך שלושים או שלושים וחמש השנים האחרונות". הוא אכן הגיע לתוצאות אלה, כפי שניתן ללמוד ממכתבו לפרנץ אדולף טאורינוס בשנת 1824, אך סירב לפרסמן מחשש לזעם ההמונים ("מוג לב במקצת" כינה אותו בשל כך מדען המחשב אדסחר דייקסטרה).

שנותיו האחרונות

אחרי 1828 החל להסתמן כיוון חדש בעבודתו של גאוס, והוא החל לחקור בעיקר בעיות בפיזיקה תאורטית. הפירות הראשונים שהניב מחקר זה היו מאמרו על מכניקה משנת 1829: "על ניסוח יסודי חדש של המכניקה", בו ניסח מחדש את המכניקה הקלאסית באמצעות עיקרון חדש בחשבון וריאציות (עקרון האילוץ המינימלי של גאוס), ומאמרו משנת 1830 על נימיות: "עקרונות כלליים של תאוריית הצורה של נוזלים בשיווי משקל", בו דן בנוזלים במצב שיווי משקל וסיפק בסיס ריגורוזי חדש לתחום. בתקופה זו החל גם להתעניין בקריסטלוגרפיה, והגיע למספר תוצאות חשובות; הוא הציע מערכת סימון קריסטלוגרפית שהייתה למעשה שקולה למערכת אינדקס מילר. בהשראת מחקרו הקריסטלוגרפי, פתר גאוס את בעיית "אריזת הכדורים האופטימלית" - הוכחת השערת קפלר - במקרה של מארז סריגי (lattice) רגולרי (אי-האפשרות של אריזות לא רגולריות צפופות יותר לא הוכחה עד 1998).

ב-1831 החל גאוס בשיתוף פעולה עם הפיזיקאי וילהלם ובר. שיתוף פעולה זה היה פורה ביותר והוביל לידע חדש בתאוריה של האלקטרומגנטיות, כגון ייצוג של יחידה מגנטית במונחים של מסה, אורך וזמן, וכן גילוי חוקי קירכהוף. ובר וגאוס הגיעו לתגליות רבות בנוגע לחשמל סטטי, תרמי, וזה הנובע מחיכוך, אך לא פרסמו אותן, בעיקר משום שמחקרם התמקד במגנטיות ארצית. גאוס עצמו ניסח את חוק גאוס באלקטרוסטטיקה (שמהווה מקרה פרטי של משפט גאוס באנליזה וקטורית), אחד החוקים הבסיסיים והחשובים ביותר בתחום זה, וכן את חוק גאוס במגנטיות. ב-1833 תכננו גאוס וובר את הטלגרף האלקטרומגנטי הראשון, באורך 3 קילומטר, שקישר את מצפה הכוכבים אל מכון הפיזיקה בתוך אוניברסיטת גטינגן. גאוס וובר עמדו מיד על חשיבות המצאתם להתפתחות התעשייתית בעולם, וובר התנבא כי "הטלגרף יעשה לעולם את מה שמערכת העצבים עושה לגוף האנושי". המעבדה של גאוס וובר הייתה אחראית על פיתוח מספר אמצעי מדידה בתחום האלקטרומגנטיות, ובין היתר הם המציאו את המגנטומטר הראשון. באמצעות המגנטומטר שהמציא, מדד גאוס ב-1835 לראשונה את עוצמת השדה המגנטי של כדור הארץ. כמו כן פיקח גאוס על בנייתו של מתקן מגנטי במצפה הכוכבים, ויחד עם ובר ייסד את magnetischer Verein ("המועדון המגנטי") שתמך במדידות של השדה המגנטי של כדור הארץ באזורים שונים, והניב את ה"אטלס המגנטי" הראשון של כדור הארץ. כחלק מניסוי זה פיתח גאוס שיטה למדידת העוצמה האופקית של שדה מגנטי, שיטה אשר נעשה בה שימוש רב במחצית השנייה של המאה ה-20 והיוותה למעשה את התאוריה המתמטית להפרדה בין המקור הפנימי (הגלעין והקרום) לבין המקור החיצוני (המגנטוספירה) של השדה המגנטי של כדור הארץ. באחד ממאמריו על התאוריה המגנטית שלו, מאמר שתואר כ"אחד המאמרים החשובים של המאה", יישם גאוס את התאוריה המתמטית שלו והמידע הניסויי הרב שצבר על השדה המגנטי של כדור הארץ, וכך פילסה את עצמה תגלית עולמית כאשר גאוס יכול היה לנבא, ולראשונה בהיסטוריה אף להצביע על המיקום המדויק של הקטבים המגנטיים של כדור הארץ, נושא שריתק ימאים מאז ימי קדם. מספר שנים קודם לכן, ב-1831, איתר מגלה הארצות הבריטי ג'יימס קלארק רוס לראשונה באופן מקורב את הקוטב המגנטי הצפוני. תוצאות חישוביו של גאוס הצביעו על אותו אזור גאוגרפי, וסטו כ-3 מעלות ו-30 דקות קשת מהמיקום האמיתי, מה שהוכיח את אמינות התאוריה.

קובץ:10 DM Serie4 Vorderseite.jpg

גאוס על שטר של עשרה מארק גרמני

ב-1840 פרסם גאוס את חיבורו המשפיע Dioptrische Untersuchungen, שבו תיאר את האנליזה השיטתית הראשונה של היווצרות דמויות תחת הקירוב הפראקסיאלי (אופטיקה גאוסיאנית). בין התוצאות הרבות בחיבור, הוכיח גאוס כי מערכת אופטית ניתנת לאפיון באמצעות 6 הנקודות הקרדינליות שלה, גזר את נוסחת העדשות הגאוסיאנית, טיפל לראשונה באופן מתמטי בעדשות עבות, והראה שההדמיה של מערכות אופטיות סימטריות מסוימות ניתנת לביטוי כפיתוח לטור שבו האיבר הראשון מספק את ההתנהגות הסטיגמטית האידיאלית, והאיברים מסדרים גבוהים יותר מתארים את האברציות. גאוס פעל גם במישור הפרקטי של האופטיקה, חקר את הבעיה של בניית אופטיקה עם עיוותים מינימליים, ושיפר את התכנון של טלסקופים ומכשירים אופטיים אחרים. ה-Dioptrische היה בעל השפעה רבה על תלמידיו של גאוס שפנו לתחום האופטיקה, כמו ארנסט אבה ואחרים, דבר שהאיץ את התפתחות התעשייה האופטית בגרמניה. בסיסי ככל שהוא נראה היום, חיבור זה עסק בנושאים רבים שלא הובנו היטב לפני פרסומו, לפחות לא באופן מתמטי מדויק, ומסיבה זו בדיוק היסטוריונים אחדים כינו לפעמים את החיבור "עבודתו המדעית החשובה ביותר".

אחרי 1840 הלכה והצטמצמה בהדרגה פעילותו המדעית של גאוס. הוא עסק בבעיות מתמטיות בעלות חשיבות משתנה; מספר פאזלים קומבינטוריים (בהם חידת שמונה המלכות), בעיות מתמטיות מרכזיות מסוימות ועוד. הוא המשיך לעסוק בבעיות בפיזיקה תאורטית ובפיזיקה ניסויית, ונותר פעיל מאוד באסטרונומיה תצפיתית; הוא המשיך לעשות תצפיות וחישובים אסטרונומיים, והמשיך במחקרו על מגנטיות כדור הארץ. מחקריו המתמטיים והפיזיקליים עסקו בהתכנסות של טורים, מתמטיקה אקטוארית, בעיות מכניות הקשורות בסיבוב כדור הארץ (בהמשך למחקריהם של לגראנז', פלאנה, הנסן וקלאוזן), בשיפורים למטוטלת פוקו ועוד. בתקופה זו גאוס אימץ תחביב חדש של איסוף עיתונים וכל סוג שהוא של חדשות פיננסיות. הוא נודע כמשקיע חכם, וממשלות רבות ברחבי אירופה אף הציעו לו להיות שר אוצר. הספקולציות הפיננסיות שלו עזרו לו להשיג הכנסה שנתית הגבוהה פי 200 מהמשכורת השנתית שלו. ב-1851 ביסס בפעם האחרונה אוסף חדש של עקרונות מדעיים, הפעם במתמטיקה אקטוארית, שעסקו בתאוריות מתמטיות של ביטוחים וקרנות פנסיה.

ב-1854 בחר גאוס את הנושא להרצאה המפורסמת של תלמידו ברנהרד רימן, "על ההיפותזה העומדת ביסודות הגאומטריה". בדרך חזרה לביתו מהרצאתו של רימן, סיפר ובר שגאוס היה נרגש ומלא שבחים על ההרצאה.

גאוס נפטר בשנת 1855 (כחודשיים לפני יום הולדתו ה-78), בגטינגן, שם אף נקבר. מוחו של גאוס לא נקבר עמו אלא נמסר למחקר מדעי; נמצא כי משקלו 1,492 גרם ושטחו הצֶרֶבְּרָלִי 219,588 סמ"ר. נמצאה גם רמת פיתולים גבוהה במיוחד, ממצא שהוצע בתחילת המאה ה-20 כהסבר לגאונות שלו.

לאחר מותו של גאוס נמצא בביתו יומן שניהל בין השנים 1796 ו-1814, ובו רשם את תגליותיו בצורה מדויקת, כשהוא מקפיד לרשום את תאריך הגילוי וההוכחה של כל אחת מהן. רובן לא פורסמו עד מותו. נמצא כי היומן מכיל 146 תוצאות, שחלק מהן התגלו והוכחו על ידי מתמטיקאים אחרים שנים רבות לאחר מכן. עובדת היותו של יומן זה מסמך מתמטי-ביוגרפי משנות הפריצה של גאוס, הפכה אותו לימים לאחד המסמכים החשובים בהיסטוריה של המתמטיקה, ולחלון הצצה מרתק לתקופת קו התפר בין המתמטיקה של המאה ה-18 והמתמטיקה של המאה ה-19.

מוניטין לאחר המוות

קברו של גאוס בבית הקברות אלבני בגטינגן, גרמניה.

גאוס הוא דוגמה בולטת לאישיות גאונית אשר מעמדה בעולם המתמטיקה והמדע אף גבר לאחר מותה. כל תיאור של רוחב ועומק היריעה של עבודתו המדעית של גאוס אינו יכול לתת תמונה הולמת של הישגיו ללא התייחסות לכמות הגדולה של הכתבים הלא מפורסמים שנמצאו בעזבונו. בעיני חלק מבני דורו, טענותיו התדירות של גאוס לזכות ראשונים שלו סביב נושאים מתמטיים רבים, נתפסו לעיתים קרובות כאמירות יהירות. כך היה בעימות עם אדריאן-מארי לז'נדר סביב שיטת הריבועים הפחותים, כך עם אבל ויעקובי סביב תורת הפונקציות האליפטיות, כך עם יאנוש בולאי סביב הגאומטריה ההיפרבולית, וכך בכמה מקרים נוספים. עם זאת, במרבית המקרים התברר בסופו של דבר שגאוס אכן הקדים את זמנו, כפי שעולה מכתביו הנרחבים, שנוגעים כמעט בכל תחום מתמטי שהתקיים בזמנו.

בין אלו, ראויים לציון מיוחד כתביו על אנליזה מתמטית, שכוללים את חיבורו על הממוצע האריתמטי גאומטרי, ואת כתביו על פונקציות אליפטיות והתיאורים השונים שלהן - חיבורים אלו מכסים חלק גדול מעבודתם של אבל ויעקובי ובמקרים מסוימים אף מכילים תוצאות שאינן מופיעות בכתביהם. בהשוואה לנושאים אחרים לגביהם לעיתים קרובות נתגלעה מחלוקת עם בני תקופתו של גאוס סביב זכות הקדימות על גילויים (בין היתר עקב טענותיו של גאוס עצמו), חיבוריו אלו היו כתובים בצורה מוגמרת ומלוטשת בהרבה, והשפעתם נמשכה הלכה למעשה גם בעשורים הראשונים שלאחר מותו של גאוס, דרך עבודתם של פליקס קליין ומתמטיקאים נוספים על תבניות מודולריות.

גם בכתביו בתורת המספרים זוהו תגליות רבות, אם כי במקרה זה הגילוי של כתביו הלא מפורסמים היה פחות דרמטי שכן במרוצת השנים גאוס כן פרסם את מרבית ממצאיו החשובים בתחום הזה. בהקשר זה, ראויים לציון מיוחד צמד חיבוריו (הלא מפורסמים) מ-1834 ו-1837 על היישום של שיטות אנליטיות מעמיקות לקביעת החוקיות האסימפטוטית של מספר המחלקות של תבניות ריבועיות בינאריות (נוסחת מספר המחלקות של דיריכלה); תוצאות אלו, העומדות ביסודה של תורת המספרים האנליטית, ככל הנראה היו מוכרות לו כמה עשורים קודם לכן, כפי שעולה מכמה תוצאות שהופיעו ב"מחקרים אריתמטיים" (1801), או ממכתבו לדיריכלה מ-1828. בעלי חשיבות מיוחדת הם גם כתביו על הפירוש הגאומטרי של תוצאות בתורת המספרים, או על המתודולוגיה של עבודתו האריתמטית.

בהשוואה לכתביו בתחומים מתמטיים אלו, כתביו על יסודות הגאומטריה וגאומטריה לא אוקלידית הם בעלי אופי מקוטע בהרבה, ולא ניתן לראות בהם סימוכין וביסוס מלא לטענות של גאוס כי (כפי שכתב ליאנוש בולאי) עבודתו של בולאי מתלכדת במדויק עם הרהוריו שלו עצמו במהלך 30 השנים האחרונות. גם בכתביו והתכתבויותיו על מערכות מספרים היפר-מרוכבים (הקווטרניונים של ויליאם רואן המילטון) המצב דומה, אם כי ניכר שאלו היו מעט בשלים יותר מאשר כתביו על גאומטריה לא אוקלידית. עם זאת, העובדה שנתגלתה לאחר מותו, כי גאוס עצמו התייחס לנושא הגאומטריות החלופיות במלוא הרצינות, שכנעה את העולם המתמטי להתייחס בכובד ראש להישגיהם של בולאי ולובצ'בסקי, שבאותה עת עדיין נתפסו אזוטריים ולא קנו לעצמם אחיזה משמעותית מספיק. מכיוון ששמו של גאוס "עזר" לקדם את תגליותיהם של בולאי ולובצ'בסקי, נתקבעה לעיתים קרובות נטייה לייחס לו תפקיד מרכזי ביצירת הגאומטריה הלא אוקלידית במקביל לשניים האחרים, באופן לא פרופורציונלי לתפקיד האמיתי שמילא. היטיב לבטא זאת המתמטיקאי וההיסטוריון ג'רמי גריי , לפיו גאוס ראוי יותר להיקרא מגלה של הגאומטריות החלופיות מאשר יוצר שלהן.

גם במהלך המאה ה-20 לא פג העניין בו, ונתגלו מחדש היבטים נוספים של עבודתו; כך היה המקרה עם האלגוריתם של התמרת פורייה מהירה, עם הטכניקות של שיטות ריבועים פחותים רקורסיביות, או עם התפתחויות בתורת המספרים ששפכו אור על כמה מתגליותיו האריתמטיות העמוקות יותר. לסיכום, הכמות העצומה של תגליות בפרסומיו ובכתביו הלא מפורסמים קיבעו את מעמדו כדמות מרכזית בהיסטוריה של המתמטיקה, אשר ללימוד עבודתה יש ערך פדגוגי מוסף מעבר לעניין מתמטי או מדעי גרידא.

השקפות דתיות

גאוס היה לותרן פרוטסטנט, וחבר בכנסיית סנט אוונס שבגטינגן. עדות לאמונה העמוקה של גאוס ברלוונטיות האמונה באלוקים מגיעה מתגובתו לאחר שפתר בעיה שטרדה את מנוחתו במשך זמן רב: "בסופו של דבר הצלחתי – לא על ידי מאמציי הגדולים, אלא בידי חסד הא-ל". אחד הביוגרפים שלו G. Waldo Dunnington מתאר את השקפותיו הדתיות של גאוס במילים הבאות:

בעבורו מדע היה האמצעי לחשוף את הגרעין האלמותי של הנשמה האנושית. בימים בהם כושרו המתמטי עמד לו במלוא עוצמתו אמונתו שלו הביאה אותו ליצירתיות, ובאמצעות ההזדמנויות שהיא פתחה לו, הביאה לו תקווה ונחמה. לקראת סיום חייו היא הביאה לו ביטחון. האל של גאוס לא היה יציר-דמיון קר ומרוחק של המטאפיזיקה, ולא קריקטורה מעוותת של תאולוגיה ממורמרת. לאדם אינה מובטחת שלמות של ידע כזאת שתצדיק את עמדתו היהירה שחזונו המעורפל הוא האור המוחלט ושלא ייתכן שיימצא מישהו אחר שמדווח על האמת כמו שהוא עושה (הוא אחז בסובלנות דתית) . בעבור גאוס, לא מי שזועק את ה-"אני מאמין" שלו, אלא מי שחי אותו, ראוי להערכה הרבה ביותר. הוא האמין שחיים העוברים בצורה ראויה כאן על הארץ הם ההכנה הטובה ביותר, והיחידה, לגן עדן. דת אינה נחלת הספרות בלבד, אלא היא דרך חיים. ההתגלות של האל היא רציפה, ולא מוכלת בלוחות של אבן או בקלפים קדושים. ספר הוא חדור תובנה כאשר הוא מעביר עמו תובנה. הרעיון הבלתי מעורער של המשכיות אישית אחרי המוות, האמונה האיתנה בסדר אחרון של הדברים, ובאל נצחי, צודק, יודע-כל, וכל-יכול, היוותה את הבסיס לחייו הדתיים, שעמדו בהרמוניה מלאה עם מחקריו המדעיים.

Dunnington ממשיך ומציג את ההשקפות הדתיות של גאוס בכותבו:

התודעה הדתית של גאוס הייתה מבוססת על צמא בלתי ניתן לסיפוק לאמת ותחושה עמוקה של צדק בנוגע לקניין רוחני וחומרי. הוא דימה חיים רוחניים ביקום כולו כמערכת גדולה של חוקים המתנהלת לפי אמת נצחית, וממקור זה הוא שאב את הביטחון האיתן שהמוות אינו הסוף כלל וכלל.

גאוס הצהיר שהוא האמין אמונה איתנה בחיי העולם הבא, וראה רוחניות כמשהו החשוב באופן מהותי לבני אנוש. הוא צוטט פעם: "העולם יהיה חסר תכלית, והבריאה כולה אבסורד, ללא חיי אלמוות". אף על פי כן, Dunnington קובע שגאוס לא האמין בכל הדוגמאות הנוצריות, ולא ניתן לפרש את האמונה שלו כשייכת למסורת הנוצרית. האמונה שלו הייתה קרובה יותר לאמונה הבודהיסטית מאשר לאמונה הנוצרית, שכן הוא הביע אמונה מסוימת בגלגול נשמות (בהתכתבות עם אולברס בנוגע לגאומטריה הלא אוקלידית הוא כתב: "...אולי בגלגול אחר נזכה לפלח במבטינו את טיבו של המרחב..." ) והאמין יותר במסע של למידה שעוברת הנשמה בעולם מאשר בגן עדן נצחי.

משפחה

גאוס נישא לראשונה ב-9 באוקטובר 1805 ליואנה אוסטהולף. לזוג נולדו שלושה ילדים: יוזף (1806–1873), וילהלמינה (1808–1846) ולואי (1809–1810). אולם, אושר זה לא נמשך זמן רב ונקטע על ידי שרשרת של אירועים טרגיים: ב-1808 נפטר אביו של גאוס ושנה לאחר מכן נפטרה אשתו בלידת הבן לואי, שנפטר אף הוא זמן קצר לאחר מכן. אירועים אלו השפיעו קשות על גאוס והוא שקע בדיכאון עמוק. בעודו מטפל בשני ילדים קטנים, החליט גאוס להינשא שנית כשנה לאחר מכן לאחת מחברותיה של אשתו, פרדריקה וילהלמינה וולדק (אשר כונתה מינה). נולדו להם שלושה ילדים: אויגן (1811–1896), וילהלם (1813–1879) ותרזה (1816–1864). מינה סבלה ממחלות רבות ונפטרה ב-1831. בתו תרזה השתלטה על אחזקת הבית ודאגה לכל מחסורו של גאוס עד מותו. אימו של גאוס אף היא חייתה עמו בביתו מ-1817 עד מותה ב-1839.

גאוס התעמת עם ילדיו על רקע בחירת מקצועם: הוא לא העריך אותם כמתמטיקאים ולא רצה שיעסקו בתחום, מחשש שיכתימו את שם המשפחה. העימות הקשה ביותר היה עם בנו אויגן אשר גאוס בחר עבורו במקצוע המשפטים, אך אויגן העדיף להתרכז בלימודי שפות אותם לא הסכים אביו לממן. לבסוף היגרו שני בניו של גאוס, אויגן ווילהלם, למיזורי שבארצות הברית. מבין כל ילדיו הייתה וילהלמינה היחידה שנחשבה בעלת כישרון מתמטי קרוב לשל אביה.

הישגיו של גאוס

אלגברה

המשפט היסודי של האלגברה

איור מתוך עבודת הדוקטורט של גאוס (1799), שעשתה שימוש בטיעונים טופולוגיים הנוגעים לענפים של עקומים אלגבריים.

בעבודת הדוקטורט שלו משנת 1799, Demonstratio nova theorematis omnem functionem algebraicam rationalem integram unius variabilis in factores reales primi vel secundi gradus resolvi posse (הוכחה חדשה לכך שכל פולינום במשתנה אחד ניתן לפרק כמכפלה של גורמים ממשיים מן המעלה הראשונה והשנייה) סיפק גאוס הוכחה מבריקה של המשפט היסודי של האלגברה, משפט ממנו נובע כי לכל פולינום ממעלה n יש בדיוק n שורשים מרוכבים. עבודת הדוקטורט שלו הכילה ביקורת וסקירה מקיפה של ניסיונות הוכחה קודמים של המשפט, שננקטו על ידי אוילר, לגראנז' וד'אלמבר, והיא הייתה העבודה הראשונה שהצביעה על הפגם הבסיסי בהוכחות קודמות של המשפט. הגישה הכללית של ההוכחה שלו הייתה גאומטרית מטבעה, והכילה טיעון מקורי, אשר ליבתו מבוססת על אבחנות טופולוגיות במהותן; גאוס מנתח בה לעומק כיצד פועלת ההעתקה הפולינומית $p(z):\mathbb {C} \to \mathbb {C}$ על המישור המרוכב. באופן אירוני, גם ההוכחה של גאוס לא הייתה שלמה והיה בה פער לוגי, שכן גאוס הניח בה מספר הנחות על ענפים של עקומים אלגבריים אשר למעשה עשו שימוש "מובלע" במשפט עקומת ז'ורדן; הוכחה זו התבססה על טענה לא מוכחת שעקום אלגברי הנכנס לדיסקה נתונה חייב לצאת ממנה בסופו של דבר, ולפיכך היא לא קבילה בסטנדרטים מודרניים.

גאוס זיהה את החלל בהוכחתו ובמרוצת חייו סיפק עוד שלוש הוכחות שונות של תוצאה זו; שתיים נוספות ב-1816 (האחת אלגברית באופייה והשנייה אנליטית), והאחרונה שבהן ב-1849. את ההוכחה השנייה האלגברית שלו ניתן להבין לעומק רק תוך שימוש בהמשגה המאוחרת יותר של תורת גלואה; הרעיון המרכזי שלה הוא להיעזר בתכונות אלגבריות של הפונקציות הסימטריות כדי לגזור משוואה דיפרנציאלית הקושרת בין הפולינום ההתחלתי והדיסקרימיננטה שלו. בדרך זו מוכיחים את הקיום של שדה פיצול המוכל בשדה המספרים המרוכבים. ההוכחה השלישית האנליטית שלו מבוססת על הצבות אינטגרליות מורכבות ועל שימוש במושגים כדוגמת אינדקס הליפוף, ומניחה באופן סמוי את משפט אינטגרל קושי.

ההוכחה הרביעית והאחרונה שלו, שהוצגה במסגרת אירוע חגיגי שנערך כהוקרה לקריירה יוצאת הדופן של גאוס, דומה באופיה להוכחה הראשונה שלו, אולם היא מעמיקה את הטיפול הטופולוגי במשפט. על אף שבסופו של יום הטיעון הטופולוגי עדיין נותר רחוק מלהיות שלם, אלכסנדר אוסטרובסקי הראה ב-1920, לאור התפתחויות תקופתיות בטופולוגיה קבוצתית, שרעיונו של גאוס להתייחס לתחומים במישור המרוכב במקום להתמקד בעקומות ז'ורדן התוחמות אותם, כלומר בשונה ממה שעשה בהוכחתו הראשונה, הוא צעד בעל חשיבות משמעותית. אוסטרובסקי הראה שלמעשה, על בסיס זה ניתן להפיק הוכחה ריגורוזית לחלוטין למשפט, והעיר שהדבר מאשרר את קביעתו של גאוס ש-: "מהותית, תוכנו של הטיעון כולו משתייך לתאוריה אבסטרקטית של גדלים שהם בלתי תלויים במרחב", ואשר מושא המחקר שלה הוא "פעולות רציפות על גדלים קשירים". בהשוואה להוכחה שלו מ-1799, הפעם גאוס דן באופן זהיר יותר במקרה של שורשים מרובים והראה שכל השורשים נוצרים באופן שתיאר. בנוסף, הוא הקדיש את חלקו השני של המאמר לחישוב נומרי של פתרונותיהן של משוואות אלגבריות, תוך שהוא משפר את הטכניקות הידועות לפתרון משוואות טרינומיות . מאמציו להוכיח את המשפט היסודי לאורך השנים הסירו לחלוטין את הספקות לגבי תקפותם של המספרים המרוכבים.

מבנים אלגבריים

גאוס תרם גם תרומה מסוימת לתאוריה של מבנים אלגבריים מתקדמים, וייתכן כי גילה בשנת 1819 את אלגברת הקווטרניונים, המיוחסת בדרך כלל לויליאם רואן המילטון (אשר גילה אותה ב-1843). באותה שנה הציג גאוס במאמר קצר בשם "סיבובי המרחב" את הסיבוב הכללי (של קו ישר דרך הראשית במרחב תלת-ממדי) בעזרת המטריצה האורתוגונלית:

${\begin{pmatrix}a^{2}+b^{2}-c^{2}-d^{2}&2(bc-ad)&2(bd+ac)\\2(bc+ad)&a^{2}+c^{2}-b^{2}-d^{2}&2(cd-ab)\\2(bd-ac)&2(cd+ab)&a^{2}+d^{2}-b^{2}-c^{2}\end{pmatrix}}.$

כאשר a,b,c,d הם רביעיית מספרים שמקיימים $a^{2}+b^{2}+c^{2}+d^{2}=1$. בדרך זו בנה גאוס שיטה לייצוג אלגברי של גאומטריית סיבובים תלת-ממדית. בהמשך המאמר ציין גאוס כי ההרכבה של שתי פעולות סיבוב כאלו (הכפלת המטריצות) מיוצגת על ידי מטריצה מאותו סוג, עם מקדמים $(a,b,c,d)\cdot (\alpha ,\beta ,\gamma ,\delta )=(A,B,C,D)$ כאשר A,B,C,D הם ביטויים ביליניאריים מסוימים באותיות האחרות. הביטוי להכפלה של שתי רביעיות מספרים שקול למעשה לכלל הכפל של הקווטרניונים. גאוס ציין בהמשך המאמר את תכונת האי-קומוטטיביות של כפל קווטרניונים, חקר תכונות אריתמטיות שלהם, ודן בקשר בין קווטרניונים למשולשים ספיריים. במקום אחר בכתביו הוא הבחין בהתנהגות "קווטרניונית" בזוגות סדורים של מספרים מרוכבים, האנלוגית להתנהגות "המרוכבת" של זוגות מספרים ממשיים כפי שבאה לביטוי בזהות דיופנטוס (בכך הקדים במידה מסוימת את בניית קיילי-דיקסון). הוא הראה שחוקי הכפל של הקווטרניונים צומחים מתוך חוקי הכפל של מספרים מרוכבים באמצעות הזהות הבאה:$(|u_{1}|^{2}+|v_{1}|^{2})\cdot (|u_{2}|^{2}+|v_{2}|^{2})=(|u_{1}u_{2}-v_{1}{\bar {v}}_{2}|)^{2}+(|u_{1}v_{2}+v_{1}{\bar {u}}_{2}|)^{2}$, כאשר $u_{1},u_{2},v_{1},v_{2}$ הם מספרים מרוכבים, והקו העליון מסמל את הצמוד המרוכב.

אלו היו רעיונות מהפכניים הן מבחינה קונספטואלית והן מבחינה גאומטרית-אינטואיטיבית, שכן אף על פי שכללי הכפל של הקווטרניונים היו מובלעים כבר בזהות סכום ארבעת הריבועים של אוילר מ-1748, גאוס הדגים את השימושיות שלהם בכך שעשה את הקישור הלא טריוויאלי בין אלגברה ארבע-ממדית לסיבובים תלת-ממדיים – זאת באמצעות פרמטריזציה של סיבובים דרך פונקציות טריגונומטריות של חצאי-זוויות הסיבוב (פרמטרי רודריגז). מבחינה קונספטואלית, מחקרים אלו, שלא התפרסמו בזמנו, מייצגים את ההתבוננות המעמיקה הראשונה בנושא העקביות של מערכות אלגבריות מורחבות.

גאוס הבין את חשיבותם של ממצאים אלה, וכתב במאמרו על הרחבת האריתמטיקה למספרים מרוכבים (מ-1831) כי "המחבר שמר לעצמו... את התשובה לשאלה מדוע היחסים בין הקואורדינטות שמציינות מרחבים מממד גבוה משניים לא ניתנים לטיפול כמותי במסגרת של אריתמטיקה אוניברסלית", והבטיח תשובה לשאלה במאמר עתידי, אך זה מעולם לא הופיע. במילים אחרות גאוס טען שלא תיתכן אלגברה (מעל הממשיים) של ווקטורים תלת-ממדיים במובן השגור של המושג "אלגברה". המתמטיקאי הרמן הנקל (Hermann Hankel) הוכיח לראשונה ב-1867 שכל מערכת מספרים היפר-מרוכבים לא יכולה לקיים את כל חוקי האלגברה, ובך אישש את הטענה של גאוס, שהוא עצמו מעולם לא סיפק לה הוכחה. עם כל זאת, הייחוס של גילוי הקווטרניונים לגאוס שנוי במחלוקת כי לא ברור עד כמה בשלות מבחינה מתמטית פורמלית היו תוצאות אלו שלו; הוא מעולם לא טען כי גילה את הקווטרניונים, ובוודאי הוא לא פיתח את הנושא והפיץ אותו באופן אפקטיבי כמו המילטון בספרו הארוך "קווטרניונים" (1863).

תורת המספרים

ה-Disquisitiones Arithmeticae של גאוס נחשב ליצירת מופת שכוננה את תורת המספרים המודרנית. גאוס הנהיג בה לראשונה את הסימון ≡ לקונגרואנציות והציג באופן שיטתי תוצאות קודמות בתורת המספרים באמצעות אריתמטיקה מודולרית, הוכיח את משפט ההדדיות הריבועית, יצר את תורת התבניות הריבועיות (שבאמצעותה הוכיח, כתוצאה אחת מני רבות, שכל מספר טבעי ניתן להצגה כסכום של לכל היותר 3 מספרים משולשיים, ואף קבע את מספר הדרכים שמספר כלשהו ניתן להצגה כזאת), ניסח את בעיית מספר המחלקות (Class number problem) – השערה מרחיקת לכת שהייתה לה השפעה כבירה על התפתחות המתמטיקה ב-200 השנים הבאות, והציג את פתרון בעיית הבנייה בסרגל ובמחוגה של מצולעים משוכללים.

באמצעות התאוריה שלו על שורשי היחידה, גאוס הראה שמצולע משוכלל בעל 17 צלעות ניתן לבנייה בסרגל ומחוגה.

ה-Disquisitiones Arithmeticae היה נקודת ההתחלה בעבור מתמטיקאים במאה ה-19 שהתמחו בתורת המספרים. הוא שימש כמקור בלתי נדלה של רעיונות מתמטיים, שחלקם הופיעו בו באופן מפורש. אחרים הופיעו בו בצורה בוסרית, ובישרו את הופעתם של רעיונות מתמטיים מתקדמים. ההתעמקות בספר בידי מתמטיקאים שונים הובילה לתאוריות מתמטיות שונות כמו תורת גלואה על פתרון משוואות אלגבריות, תאוריית האידיאלים של דדקינד, ויישומים מתמטיים שונים כמו סוגים של מבחני ראשוניות. כהדגמה של ההשפעה של מחקרים אריתמטיים על פיתוח תורת גלואה, נציין שגאוס הביא בספרו בנייה אלגברית מפורשת למצולע המשוכלל בעל ה-17 צלעות, המתקבלת מהצגת קוסינוס הזווית במצולע כזה על ידי סדרה של שורשים ריבועיים:

${\begin{aligned}16\,\operatorname {cos} {2\pi \over 17}=&-1+{\sqrt {17}}+{\sqrt {34-2{\sqrt {17}}}}+\\&2{\sqrt {17+3{\sqrt {17}}-{\sqrt {34-2{\sqrt {17}}}}-2{\sqrt {34+2{\sqrt {17}}}}}}.\end{aligned}}$.

הדרך בה הגיע לתוצאה הזאת (שהוא תיאר בפרק השביעי של מחקרים אריתמטיים) מעידה על הבנה עמוקה של חבורת גלואה של הרחבות השדה הריבועיות, המקודדת את הקשרים המתמטיים הללו.

הפרק השביעי של מחקרים אריתמטיים כולל גם את אחת התוצאות המרחיקות לכת ביותר שלו; במאמר 358 הוא נתן חסם למספר הפתרונות הרציונליים לקונגרואנציה מסוימת ממעלה שלישית (בשפה מודרנית הוא מנה נקודות רציונליות על עקום אליפטי), במה שנודע כמקרה הלא-טריוויאלי הראשון של משפט הסה וייל, אשר ניתן לפרש אותו גם כמקרה הלא-טריוויאלי הראשון של השערת רימן מעל שדות סופיים. אנדרה וייל ציין כי תוצאה זו ביחד עם תוצאות נוספות בכתביו הלא מפורסמים של גאוס הובילה אותו לנסח את השערות וייל; במיוחד הערה 146 מיומנו של גאוס מכילה אלמנטים רעיוניים רבים של הגישה המודרנית לבעיות מסוג זה, ולכן היא נתפסת לעיתים קרובות כקדימון להתפתחות מרחיקת הלכת שעברה תורת המספרים במאה ה-20, במהלכה נוצרו הן התשתית לגאומטריה האלגברית המודרנית והן הכלים לתקוף בעיות אריתמטיות הנוגעות לספירת נקודות רציונליות על יריעות אלגבריות כלליות. גאוס הוכיח גם את נוסחת מספר המחלקות (class number formula) הראשונה, בעבור שדות ריבועיים, זמן רב לפני פרסום הנוסחה בידי דיריכלה; את התוצאות הראשונות שלו בנוגע להערכות אסימפטוטיות של מספרי מחלקה הוא פרסם במאמרים 301–302 בפרק החמישי של ספרו, ומאוחר יותר חקר באופן לא גמור את השימוש בטורים דמויי פונקציית זטא כדי לחשב מספרי מחלקה. מיד לאחר מכן, במאמרים 303–304, הוא ניסח גם סדרה של השערות מרחיקות לכת (Gauss's class number problems), שחלקן ממשיכות להעסיק מתמטיקאים עד עצם היום הזה.

בהקשר זה של הפן האנליטי יותר של עבודתו בתורת המספרים, גאוס הכיר גם את הטכניקות המתמטיות הקריטיות להוכחת משפט ארבעת הריבועים של יעקובי; הזהות שמקיימת החזקה הרביעית של פונקציית תטא, אשר בה השתמש יעקובי להוכחת המשפט, מופיעה באחד מכתביו הלא מפורסמים על פונקציות אליפטיות, כשלצידה מופיעה הערה על הצגת מספר כסכום של ארבעה ריבועים. המשפט הזה זכור בהיסטוריה של תורת המספרים כדוגמה הראשונה של שימוש בתבניות מודולריות להוכחת תוצאה בתורת המספרים. במקרה זה המחלוקת אינה האם הוא הכיר את טכניקות ההוכחה של המשפט, אלא האם הוא עשה את הדדוקציה הספציפית של הנוסחה המפורשת של יעקובי מהזהויות שגזר (הנוסחה של יעקובי לא מופיעה בכתביו באופן מפורש), אף על פי שזה סביר למדי, שכן זו נובעת בנקל מעבודתו.

אחד החלקים העמוקים והטכניים ביותר בכל "מחקרים אריתמטיים" הוא החלק שבו בונה גאוס את חוק ההרכבה של תבניות ריבועיות בינאריות – אותו הוא מציג במאמרים 234–244 של הפרק החמישי של ספרו. "הרכבה" של תבניות ריבועיות בינאריות היא פעולה מתמטית שמקבלת שתי תבניות ריבועיות בינאריות $f_{1},f_{2}$ ומחזירה תבנית שלישית כזאת $f_{3}=f_{1}\circ f_{2}$ באופן כזה שאוסף המספרים המיוצגים על ידי התבנית $f_{3}$ (כתבנית מעל השלמים) מורכב ממכפלות כל זוגות השלמים (n,m) כאשר n הוא מספר שמיוצג על ידי $f_{1}$ ו-m מיוצג על ידי $f_{2}$. למשל, ההרכבה של התבניות $4u^{2}+3uv+5v^{2}$ והתבנית $3r^{2}+rs+6s^{2}$ היא התבנית $2x^{2}+xy+9y^{2}$, כאשר x ו-y מחושבים כך: $x=ur-3us-2vr-3vs,y=ur+us+vr-vs$. גאוס הוכיח שהרכבה כזאת תמיד ניתנת לביצוע. למעשה, ההגדרה שלו כללית יותר מאשר בדוגמה זו, שכן התבניות הללו הן בעלות דיסקרימיננטה זהה 71-, ואילו גאוס הגדיר חוק הרכבה כללי, המאפשר להרכיב אף תבניות לא פרימיטיביות ובעלות דיסקרימיננטה שונה. חוק ההרכבה שלו עמד בליבה של התאוריה החישובית של תבניות ריבועיות במשך מאתיים שנה, וההכללה הראשונה שלו לתבניות מסדר שלישי ורביעי ניתנה בסדרת מאמרים מ-2004 של זוכה מדליית פילדס מנג'ול בהרגבה.

בהקשר זה של הפן האלגברי של עבודתו האריתמטית, הוא הוכיח גם את המקרים n = 3 ו-n = 5 של המשפט האחרון של פרמה. גאוס פיתח הוכחה אלטרנטיבית אלגנטית למקרה n = 3 של המשפט האחרון, שהייתה בהירה יותר מההוכחה שניתנה על ידי אוילר. באמצעות פיתוח שיטתי של תכונות השדה הציקלוטומי השלישי $Q(\zeta _{3})$ (כאשר $\zeta _{3}=e^{2\pi i/3}$) ושיטת הנסיגה האינסופית של אוילר ופרמה, הוא הוכיח את אי הפתירות של המשוואה $x^{3}+y^{3}+z^{3}=0$ במספרים שלמים מרוכבים; אף על פי שהתוצאה שלו הייתה כללית יותר, ההוכחה נתגלתה כברורה ופשוטה יותר מאשר במקרה הממשי. אף על פי שההוכחה שלו מובילה לאסטרטגיה שמצליחה בעבור ערכים אחרים של n, הוא מעולם לא העסיק את עצמו עם המשפט באופן שיטתי משום שלא החשיב את ההתמקדות בו למועילה במיוחד לעתיד ענף תורת המספרים.

נקודות ראויות לציון אחרות בעבודתו של גאוס בתורת המספרים כוללות את הפרק השמיני הלא מפורסם של מחקרים אריתמטיים (שגאוס לא השלימו), ואת התוצרים המובהקים של עבודה זו: תאוריה שיטתית של המבנה של שדות סופיים, וחשוב מכך, הגילוי של חוקי הדדיות מסדרים גבוהים יותר. בחיבור זה תקף גאוס את הבעיה של קונגרואנציות ממעלה שרירותית מודולו מספר ראשוני $p$ וביסס כלים חשובים כדי לגשת לבעיות מהסוג הזה. בין היתר, גאוס חוקר את המבנה של שדות סופיים דרך אוטומורפיזם פרובניוס, ונעזר בנוסחת ההיפוך של מביוס כדי "לספור" את מספר הפולינומים האי-פריקים ממעלה n מעל שדה סופי (GF(p מודולו p. בחלקו האחרון של החיבור גאוס דן בהכללות אפשריות של חקירות אלו, ומוכיח גרסה מוקדמת של למת הנזל - תוצאה יסודית המאפשרת להרים תופעות מודולריות ביחס למספר ראשוני p לכדי חזקות הולכות וגדלות $p^{k}$ של אותו ראשוני. נקודת המבט בה נקט בחיבור קרובה לזו שננקטה מאוחר יותר על ידי אווריסט גלואה וריכרד דדקינד, כך שפרסומיהם "ייתרו" חיבור זה, אולם הוא עדיין נותר חשוב לצורך התחקות אחר שורשי הרעיונות המתמטיים של גאוס. ישנן ראיות שגאוס היה מודע חלקית לתפקיד הטכני המרכזי של למת הנזל בהתרת בעיות אריתמטיות מודרניות, כפי שעולה מהערות אחדות ביומנו או מן המניע שלו להוכחת למת גאוס על פולינומים. בתחילת המאה ה-20 הציג קורט הנזל את שדה המספרים ה-p-אדיים ובכך שפך אור על חקירות אלו, והציבן במסגרת מושגית שהפכה עד מהרה לאחד הכלים החשובים בתורת המספרים המודרנית.

מספרים שלמים של גאוס כנקודות סריג במישור המרוכב.

מבין עבודותיו המפורסמות בתורת המספרים, מאמריו שהוזכרו מקודם על חוק ההדדיות מסדר דו-ריבועי שניים בחשיבותם רק ל-"מחקרים אריתמטיים". בכך שהרחיב באופן שיטתי את מושא המחקר של תורת המספרים לשדה המרוכבים, גאוס עשה את הקפיצה הקונספטואלית המשמעותית שאפשרה את כינון תורת המספרים האלגברית. מאמריו אלו הנהיגו לראשונה את השימוש בחוג השלמים של גאוס (כולל את השימוש בראשוניי גאוס) וטיפלו בתכונות האריתמטיות שלו - תחת ההרחבה הזאת, מספרים שהם ראשוניים באריתמטיקה הרגילה כבר אינם כאלה יותר בחוג גאוס, שכן למשל: $5=(1+2i)(1-2i)$ כך ש-5 אינו ראשוני בחוג זה.

גאוס הראה הלכה למעשה כי חוג השלמים המרוכבים מהווה תחום פריקות יחידה; הווה אומר, כל מספר בחוג זה ניתן לפירוק לראשוני גאוס באופן יחידי, באופן אנלוגי למשפט היסודי של האריתמטיקה. לאחר מכן הוא מבסס את חשיבות חוג זה לחקר חוקי הדדיות מסדרים גבוהים, תוך הכללת רבים ממונחי המפתח של תורת המספרים האלמנטרית; למשל, הוא הוכיח את המשפטים האנלוגיים למשפט הקטן של פרמה וללמה של גאוס. במאמר גאוס ניסח את חוק ההדדיות מסדר דו-ריבועי בצורה הבאה:

ניתן לפתור באופן סימולטני שתי קונגרואנציות ריבועיות במספרים ראשוניים גאוסיאניים (כלומר החוק מנוסח למספרים מרוכבים) $\pi$ ו-$\sigma$ אם מתקיים:

$({\frac {\pi }{\sigma }})_{4}({\frac {\sigma }{\pi }})_{4}=(-1)^{(N(\pi )-1)/4\cdot (N(\sigma )-1)/4}$

כאשר $N(a+bi)=a^{2}+b^{2}$ הוא ריבוע הנורמה של המספר המרוכב. לאחר הניסוח של חוק ההדדיות מסדר דו-ריבועי, גאוס מוכיח במאמרו כמה מקרים פרטיים שלו; לדוגמה, בראשון מבין המאמרים הללו, הוא הוכיח את ההשערה של אוילר שהמספר 2 הוא שארית דו-ריבועית של מספר ראשוני (p ≡ 1 (mod 4 אם ורק אם p = a² + 64b². באשר להוכחה מלאה של החוק, לא ברור כיצד הוכיח אותו לראשונה; גאוס טען כי מצא את ההוכחות למשפטים הכלליים של הדדיות ממעלה שלישית ורביעית בסביבות 1814, לאחר מאמצים רבים, אך מאמריו מ-1828 ו-1832 לא הכילו הוכחה מלאה. בפרסום שלו (מ-1818) שמכיל את ההוכחה החמישית והשישית שלו לחוק ההדדיות הריבועית, הוא טען שהטכניקות של ההוכחות האלו (סכומי גאוס ולמת גאוס) יכולות להיות מיושמות להוכחת משפטי הדדיות כלליים יותר. הוכחה ציקלוטומית המבוססת על סכומי גאוס ממעלה רביעית אכן נמצאה בכתביו הלא מפורסמים; אף על פי כן, ייתכן כי היא נכתבה לאחר פרסום ההוכחה של אייזנשטיין, אשר התבססה על שיטות דומות. כתביו הלא מפורסמים כן מכילים תרומה מקורית אחת לחוק ההדדיות ממעלה רביעית; בעוד שמרבית ההוכחות שניתנו לחוק החל מ-1850 ועד היום הן פשוט וריאציות על ההוכחות שאייזנשטיין נתן במקור, גאוס הותיר אחריו הוכחה גאומטרית השונה בטיבה מזו שאייזנשטיין נתן. הוכחתו של גאוס התבססה על טכניקות מקוריות ביותר המערבות ספירת נקודות סריג בתוך צורות גאומטריות מסוימות, ולפיכך היא קרובה יותר מבחינה רעיונית לשיטות מתחום הגאומטריה של מספרים מאשר להוכחות האנליטיות של אייזנשטיין.

ללא קשר לזהות בעל הקרדיט על ההוכחה הראשונה, המאמרים הללו זכורים בשל העושר והעומק של החקירות האריתמטיות שבאו בעקבותיהם – ההצגה של חוג השלמים הגאוסיאנים והטיפול המפורט בתכונות האריתמטיות שלו הציבה את הנושא בחזית המחקר על תורת המספרים וחוקי הדדיות, ובתוך מספר שנים שחלפו מאז פרסום המאמר הופיעו הוכחות שונות של חוקי ההדדיות מסדר שלישי ורביעי, שפורסמו על ידי אייזנשטיין, יעקובי, ודיריכלה. המאמר זכור גם כנקודת ציון מבחינת האופן שבו הוא שינה את תפיסתם של מתמטיקאים את המספרים המרוכבים, שעד אז נחשבו ל"פיקציות מטאפיזיות" בלבד; הוא משופע בדוגמאות ל"טענות אריתמטיות שמנצנצות בבהירות רבה יותר במסגרת האריתמטיקה המורחבת" (במילותיו של גאוס) ומכיל את אחד השימושים הרשמיים הראשונים בוויזואליזציה של המספרים המרוכבים כנקודות במישור המרוכב (ככל הנראה גאוס השתמש בתיאור המספרים המרוכבים כנקודות במישור עוד לפני עבודת הדוקטורט שלו, אך פרסמו רק ב-1831).

גם עבודתו על חוק ההדדיות מסדר שלישי ראויה לציון, ובהערה למאמרו על חוג השלמים המרוכבים הוא ציין כי את המשפט ניתן להוכיח בדומה להדדיות ממעלה רביעית, באמצעות פיתוח האריתמטיקה בחוג השלמים של אייזנשטיין. הוכחה לחוק ההדדיות ממעלה שלישית נמצאה בכתביו; היא מבוססת על ההוכחה השישית שלו לחוק ההדדיות הריבועית, ומכילה כלמה את הטענה שחוג השלמים של אייזנשטיין הוא אוקלידי ולכן גם תחום פריקות יחידה. בעת שניסה לבסס תשתית אריתמטית לחוק ההדדיות מסדר שלישי, גאוס החל לחקור גם תבניות מעוקבות, ובמספר הערות מ-1808 הוא חקר את אוסף הפתרונות השלמים של המשוואה הדיופנטית $x^{3}+ny^{3}+n^{2}z^{3}-3nxyz=1$, ואפיין את כל המספרים הראשוניים המיוצגים על ידי התבנית הזאת כאלו שעבורם n הוא שארית מעוקבת. אגף שמאל הוא הנורמה של המספר $x+vy+v^{2}z$ בשדה המעוקב הנוצר על ידי סיפוח $v=n^{1/3}$, כך שמשמעות הפתרון היא למעשה איתור ה"יחידות" – איברים מנורמה 1, בשדה הנתון. בהקשר זה גאוס זיהה את ההגדרה הכללית של נורמה של איבר בשדה ציקלוטומי מסדר ראשוני $p$ (כפי שניתנה מאוחר יותר על ידי ארנסט קומר) – באחד מכתביו הלא מפורסמים מופיעה התייחסות מפורטת לנורמות של איברים כאלו עבור $p=5$. חשיבות חקירתו על תבניות מעוקבות בכך שהייתה הרמז המתועד הראשון כיצד להכליל את התאוריה של תבניות ריבועיות למעלה גבוהה יותר, והרעיונות מאחוריה הם מקרה פרטי של משפט היחידות של דיריכלה (שכאמור לעיל הגיע לממצאיו באופן בלתי תלוי).

אחת הבעיות שתעתעו בגאוס במהלך חייו הייתה נושא התפלגותם של המספרים ראשוניים. גאוס חיפש חוקים המושלים במופעים של המספרים הראשוניים "בגדול", ולא במיקום המספר הראשוני הבא.

לכמה מההשערות שלו בנוגע לתורת המספרים הייתה השפעה רבה, אף שברוב המקרים הוא לא הניח יסודות מוצקים כיצד להוכיח אותן. ההשערה של גאוס את משפט המספרים הראשוניים, אותו הוא גילה על בסיס חישובים מספריים אמפיריים מקיפים (גאוס ערך טבלה של כל המספרים הראשוניים עד ל-3 מיליון), נתנה הבנה טובה כיצד מתפלגים המספרים הראשוניים ברמת המקרו. למעשה, הוא שיער יותר מכך; בכתב לא מפורסם שלו תחת הכותרת "חוקים אסימפטוטיים של אריתמטיקה" הוא העלה על הכתב כמה תוצאות שמכלילות את משפט המספרים הראשוניים; הוא שיער שבאופן אסימפטוטי, מספר המספרים שקטנים מ-$a$ להם 2 גורמים ראשוניים הוא: ${\frac {\log \log(a)a}{\log a}}$, וכן שיער השערה כללית יותר לגבי ההתפלגות האסימפטוטית של מספרים k-כמעט ראשוניים. את התוצאות הללו הוא גזר תחת ההנחה שמשפט המספרים הראשוניים נכון; על סמך הנחה זו הוא חישב באמצעות שיטות מתוחכמות את חוקי ההתפלגות של המספרים הכמעט ראשוניים (ב-1901 בנה אדמונד לנדאו את המתודולוגיה שלו מחדש). מאוחר יותר הוא עידן את ההשערה שלו על צפיפות המספרים הראשוניים וטען כי $1/\log x$ היא תדירות ההופעה של המספרים הראשוניים "בסביבות" המספר x ולאו דווקא התדירות הממוצעת בתוך קבוצת המספרים הטבעיים מ-1 עד x, מה שמוביל ישירות לקירוב של פונקציית האינטגרל הלוגריתמי $\ \operatorname {Li} (x)=\int _{2}^{x}{\frac {1}{\ln t}}dt$ (מכתב לאנקה, 1849).

אסטרונומיה

תרשים של גאוס (משנת 1801) של ממדיהם היחסיים של מסלוליהם של קרס ופאלאס.

ניסיונו הראשון של גאוס להיכנס לעולם האסטרונומיה היה בהתאם למסורת המאה ה-18, כך שהוא ניסה לנסח תאוריה של תנועת הירח – הבעיה המרכזית במכניקה השמיימית של אותה עת – שתהיה יעילה ומדויקת יותר מהתאוריות הקודמות. ניסיונו זה נעשה בעקבות בעיית הפרס שהציעה האקדמיה בפריז ב-1800, שדרשה חישוב מדויק יותר של טבלאות נתוני מיקום ירחיים על בסיס תאוריה אמינה יותר. עבודתו בתחום, חיבור לא גמור בעל חמישה פרקים תחת הכותרת "תאוריה של תנועת הירח", פורסמה רק לאחר מותו בכרך השביעי של הנכלאס שלו. המשוואות היסודיות שהוא גזר עשו שימוש בקו האורך הירחי כמשתנה הבלתי תלוי (ולא בזמן), ולפיכך הן דומות לאלו של קלרו וד'אלמבר, וממשיכות את קו המחשבה שלהן. התאוריה שלו מתיישבת בהיבטים רבים עם זאת של פלאנה מ-1832; חישוביו של גאוס על הפרטורבציות הירחיות הרוחביות (הפלקטואציות בנטייה של מסלול הירח) תאמו את התיאור של פלאנה במדויק. בו בזמן שגאוס עמל על חיבורו זה, הכרך השלישי של ספרו של לפלס "מכניקה שמיימית", שהעפיל ברוחב יריעתו בהרבה על חיבורו הבוסרי, כבר הופיע, וכן סדרת מאמרים של אסטרונומים אחרים ששחזרו רבים מהפרטים של התאוריה שלו שכנעו אותו לא להמשיך את כתיבת חיבורו. הידיעה החדשותית מ-1801 בדבר העצם השמיימי החדש שנתגלה (האסטרואיד קרס) סיפקה לו הזדמנות פז שונה בטיבה להטביע את חותמו בעולם האסטרונומי, מה שהניע אותו לשנות את מוקד מחקרו.

עבודתו של גאוס על אסטרונומיה חישובית, "תאוריה של תנועת הגופים השמימיים בחתכי חרוט סביב השמש", עוסקת בקביעת מסלולם של גרמי שמיים (אסטרואידים, שביטים וכו') משלוש תצפיות גאוצנטריות; מספר התצפיות המינימלי המאפשר חישוב של ששת אלמנטי המסלול של גרם שמיימי. בספר גאוס מפתח את האלגוריתם השלם הראשון לחיזוי מסלול של עצם שמיימי משלוש תצפיות גאוצנטריות; הוא מכיל פתרון יעיל מבחינה חישובית לבעיית למברט באסטרודינמיקה, והוא מפורסם בשל האינטגרציה של שיטות מתמטיות שונות בו: שיטות סטטיסטיות (כולל ההצגה של "שיטת הריבועים הפחותים") לעידון איטרטיבי של המסלול המחושב, גאומטריות (בעיקר מטריגונומטריה כדורית) ואסטרונומיות שונות. הספר זכה לפרסום רב גם בשל הצלחתו במישור הדידקטי – בעבור קוראיו הוא שימש כמעין מדריך שיטתי לאסטרונומיה עכשווית, והציג תהליך מתמטי ברור ונוח לשימוש ידני – ומסיבות אלו בדיוק היה נגיש לא רק למיטב האסטרונומים, והפך לרפרנס מרכזי בכמה העשורים שלאחר מכן. עוד בטרם פרסום הספר, גאוס נעזר בשיטות דומות כדי לסייע באיתור כל שלושת האסטרואידים הבאים שנתגלו: פאלאס, יונו, ווסטה. ההצלחה החוזרת ונשנית הדגימה את יכולות השיטה שלו.

הישג משמעותי לא פחות של גאוס באסטרונומיה היה עבודתו על חישוב מסלולו של פאלאס, שחולף בסמוך לצדק ולכן חווה פרטורבציות משמעותיות, וכמו כן חווה הפרעות כבידתיות משמעותיות גם משבתאי, כך שמסלולו רחוק מלהיות קפלרי (אליפטי). למעשה, בשנים 1810–1818 התמה הדומיננטית ביותר של עבודתו האסטרונומית הייתה חישוב מדויק ככל האפשר של מסלולו הלא-סדיר של פאלאס. בכתביו הלא מפורסמים ניתן למצוא קטעים מתמטיים ארוכים המתארים את הטכניקות שפיתח. אחד הכתבים האלה הוא מאמרו הארוך בצרפתית "הצגה של שיטה חדשנית לחישוב הפרעות פלנטריות יחד עם יישום לחישוב כמותי של הפרעות התנועה של פאלאס", שהוא חיבר ב-1812 לתחרות של האקדמיה הצרפתית למדעים, ושלא פורסם בימי חייו. לאחר מאמצים אדירים, גאוס ויתר על השלמת המשימה הזאת, כשהגיע למסקנה שהיא גוזלת חלק ניכר מזמנו. מה שמנע ממנו להשיג הסבר מספק לתנועתו של פאלאס היה, לדעת אסטרונומים מודרניים, שהוא ערך את חישוביו עד לסדר שלישי בלבד, במקום להמשיך את הפיתוח עד לסדר חמישי. העורך של עבודתו האסטרונומית של גאוס, האסטרונום Martin Brendel, ציין ב-1906 שבעבודתו על פאלאס "גאוס כמעט השלים לבדו משימה אדירה, שאפילו כיום אסטרונומים נרתעים מאוד מלגשת אליה". בימינו בעיות כאלו נפתרות כמעט באופן בלעדי על ידי סימולציות ממוחשבות מורכבות המדמות את השינוי במסלולי אסטרואידים כתוצאה מהאפקט הכבידתי של כוכבי הלכת המסיביים במערכת השמש.

עם זאת, במאמרו מ-1818 על חישוב הפרטורבציות של פאלאס, "קביעה של המשיכה שכוכב לכת יפעיל בנקודה שרירותית נתונה, אם המסה שלו הייתה מפולגת באופן רציף לאורך מסלולו ובפרופורציה לזמן שלוקח לו לעבור את חלקי מסלולו", גאוס פיתח כלי מתמטי שנקרא שיטת הטבעת האליפטית (elliptic ring method) המאפשר לחשב בסדר ראשון את הפרטורבציות הלא מחזוריות (פרטורבציות סקולריות) שצדק יוצר במסלולו של פאלאס. המאמר הזה הוא גם המאמר היחיד שפורסם בחייו בו גאוס פרסם חלק מעבודתו על הממוצע האריתמטי גאומטרי. לקראת סוף המאה ה-19, האסטרונום האמריקני George William Hill "עיבד" את שיטתו המורכבת של גאוס כך שתתאים יותר לשימוש אסטרונומי.

בניגוד להישגים כבירים אלו, שאר עבודתו האסטרונומית של גאוס מייצג, לדעת בני זמנו, מה שהיה בעיקר "בזבוז" של כישרונו; עבודתו האחרת עסקה בעיקר באסטרונומיה תצפיתית ובהיבטים מעשיים שונים כגון שכלול המכשור האסטרונומי של מצפה הכוכבים בגטינגן, תחומים שבהם גאוניותו המתמטית באה פחות לידי ביטוי. עם זאת, גם מחקרים מעשיים אלו הניבו תרומות תאורטיות אחדות לאסטרונומיה, שכללו חישובים של טבלאות אברציה ונוטציה (ב-1808). מ-1819 ואילך פצח גאוס במחקר שיטתי של התנועה הכוללת של מערכת השמש במרחב הגלקטי; דרך התכתבויותיו הענפות הוא היה בין הראשונים לפתח שיטות להעריך את התנועה השמשית במונחי התנועות העצמיות של כוכבי השבת המרוחקים יותר.

אנליזה מתמטית

פונקציות אליפטיות, טורים היפרגאומטריים, תבניות מודולריות

כשחקר את פעולת החבורה המודולרית על חצי המישור העליון, גאוס זיהה במפורש את המושג החשוב של תחום יסודי (Fundamental domain) של חבורה זו, אשר ניתן לרצף בעזרת עותקיו את כל המישור ההיפרבולי. כתביו מכילים אף איור שמציג ריצוף של דיסק היחידה על ידי רשת של משולשים "עקומים" (האיור כאן מתייחס למודל שונה, זה של חצי המישור העליון).

אחד הגילויים העצמאים הראשונים של גאוס היה מושג הממוצע האריתמטי-גאומטרי (AGM) של שני מספרים ממשיים חיוביים; המחקר השיטתי שערך על הממוצע הזה הוביל אותו לגלות עולם מתמטי אשר (במילותיו של גאוס עצמו) "כמות האמיתות שניתן לגלות בו גדולה לאין שיעור מאשר זו שהפונקציות הרגילות אוצרות בחובן". הוא גילה את הקשר שלו לאינטגרלים אליפטיים בשנים 1798–1799, דרך הטרנספורמציה שגילה באופן עצמאי הנקראת טרנספורמציית לנדן (Landen transformation). אחד החיבורים המרכזיים שלו בקשר לזה הוא לקט של כתבים תחת הכותרת "Arithmetisch Geometrisches mittel". לקט זה ביחד עם מאמרים רבים נוספים, מכיל עושר אדיר של תגליות מתמטיות, ורבות מן התוצאות במאמרים אלה הן בין התוצאות מרחיקות הראות ביותר של גאוס, אשר הייתה להן השפעה רבה על התפתחות המתמטיקה בשלהי המאה ה-19, כאשר מתמטיקאים אחרים נתוודעו להישגיו דרך הפרסום ההדרגתי של כתביו הלא מפורסמים. כתבים אלו הראו שעוד לפני סיום העשור הראשון של המאה ה-19, גאוס הכיר רבות מהתוצאות שהופיעו לראשונה בחיבורו המהפכני של קרל גוסטב יעקב יעקובי מ-1829 "Fundamenta nova theoriae functionum ellipticarum": בין היתר גילה גאוס את התכונה היסודית של פונקציות אליפטיות – שהן מהוות באופן טבעי פונקציות בעלות שני מחזורים בלתי תלויים $\omega _{1},\omega _{2}$, מעל R - וחישב את שני המחזורים הבלתי תלויים שלהן במקרים רבים, הוכיח תוצאות חשובות על הקשר בין אינטגרלים אליפטיים והממוצע האריתמטי גאומטרי, חקר לעומק את הפונקציות הלמניסקטיות (שניתן לחשוב עליהן כעל הכללה של הפונקציות הטריגונומטריות הרגילות), גילה והוכיח את זהות המכפלה המשולשת של יעקובי - שממנה נובעות תוצאות רבות על פונקציות תטא, הגדיר את המקדמים הבינומים הגאוסיים, ועוד.

כמה קטעים מתמטיים בכתבים אלה מעידים שגאוס הכיר היטב את היסודות של התאוריה שתושלם בסופו של דבר בעבודתם של פליקס קליין ו-Fricke על תבניות מודולריות. אין זה מקרי, שכן קליין ו-Fricke היו מעורבים מאוד בפרסום הכתבים של גאוס וחקרו את התוצאות של גאוס מקרוב. למשל, קליין מציין בספרו על התפתחות המתמטיקה במאה ה-19 כי האינווריאנט j של עקומים אליפטיים (הקבוע האבסולוטי של קליין; זוהי תבנית מודולרית ממשקל אפס), מן המושגים המרכזיים בתאוריה של תבניות אלו, הוצג לראשונה על ידי גאוס, אשר כינה אותו "Summatorische Function". גאוס הציגו בהקשר של מחקרו על הממוצע האריתמטי-גאומטרי של זוג מספרים מרוכבים – נושא שגאוס החשיבו כדרך הטבעית ביותר להתוודע ל"תמונה המודולרית" – ושבמסגרתו ביסס תוצאה עמוקה ביותר על היצירה של אינסוף הערכים השונים של הממוצע משני ערכים "פשוטים ביותר" שלו. בהקשר זה, הוא רשם גם את הדוגמאות הראשונות לטורי אייזנשטיין, וגילה את ההצגה המפורסמת של ויירשטראס של משתנה האינטגרציה x שבאינטגרלים אליפטיים מגנוס 1 כמנה של שתי הפונקציות השלמות שכונו על ידי ויירשטראס $Al_{1}(u),Al_{0}(u)$ (כאשר u הוא ערך האינטגרל האליפטי). כתביו מכילים אף מספר איורים שמראים כי הוא היה מודע לצד הגאומטרי של התאוריה; אחת התוצאות המשמעותיות שלו, שמתקשרת גם לעבודתם של מתמטיקאים מאוחרים יותר על מודלים של גאומטריה לא אוקלידית, היא הגילוי של ריצוף של מודל הדיסק של פואנקרה על ידי משולשים "שווי צלעות" עם זוויות שכולן שוות $\pi /4$.

גאוס בחייו פרסם כמעט מאום ממה שהשיג על תורת הפונקציות האליפטיות, אולם הוא כן פרסם מאמר שחשף מעט מהרעיונות שלו בנוגע לעצם מתמטי קשור – הפונקציה ההיפרגאומטרית. במאמר "חקירות כלליות חדשות על הטור האינסופי" מ-1813, הוא סיפק את הטיפול השיטתי הראשון בפונקציה ההיפרגאומטרית $F(\alpha ,\beta ,\gamma ,x)$ הכללית, והראה שרבות מהפונקציות המוכרות באותה עת, כדוגמת הפונקציות האלמנטריות ופונקציות מיוחדות מסוימות, הן מקרה פרטי של הפונקציה ההיפרגאומטרית. בכך הוא המשיך את התוכנית האנליטית השיטתית של אוילר ויוהאן פרידריך פף, שפרסמו לפניו מחקרים (מצומצמים למדי) שעסקו בטור ההיפרגאומטרי. המאמר קושר גם בין שברים משולבים עם ערכים מרוכבים למנות של פונקציות היפרגאומטריות, ומכיל תוצאות רבות על פונקציות טרנסצנדנטיות כמו פונקציית גמא ופונקציית הדיגמא; אחת התוצאות העמוקות ביותר בו, שלה גם הקשרים אריתמטיים מעניינים, היא "משפט הדיגמא של גאוס", המאפשר לבטא את פונקציית הדיגמא עבור כל הארגומנטים הרציונליים $\psi (p/q)$ באמצעות קבוע אוילר-מסקרוני ופונקציות אלמנטריות בלבד. מלבד התגליות שבחיבור, הייתה לו חשיבות רבה גם להתפתחות המתמטיקה הריגורוזית, שכן תואר בו מעיין מודל לחקר התכנסות של טורים. בחלקו השני הלא מפורסם של המאמר - "קביעה של הטור המייצג משוואה דיפרנציאלית מסוימת מסדר שני", גאוס הרחיב את תחום ההגדרה של הפונקציה ההיפרגאומטרית, ודן בהתנהגות שלה בכל המישור המרוכב. כדי לעשות זאת הוא נקט בגישה שונה, וחקר פונקציות היפרגאומטריות לא באמצעות הצבת ערכי פרמטרים שונים בטור ההיפרגאומטרי שמייצג אותן, אלא דרך אפיונן כפתרונות של המשוואה הדיפרנציאלית היסודית שהן מקיימות:

$z(1-z){\frac {d^{2}w}{dz^{2}}}+\left[c-(a+b+1)z\right]{\frac {dw}{dz}}-ab\,w=0$.

מיד לאחר ההצגה של המשוואה הדיפרנציאלית, גאוס בוחן את המבנה האנליטי המורכב של הפונקציה ומפתח ישירות מהמשוואה תכונות של הפונקציה כגון ערכיה בנקודות מיוחדות מסוימות וטרנספורמציות שונות שלה; אף על פי שלא זיהה במפורש את המושג של נקודת סינגולריות רגולרית של משוואה דיפרנציאלית, הוא מצא פיתוחים לטורים של שני הפתרונות הבלתי תלויים של המשוואה ההיפרגאומטרית בסביבת כל אחת משלוש נקודות הסינגולריות שלה (הממוקמות ב-$z=0,1,\infty$). בעקבות ניתוח של תכונה פרדוקסלית של טרנספורמציה ממעלה שנייה של הפונקציה ההיפרגאומטרית אותה גילה, גאוס מעלה לראשונה את בעיית המונודרומיה (monodromy) - הנוגעת להתנהגות הרב-ערכית של הפונקציה ההיפרגאומטרית כאשר ממשיכים אותה אנליטית. ארנסט קומר גילה ב-1836 את מרבית התוצאות שבחלק זה, מה שבמובנים רבים ייתר אותו.

החקירות האנליטיות של גאוס על הפונקציה ההיפרגאומטרית החלו במובנים רבים את פריחת תת-ענף הספרות המתמטית ששמות בולטים מהעשורים הבאים כמו ארנסט קומר, ברנהרד רימן, הרמן שוורץ ולזרוס פוקס היו כה מעורבים בפיתוחו. סוד ההשפעה שלהן טמון בכך שהן רמזו על קשר אינטימי בין תורת החבורות לתאוריה האיכותית של משוואות דיפרנציאליות במישור המרוכב; כיוון שגאוס הראה שניתן לקבל פתרון אחד של המשוואה ההיפרגאומטרית מפתרון אחר באמצעות הפעלת טרנספורמציה מתאימה על $F(\alpha ,\beta ,\gamma ,x)$, הדבר רמז על כך שהיחסים הפנימיים בין כל הפתרונות של משוואה דיפרנציאלית ניתנים לקידוד בעזרת פעולת חבורה של טרנספורמציות. במאמרו המפורסם מ-1857, רימן תיאר את ההתנהגות ה"גלובלית" של הפונקציה דרך הבנייה של מטריצת המונודרומיה שלה והצגת הטרנספורמציות הליניאריות הקשורות בה; הגישה הקונספטואלית של רימן הביאה לבשלות את הנושא, ואפשרה לגזור את כל התכונות הידועות של הפונקציה ההיפרגאומטרית בעזרת כמות מועטה בהרבה של חישובים אלגבריים, תוך התייחסות גם למקרה הכללי יותר של מיקום שרירותי של נקודות הסינגולריות. מושא החקירות הללו הוכנס בסופו של דבר למסגרת עם ניסוח הבעיה ה-21 של הילברט (בעיית רימן-הילברט), שדורשת להוכיח קיום של משוואות דיפרנציאליות ליניאריות עם חבורת מונודרומיה נתונה.

יסודות האנליזה המרוכבת

עדות נוספת להבנתו של גאוס את הנושא של היסודות הרעיוניים של האנליזה המרוכבת היא מכתבו לפרידריך בסל מ-1811, שזכור כמסמך הראשון שבו מופיעה הקביעה של "המשפט היסודי של פונקציות של משתנה מרוכב" - משפט האינטגרל של קושי (כ-15 שנה לפני עבודתו היסודית של אוגוסטן לואי קושי בתחום), שקובע שהאינטגרל הקווי של פונקציה מרוכבת הולומורפית לאורך מסלול סגור שווה לאפס (כל עוד התחום אינו מכיל נקודות סינגולריות) - ובשל ההבנה שהוא הציג על הרב-ערכיות של פונקציות מרוכבות מסביב לנקודות סינגולריות. במכתבו מסביר גאוס את הרב-ערכיות של פונקציית הלוגריתם $log(z)$ כתוצאה של אינטגרציה קווית במישור המרוכב של הפונקציה ${\frac {1}{z}}$ לאורך קונטור מעגלי מסביב לנקודת הסינגולריות שלה ב-z = 0, תוך זיהוי נכון של ערך השארית $2\pi i$ שמתווספת בכל מחזור אינטגרציה (דוגמה זאת למעשה שופכת אור על נוסחת אוילר באנליזה מרוכבת). במקום אחר בכתביו הוא כתב כי: "ידיעה מלאה של טבעה של פונקציה אנליטית חייבת לכלול גם הבנה של התנהגותה בעבור ערכים מדומים של הארגומנט שלה. לעיתים קרובות האחרונה היא חיונית אפילו בעבור הערכה נאותה של התנהגות הפונקציה בעבור ארגומנט ממשי.". מילים אלו מתכתבות במידת מה עם אחד ההישגים המרכזיים של תורת הפונקציות המרוכבות במאה ה-19 - התרתם של אינטגרלים ממשיים סבוכים באמצעות כלים מאנליזה מרוכבת.

ב-1805, במסגרת מחקריו האסטרונומיים הלא מפורסמים על פתרון משוואת קפלר, גאוס נתן ביטוי מפורש למקדמי הטור הטריגונומטרי המייצג את ההפרש בין האנומליה האמיתית והממוצעת. ממצאיו תאמו את הנוסחה שנמצאה על ידי יעקובי ב-1849, אולם הדרך בה הגיע לנוסחה המפורשת הייתה לאין ערוך קצרה יותר. כדי "לפצח" את התנהגות המקדמים, גאוס הפעיל טרנספורמציה מדומה מסוימת. אף שלא הסביר את הרעיון מאחורי ההצבה, מתמטיקאים מאוחרים יותר הראו כי בחירת הצורה המדויקת של הטרנספורמציה מרמזת על שימוש סמוי בנוסחת השאריות על אינטגרציה במישור המרוכב, כך שניתן לראות בפתרונו לבעיה אסטרונומית זו את אחד היישומים של רעיונותיו על יסודות האנליזה המרוכבת. בערוב ימיו הביע גאוס בפני שומאכר (במספר מכתבים מ-1850) את רצונו לכתוב חיבור על ההתכנסות של טורים טריגונומטריים, אשר יכלול גם את ההקשרים ל"דוקטרינה של גדלים מרוכבים".

עם כל זאת, כל מה שהשיג בנושא נתגלה רק לאחר מותו, וגאוס לא לקח בחלק בבנייה בפועל של תורת הפונקציות המרוכבות; זו נעשתה באופן שיטתי וישיר על ידי קושי, אבל, יעקובי, ליוביל, רימן ואחרים.

העתקות קונפורמיות

העתקה קונפורמית. במאמרו מ-1823 גאוס גילה את השקילות בין קונפורמיות להולומורפיות.

מנקודת מבט מתמטית מודרנית, עבודתו של גאוס על העתקות קונפורמיות קשורה בקשר הדוק לרעיונותיו על יסודות האנליזה המרוכבת, אם כי לא ברור אם היה מודע למלוא ההיקף של ההקשרים האנליטיים והגאומטריים של התורה של העתקות אלו. הפרסום המרכזי שלו בהקשר זה הוא מאמרו זוכה הפרס של האקדמיה הדנית למדעים משנת 1823, "פתרון כללי לבעיה של מיפוי משטח אחד על משטח אחר כך שהשניים יהיו דומים זה לזה בחלקיהם הקטנים ביותר", שבו עסק בפן המתמטי הטהור של התורה של מיפויים קונפורמיים. מטרתו המוצהרת של המאמר הייתה קביעת הפונקציות שמעתיקות את פני השטח של משטח כללי כלשהו אל פני השטח של משטח אחר באופן משמר-זוויות, וגאוס במכוון התייחס להעתקות אלו בתור פונקציות מרוכבות. תחילה הוא חוקר את המקרה של העתקה ממישור למישור, ובהתייחס אליו מציג את הטענה החשובה שהעתקה היא קונפורמית אם ורק אם היא הולומורפית או אנטי-הולומורפית; כלומר אנליטית במובן המרוכב. מיד לאחר מכן הוא חוקר את המבנה המרוכב שמשרה המטריקה של משטחים עקומים, ונעזר בבנייה זו כדי לגזור קריטריון קונפורמיות כללי בין שני משטחים. תוך כדי כך הוא נעזר באופן לא מפורש בכלי אנליטי חזק שרלוונטי לבעיה של מיפוי משטחים עקומים - משוואת בלטרמי, שהיא משוואה דיפרנציאלית חלקית שמקיימות העתקות מרוכבות בין משטחים, אשר ניתן לחשוב עליה כעל הכללה של משוואות קושי-רימן למשטחים בעלי עקמומיות שונה מאפס. הוא עשה בה שימוש כדי להוכיח קיום מקומי של קואורדינטות איזותרמיות על משטח עם מטריקה אנליטית רימנית. בהמשך מאמרו הדגים את המשפט שלו למקרים של מיפוי קונפורמי של משטח שרירותי על גבי מישור, חרוט וכדור, וסיים בדיון במיפוי קונפורמי של משטח על גבי האליפסואיד הכללי.

במאמר זה מופיעה בפעם הראשונה הפרמטריזציה של משטח עקום באמצעות מספרים מרוכבים, באופן שמזכיר את הרעיון המודרני של יריעה מרוכבת. ראויה לציון העובדה שרימן העריך במיוחד את מאמרו של גאוס על העתקות קונפורמיות, שכן הוא קרא אותו ביסודיות רבה והתייחס אליו במפורש בעבודת הדוקטורט הזכורה שלו מ-1851, אשר יצרה בסיס גאומטרי אוניברסלי לתורה של פונקציות מרוכבות בדמותם של משטחי רימן.

כמו במרבית תחומי עיסוקו של גאוס, חלקה הלא מפורסם של עבודתו על מיפויים קונפורמיים מרשים אף יותר ממה שפרסם בחייו. השיא של עבודתו בנושא עסק בבעיה של בניית העתקה קונפורמית במישור המרוכב מפנים האליפסה לעיגול היחידה הפתוח – בשונה מהבעיה של מיפוי חלקה החיצוני של האליפסה (תחום המישור שאינו נמצא בתוכה) לעיגול היחידה, בה ניתן לבנות את ההעתקה בקלות יחסית בעזרת התמרת ז'וקובסקי, במקרה זה הפתרון קשה בהרבה ומערב פונקציות אליפטיות. במספר קטעים מתמטיים המתוארכים ל-1839 הוא חקר את הבעיה ותיעד את פתרונו; ממצאיו תאמו את הנוסחה שנמצאה הרבה מאוחר יותר על ידי הרמן אמדאוס שוורץ (אשר מצאה בעזרת טכניקות ששולבו מאוחר יותר בהוכחות קונסטרוקטיביות של משפט ההעתקה של רימן). הפתרון שמצא מעיד גם שהיה מודע לזיקה בין תורת המיפויים הקונפורמיים לתורת הפוטנציאל, שכן כדי למצאו הוא התבסס הן על עבודתו המוקדמת על אינטגרלים אליפטיים ופונקציות תטא והן על רעיונותיו מתורת הפוטנציאל – רעיונות אשר גיבש בתקופה שקדמה לפתרונו זה – תקופה בה חקירות פיזיקליות על פוטנציאלים היו במוקד עיסוקיו.

אנליזה ממשית

תגלית נוספת שלו מנושא אחר לגמרי היא התפלגות Gauss-Kuzmin, שמופיעה בהערה 113 ביומנו. התגלית העמוקה הזאת מתארת את השכיחות האסימפטוטית של מספרים טבעיים בפיתוח לשבר משולב של משתנה מקרי המתפלג באופן אחיד בקטע (0,1). גאוס כתב כי:

$\lim _{n\to \infty }P(\lambda ^{n}\leq x)={\frac {\log(1+x)}{\log 2}},0\leq x<1$

כאשר $\lambda (x)={\frac {1}{x}}-[{\frac {1}{x}}]$ ו-$[x]$ מסמלת את פונקציית הרצפה. במכתב ללפלס מ-1812 גאוס דיווח לו על ממצא זה, ואף הציע לו לעסוק בבעיה ההסתברותית של הערכת גורם השגיאה בחוק האסימפטוטי שלו. גאוס כתב כי יש לו הוכחה בהירה לעובדה הזאת, אולם רק בשנת 1928 הצליח Kuzmin לבנות אותה מחדש, שאף נתן חסם על קצב ההתכנסות – ובכך ענה על השאלה שהעלה גאוס. ההערה הזו מרשימה במיוחד לאור העובדה שהיא נכתבה יותר ממאה שנים לפני שכלים מודרניים "חזקים" כמו תורת המידה והתורה הארגודית נוצרו, וכיוון שגאוס לא הותיר הרבה מסמכים הנוגעים לחוק הזה, לא ברור כיצד הוא הגיע לתוצאה זו.

גאודזיה

בעבודתו הגאודטית עסק גאוס בפיתוח טכניקות קרטוגרפיות שונות; באיור מוצגת מפה מישורית של הארץ האליפסואידית.

מתוך עבודתו על הסקר הגאודזי של הנובר צמחו מספר עבודות תאורטיות, שהבולטות שבהן כללו מאמר אחד מ-1828 בו סיכם את רעיונותיו על צורת כדור הארץ, המאמר "מדידת הפרש קווי הרוחב בין אלטונה וגטינגן" (1828) שנעשה בו שימוש מיומן ברגרסיה ליניארית, והחשוב מכל הוא ספרו "מחקרים על היסודות של גאודזיה גבוהה" (1843 ו-1846) שפורסם בשני חלקים והתבסס על המיפוי הקונפורמי של האליפסואיד לספירה. שתי העבודות היו בעלות השפעה אדירה על התפתחות הגיאודזיה, הן מהצד התאורטי והן מהצד המעשי.

הכרך הראשון של ספרו על גאודזיה עוסק בבעיה הקרטוגרפית של בניית העתקות קונפורמיות של אליפסואיד לכדור, לנוחיות שימושם של גאודזיסטים. כיוון שגאוס כבר הראה שלא ניתן למפות אליפסואיד לכדור בלי עיוותים, השיטה שלו התבססה על מיפוי אזורים קטנים של האליפסואיד לאזורים כדוריים באופן כזה שהעיוות יהיה מינימלי, תוך התאמת הפרמטרים של ההעתקה מחדש בכל קו רוחב של האליפסואיד. הטכניקות בהן גאוס השתמש היו מאנליזה מרוכבת וטריגונומטריה ספירית. הכרך הראשון מסתיים במספר בעיות הקשורות במשולשים כדוריים. הכרך השני של ספרו מוקדש לפתרון של בעיות דומות אלא שהפעם הן מתייחסות למשולשים על אליפסואיד. בעזרת ערכים ממוצעים של קווי רוחב ואזימוט גאוס גזר שש נוסחאות אשר פותרות את הבעיה באופן מכני באמצעות שימוש בטבלאות נומריות שחישב בעצמו. הטכניקות שתיאר היו בשימוש נרחב על ידי גאודזיסטים עד סוף המאה ה-19. ספר זה ביחד עם כתבים אחרים שנמצאו בעזבונו, היווה את הבסיס להעתקת Gauss-Kruger שהתפתחה בשנת 1912, וזכתה למעמד איתן כבסיס לפיתוח כל הרשתות הטופוגרפיות המתחשבות בצורה האליפסואידית של כדור הארץ, ומשום כך אומצה במהלך המאה ה-20 ככלי מיפוי בסקלה גלובלית על ידי מדינות רבות.

סטטיסטיקה

הטיפול בתצפיות עם שגיאות העסיק את גאוס לראשונה בשנים 1794–1795. מאוחר יותר, עבודתו על בעיות אסטרונומיות אילצה את גאוס בעל כורחו להתעסק עם בעיות סטטיסטיות הקשורות במזעור השפעת שגיאות המדידה על תוצאות החיזוי של תהליכי חישוב אסטרונומיים. בספרו על אסטרונומיה מ-1809, גאוס תיאר לראשונה באופן מלא את ההתפלגות הנורמלית. גאוס בספרו תיאר את שיטת הריבועים הפחותים ושיטת אמידת נראות מרבית, שתיהן שיטות יסודיות ביותר המשמשות רבות בסטטיסטיקה, ועשה בהן שימוש על מנת לנתח נתוני מדידות אסטרונומיות שלעיתים סתרו זו את זו. כדי לאמוד את השגיאה של המדידות, גאוס בחר להניח כי הממוצע האריתמטי הוא הערך שממזער את שגיאת המדידה. כלומר, המדידה שמרחקה מן הממוצע האריתמטי הוא המזערי, היא בהסתברות גבוהה הקרובה ביותר לערכים האמתיים. תחת הנחה זו הוא חישב ומצא כי ההתפלגות הנורמלית מתארת את שגיאת המדידה, וסיפק נוסחה של ההתפלגות הנורמלית הסטנדרטית.

"שיטת הריבועים הפחותים" של גאוס מאפשרת לאמוד את הקשר המתמטי של משתנה תלוי במשתנה בלתי תלוי.

מאוחר יותר, גאוס עשה שימוש בכלים הסטטיסטיים שפיתח במסגרת המדידות הגאודטיות שביצע, ואחת מתרומותיו לגאודזיה הניסויית היא זיהוי השגיאות השיטתיות העיקריות במדידת זוויות, כשלאחר מכן הוא הציע אמצעים להעלים את השפעתן. ענף הגאודזיה והמדידה של צורת כדור הארץ היה אזור נוח במיוחד ליישום הכלים החדשים של הסטטיסטיקה אותם פיתח, וזהו היה התחום אשר בו מצא גאוס את אחד היישומים הפוריים והעשירים ביותר של שיטת הריבועים הפחותים שלו, וכתוצאה הוא פרסם את חיבורו משנת 1823 "תאוריה של תחשיב התצפיות המושפע באופן מינימלי משגיאות" בו דן בקלקולוס התצפיות באופן מעמיק. בחיבור זה גאוס פרסם הצדקה חדשה ואיתנה יותר לשיטת הריבועים הפחותים; הוא הוכיח ששיטת הריבועים הפחותים מניבה את האומד חסר ההטיה הליניארי הטוב ביותר, במובן שהשונות שלו היא הנמוכה ביותר מבין כל האומדים הליניאריים חסרי ההטיה. תוצאה יסודית זאת, שנחשבת לאבן הפינה באנליזה המודרנית של רגרסיה, נודעה כמשפט גאוס-מרקוב.

בחיבור זה, שהיה לא מוכר יחסית בעולם דובר האנגלית במהלך המאה שלאחר פרסומו, ישנם פיתוחים רבים מעניינים מאוד: גאוס הציג והוכיח את אי-שוויון גאוס (שהוא אי-שוויון מטיפוס צ'בישב), כמו גם אי שוויון על מומנטים מסדר רביעי של שגיאות (Gauss-Winkler inequallity). במאמרים 38–40 של החיבור, גאוס גזר חסם עליון ותחתון לתחום הערכים בו עשויה להימצא השונות של אומדן השונות המדגמית. מאוחר יותר, המתמטיקאי הרוסי אנדריי קולמוגורוב גילה שהחסם התחתון של גאוס שגוי, וב-1947 פרסם נוסחה מתוקנת. באותו חיבור גאוס גם הציג תהליכים איטרטיביים (שתוארו על ידי דדקינד), ופיתח שיטות ריבועים פחותים רקורסיביות אשר נתגלו מחדש רק ב-1950 על ידי Plackett, כך שהם נחקרו לראשונה לעומק רק לאחרונה.

במאמרו מ-1816 על הדיוק של אומדים סטטיסטיים, גאוס העריך את הדיוק של אומדים של הנעלמים של מערכת משוואות ליניאריות, ושל פונקציות ליניאריות של אלו. הוא הוכיח בו שבעבור סדרת שגיאות מפולגת נורמלית $e_{i}$, המדד לדיוק $h={\frac {1}{\sqrt {2\sigma }}}$ נאמד בצורה הטובה ביותר על ידי $(e_{1}^{2}+e_{2}^{2}+\cdots +e_{n}^{2})$ מאשר על ידי $(\left\vert e_{1}\right\vert ^{k}+\left\vert e_{2}\right\vert ^{k}+\cdots +\left\vert e_{n}\right\vert ^{k})$ בעבור k שונה מ-2.

זה היה בקונטקסט של עבודתו הנרחבת בעיבוד סטטיסטי של תוצאות מדידות וחישובים אסטרונומיים וגאודטיים שהוא פיתח את הטכניקות הרבות באלגברה ליניארית הנושאות את שמו; הכמויות העצומות של נתונים איתן נאלץ לעבוד כדרך קבע הובילו באופן טבעי למשוואות ליניאריות בנעלמים רבים. בין היתר הציג במאמר 182 של ספרו על אסטרונומיה מ-1809 את תהליך גרם-שמידט, ופירק באמצעותו מטריצה A למכפלת מטריצה אורתוגונלית Q ומטריצה משולשית עליונה R – שיטה שנקראת כיום פירוק QR. כמו כן, במכתב פרטי מ-1823 לעמיתו גרלינג הוא תיאר את שיטת גאוס-זיידל – שיטה איטרטיבית לפתרון סוג מסוים של מערכות משוואות ליניארית, שבמקרים מסוימים מתכנסת מהר יותר לפתרון מאשר שיטות אחרות. בנספח לחיבורו מ-1823 על סטטיסטיקה, הוא תיאר את פירוק שולסקי.

את העיסוק של גאוס במתמטיקה אקטוארית ניתן לפרש כאחד היישומים של עבודתו בסטטיסטיקה. במשך מספר שנים הוא ניהל את קרנות הפנסיה של אלמנות הפרופסורים באוניברסיטת גטינגן, והתוצרים של פרויקט זה - מספר מאמרים שעוסקים בהיבטים שונים של מתמטיקה פיננסית, היוו הדגמה מופתית ליישום של תורת ההסתברות לאנליזה של בעיות כלכליות. גאוס נעזר בנתוני תמותה מפורטים כדי לבצע את החישובים שלו. אחת התוצאות שלו היא נוסחת התמותה של גאוס (Gauss´s Mortality Formula), מקרה פרטי של התפלגות Gompertz, המתארת את התפלגות תוחלת החיים של אוכלוסיות שונות.

יסודות הגאומטריה; גאומטריות לא אוקלידיות

על אף טענותיו של גאוס, שאלת היקף הקרדיט הניתן לו על גילוי הגאומטריות הלא אוקלידיות נתונה למחלוקת בקרב היסטוריוני המתמטיקה, מחלוקת שחריפה יותר מבכל תחום אחר בו הוא עסק. קשה מאוד להכריע בשאלה עד כמה חזה גאוס את תגליותיהם המאוחרות יותר של בולאי ולובצ'בסקי כי הוא לא כתב שום תיעוד שיטתי של רעיונותיו לפני 1831, ונחוצה בנייה מחדש של תהליך החשיבה שלו על פי נקודת המבט המתמטית המודרנית והמסמכים המעטים שיש בשנים שקדמו ל-1831. היסטוריונים נטו לשייך את "ההרהורים המתמטיים" שלו לשלוש תקופות שונות: תקופת "הגישושים" הראשונית בשנים 1792–1813, התקופה הבשלה יותר רעיונית שבשנים 1813–1831, וזו שמ-1832 (כשנתוודע לראשונה להישגיו של בולאי) ואילך עד מותו.

השנים 1792–1813

גאוס היה הראשון להגיע לרעיון שניתן לוותר על אקסיומת המקבילים ולקבל בכך גאומטריות שונות בתכלית מהגאומטריה האוקלידית. לפי זיכרונותיו, הוא החל להרהר לראשונה על תקפות אקסיומת המקבילים ב-1792, והגיע למסקנה שדרוש כיוון שונה מזה שנקטו הגאומטרנים במאות השנים האחרונות. בעקבות מסקנה זו הוא החל לתהות מה קורה כאשר האקסיומה החמישית מוחלפת באקסיומה אחרת: "דרך כל נקודה מחוץ לישר נתון עוברים לפחות שני ישרים מקבילים לישר זה". את תקופת הגישושים הראשונית אפיינה חקירה סינתטית של תכונות הגאומטריה ההיפותטית בה האקסיומה החמישית אינה מתקיימת; הכלים בהם נעזר היו בעיקר בניות גאומטריות האנלוגיות לאלו של הגאומטריה האוקלידית, שאפשרו לו להגיע למסקנות יסודיות על תכונות הגאומטריה החלופית. את תקופה זאת אפיין אי ביטחון בתקפות הגאומטריה החדשה, עקב ההשלכות הפילוסופיות של הוויתור על האקסיומה החמישית, שעמדו בניגוד גמור לעמדה הרווחת בחוגים המתמטיים והפילוסופיים באותה עת.

מתוארכים לתקופה זאת מספר כתבים קצרים בעלי אופי מעט היסטורי, המהווים סקירה של הכשלים הלוגיים בניסיונותיהם הקודמים של גאומטרנים לגזור את אקסיומת המקבילים מהאקסיומות האחרות.

תקופת הביניים (1813–1831)

ה"פסאודוספירה" היא הדוגמה הראשונה למשטח עם עקמומיות שלילית קבועה.

ניתן לתארך את תחילת התקופה השנייה בערך לשנה 1813, שכן במספר מכתבים בשנים 1813–1819 הוא טען שבנה את הגאומטריה החדשה ושהוא "יכול לפתור כל בעיה בגאומטריה החלופית כאשר הקבוע המאפיין אותה נתון". בתקופה זאת הוא החל לפתח את הטריגונומטריה ההיפרבולית והשתכנע שמתקיימים בגאומטריה החלופית כללים טריגונומטריים האנלוגיים לאלו של הגאומטריה הכדורית. הוא חשף מספר תוצאות משמעותיות על הגאומטריה החדשה במכתביו; הבולטות ביותר שבהן הן במכתבו לגרלינג משנת 1819, בו נתן נוסחה לחישוב החסם על השטח המרבי של משולש בגאומטריה היפרבולית בעלת עקמומיות שלילית קבועה לפי גובהו של המשולש האידיאלי המתאים $\pi C^{2}/(\log(1+{\sqrt {2}}))^{2}$ (כש-C הוא הגובה של המשולש, שנקרא גם הקבוע של Schweikart), ומכתבו לשומאכר משנת 1831, שהתוצאה הבולטת שלו היא מתן נוסחה להיקף מעגל בגאומטריה היפרבולית לפי הקבוע k שמאפיין אותה $\pi k(e^{\frac {r}{k}}-e^{-{\frac {r}{k}}})$ (שניתן לרשמה גם בעזרת סינוס היפרבולי כך: $2\pi k\sinh {\frac {r}{k}}$). לממצא האחרון היו השלכות מעניינות ביותר, שכן לפי הנוסחה שבו עולה שבגאומטריה החדשה מתקיים שבעבור רדיוסים גדולים בהשוואה לקבוע האופייני k ההיקף גדל מעריכית עם הרדיוס.

כתבים אחרים שלו מהתקופה מכילים אזכור של משוואות הפסאודוספירה (משטח אותו מכנה גאוס "הנגדי של הספירה") – הדוגמה הראשונה למשטח עם עקמומיות שלילית קבועה. במכתב אחר הוא אף הביע דעתו על ההשלכות של הנושא וטען שייתכן שהטבע הגאומטרי של המרחב הפיזי הוא לא-אוקלידי, ושניתן להכריע בשאלה זאת באמצעם אמפיריים (הוא הצהיר שהגאומטריה הלא אוקלידית היא עקבית אולם הפרמטר היסודי שמאפיין אותה אינו ניתן לקביעה אפריורית).

בשלהי תקופה זאת, גאוס הביע באחד ממכתביו את רצונו להעלות על הכתב כמה מרעיונותיו בדבר הגאומטריה החלופית, משום "שלא רצה שרעיונותיו אלו ייעלמו עמו". בכתב לא מפורסם קצר משנת 1831 שכותרתו "התאוריה של קווים מקבילים", המהווה את ניסיונו הראשון לתעד שיטתית את עבודתו, הוא כמעט הגיע להגדרה מוצקה של מושג ההורוצייקל("מעגל גבולי"), אחד ממושגי המפתח בבניית הגאומטריה ההיפרבולית; ככל הנראה האבחנה המוקדמת ביותר של גאוס אשר מתקרבת להמשגה של המעגל הגבולי מופיעה במכתבו משנת 1804 לוולפגנג בולאי (אביו של יאנוש בולאי), שם גאוס מתייחס להיתכנות של מצולע שווה צלעות ושווה זוויות אשר מתבדר בכיוון מסוים - במילים אחרות, גאוס מציין שבגאומטריה החלופית ייתכן מצולע "משוכלל" שלעולם לא נסגר על עצמו (מצולע כזה נקרא כיום מצולע הורוציקלי).

גם החיבור הקצרצר "התאוריה של הקו הישר והמישור" מתוארך לתקופה זאת, ובו תקף גאוס את מושג המישור כלא מבוסס מספיק, וטען כי הוא אינו מושג יסודי אלא מושג נגזר.

1832 ואילך

התקופה השלישית מתוארכת להתוודעות שלו למכתבו של יאנוש בולאי מ-1832; מכתבו של בולאי הפתיע אותו מאוד ועורר בו את הצורך לתבוע זכות ראשונים. בתגובה למכתב זה של בולאי, גאוס שלח בפעם הראשונה הוכחות ולא רק תוצאות, ובאופן ספציפי שלח הוכחה סינתטית מקורית לטענה שהגרעון הזוויתי של משולש בגאומטריה היפרבולית פרופורציונלי לשטח שלו, המתבססת על פירוק משולש אסימפטוטי (דהיינו משולש שסכום זוויותיו אפס מעלות) למשולשים קטנים יותר. במכתב שלו גאוס טבע גם את המונחים "הורוצייקל" (באנגלית horocycle), "הורוספירה" (באנגלית horosphere), ו"עקום שווה מרחק" (המהווה הכללה של ישר מקביל לישר נתון). לרעיונות אלו יהיה משקל חשוב בעתיד התחום – בפיתוח מודלים שונים של הגאומטריה ההיפרבולית.

אולם תוצאות אלו היו תוצאות מבודדות בלבד, ועבודתו של גאוס בשנים 1790–1832 חסרה את הנפח והשיטתיות שבעבודתם של לובצ'בסקי ובולאי. הפיתוח השיטתי הראשון של תוצאותיו מופיע בכמה כתבים לא מפורסמים שלו שרובם מתוארכים לאחרי 1840, זמן קצר לאחר הפרסום של לובצ'בסקי; באחד מהם מקיש גאוס את הקשרים המטריים בין צלעותיהם של משולשים סופיים (לא אינפיניטסימליים) בגאומטריה היפרבולית בצורה אקסיומטית. ייתכן שגאוס ידע על תוצאות אלו זמן רב קודם לכן, והחליט לרשמן באופן שיטתי רק לאחר הפרסומים של בולאי ולובצ'בסקי, אך נושא זה נתון לספקולציות בקרב היסטוריונים. אין ספק שהחל משנת 1840, הוא נמנה עם המתמטיקאים הספורים בעולם שהבינו לעומק ופיתחו את הגאומטריות החדשות, אולם המחלוקת כאן היא באשר לנושא זכות הקדימות על הגילוי.

במאמר העדכני (מ-2012) "?What did Gauss read in the Appendix", מציעים המחברים תזה היסטורית מסקרנת לפיה אחת הסיבות שגאוס התמהמה בפיתוח שיטתי של ממצאיו היא שהוא אימץ את התוכנית האנליטית של למברט לבניית הגאומטריה החלופית; הוא היה נחוש למצוא משטח רגולרי עם עקמומיות שלילית קבועה (הפסאודוספירה אינה משטח רגולרי), באנלוגיה מלאה לכך שהספירה הדו-ממדית $\mathbb {S} ^{2}$ היא המקום "הטבעי" לחקר הגאומטריה הכדורית. תוכנית זו הגיעה בסופו של דבר לסיום עקר, שכן הילברט הוכיח ב-1901 שלא קיים שיכון מלא של המישור ההיפרבולי במרחב תלת-ממדי.

השיא של עבודתו של גאוס בגאומטריה לא-אוקלידית עסק בחישוב התכולה (נפח) של הארבעון במרחב היפרבולי תלת-ממדי; עוד במכתבו מ-1832 ליאנוש בולאי גאוס המליץ לו לעסוק בבעיה של חישוב נפח הארבעון בגאומטריה החדשה שפיתח, וציין כי בשונה מהמקרה של שטח משולשים במישור, לא ניתן לקבל ביטוי מתמטי פשוט לנפח הארבעון. בכתביו של גאוס נמצאו מספר תוצאות בנוגע לבעיה הזאת; קטע קצר (באורך חצי עמוד) בכתביו תחת הכותרת "cubirung der tetraeder" ("נפח הארבעון") מראה כי עוד ב-1832 גאוס ידע את התשובה לשאלה זאת. בקטע זה גאוס העלה על הכתב מספר נוסחאות שקושרות בין השינויים בזוויות הדיהדרליות וזוויות הפאות של ארבעון אורתוסכמטי (שכל פאותיו הן משולשים ישרי זווית היפרבוליים) לדיפרנציאל הנפח שלו (ייתכן והכיר את נוסחת שלפלי על נפח פאונים). עבודה זאת, שדומה לה ביצע בולאי בשנות ה-1830 ולובצ'בסקי בשנות ה-1840, פתחה פתח לתחום מחקר פורה מאוד מאז ועד היום; נפח גופים במרחבים לא-אוקלידיים מממד גבוה מ-2. בפרט, הבעיה של נפח הארבעון הכללי מוליכה למתמטיקה סבוכה ביותר, ונפתרה לראשונה רק לאחרונה.

גאומטריה דיפרנציאלית

המשפט האלגנטי בגאומטריה היפרבולית; משולש על פני משטח בצורת אוכף. עקמומיות המשטח שלילית ולכן סכום הזוויות במשולש קטן מ-180 מעלות.

הסקר של הנובר עורר בגאוס עניין בגאומטריה דיפרנציאלית, תחום במתמטיקה הדן במשטחים ועקומות. בין השאר, גאוס יצר את המושג של עקמומיות גאוס של משטחים, שהיא המושג המרכזי שהכניס לתחום. ב-1827, גאוס ניסח משפט מתמטי חשוב בתחום זה – "המשפט הנהדר", אשר הראה שעקמומיות גאוס היא שמורה פנימית של משטחים, והמשפט ביסס את החשיבות היסודית שיש לעקמומיות גאוס בגאומטריה דיפרנציאלית. הוא פרסם משפט זה ואת מכלול התאוריה שלו על משטחים עקומים בחיבורו מאותה שנה "חקירות כלליות אודות משטחים עקומים", שהוא יצירתו המרכזית בתחום זה.

תרומתו של חיבור זה לגאומטריה דיפרנציאלית הייתה מהפכנית משום שאפשרה בראשונה לחקור משטחים עקומים מנקודות מבט פנימית, כלומר מנקודת המבט של ישות דו-ממדית המקובעת לפני המשטח. למעט אולי אוילר ומונז', גאוס היה הראשון לחקור משטחים מנקודת מבט פנימית ולא באמצעות הצגתם האנליטית בלבד. הוא מציג כמה רעיונות מהפכניים שיהפכו למרכזיים בתאוריה של הגאומטריה הפנימית של משטחים - הוא פותח ברעיון של קואורדינטות עקומות ובהצגת התבנית היסודית הראשונה והשנייה. רעיונות אלו אפשרו לו להביע את אלמנט המרחק "ds" במשטח מנקודת מבט פנימית, במה שלמעשה מהווה הכללה של משפט פיתגורס לגאומטריות לא-אוקלידיות. בהמשך החיבור גאוס פורס סדרה של הגדרות שקולות לעקמומיות משטח, תחילה בעזרת מיפוי גאוס, ולאחר מכן באמצעות הכפלת העקמומיות הראשיות של המשטח בנקודה, ומוכיח את שקילות ההגדרות בחיבור עצמו. המתודולוגיה של החיבור - תחילה הבעת המידע המטרי באופן ממצה ולאחר מכן היקשים מרחיקי לכת על עקמומיות וגאומטריית המשטח - הייתה כאבן יסוד בפיתוח הגאומטריה הרימנית שביסוד תורת היחסות הכללית בה המושגים של מרחק ועקמומיות מתגלמים במטריקה ובטנזור המטרי, בהתאמה.

אף על פי ש"המשפט הנהדר" הראה שניתן למדוד את העקמומיות ישירות מפנים המשטח, הוא לא הצביע על דרך קונקרטית לחשבה. למטרה זו בדיוק נועד משפט חשוב מאוד נוסף מהחיבור - אותו כינה גאוס "המשפט האלגנטי" - אשר קשר את עקמומיות המשטח לגאומטריה של הצורות המתקיימות עליו, כלומר לזוויות ולמרחקים הנמדדים על פני המשטח ולהבדל בין תוצאות המדידות על פני המשטח לבין אלו הנקבעות בגאומטריה אוקלידית. המשפט קובע בצורה ישירה למדי שהמגרעת הזוויתית של משולש שווה לאינטגרל על עקמומיות המשטח בתחום המשולש. החיבור מסיים בכמה ממצאים אחרים שגילה והוכיח, ביניהם משפטי השוואה בין תכונות מטריות וזוויתיות של משולשים במישור לאלו של משולשים על משטח עקום; באמצעות פיתוחים סבוכים לטורים של פונקציות המוגדרות בקואורדינטות גאודזיות פולריות על המשטח, מצא גאוס הכללה של משפט לז'נדר על משולשים כדוריים למשולשים גיאודזיים על משטח שרירותי. חישוביו אלו אפשרו לו להראות שזוויותיו של משולש גיאודזי "קטן מספיק" סוטות מאלו של משולש מישורי בעל אותן צלעות באופן שתלוי רק בערכי עקמומיות המשטח בפינות המשולש.

במהלך התקופה שקדמה לפרסום חיבורו על משטחים עקומים (בשנים 1825–1827), גאוס הכליל בכתבים לא מפורסמים חלק מהתוצאות שבחיבור כדי לכלול גם את המקרה של קווים שאינם ישר בגאומטריה הנתונה, וכך הגדיר את המושג הכללי של עקמומיות גיאודזית. הוא הראה שבדומה לעקמומיות גאוס, גם גודל זה הוא אינווריאנט של המשטח עליו הוא מוגדר; הווה אומר, אם מעוותים את המשטח על ידי טרנספורמציה איזומטרית, העקמומיות הגיאודזית בכל נקודה נשארת זהה - בפרט, עקומים גאודזיים נשארים כאלה לאחר העיוות. במסגרת זו הכליל גאוס את המשפט האלגנטי גם למקרה ששפת המשולש אינה מורכבת מצלעות גיאודזיות בלבד, וניסח והוכיח את המשפט המוכר בכינויו, משפט גאוס-בונה, העומד על הקשר בין הגאומטריה של משטח לבין טופולוגיה, משפט בעל חשיבות בהנחת יסודות הטופולוגיה.

התיאורמה אגרגיום

ה"משפט הנהדר" של גאוס הוא אולי גולת הכותרת של עבודתו בגאומטריה דיפרנציאלית. המשפט מראה שעל אף שההגדרה הראשונית של עקמומיות גאוס עושה שימוש ישיר באופן שבו המשטח נח במרחב, היא נשמרת גם כאשר מעקמים או מפתלים אותו. לכן המשפט מראה שעקמומיות גאוס, שהיא תכונה תלת ממדית מובהקת (לפחות לכאורה), אינה תלויה בשיכון של המשטח במרחב, אלא שהיא תכונה פנימית של המשטח, וניתנת לחישוב מנקודת מבט דו ממדית על ידי ביצוע מדידות על גבי המשטח עצמו; למשל מדידת סכום זוויות של משולשים על המשטח. בהדגמת התכונות ה"שמורות", כלומר בלתי תלויות, של שיכון המשטחים במרחב התלת ממדי, הוא סלל את הדרך למושג היריעה, היא מרחב מתמטי מופשט העומד בזכות עצמו, ללא קשר לשיכון שלו במרחב בממד גבוה יותר. מעבר לחשיבותו המתמטית המכוננת, למשפט היו גם השלכות פילוסופיות בדמות דחיית הטענה של עמנואל קאנט על הטבע האפריורי של הגאומטריה האוקלידית.

טופולוגיה

האינטגרל של גאוס הוא אמצעי אנליטי לחישוב אינדקס השזירה, שהוא אינווריאנט מספרי שמייצג את דרגת השזירה של שני עקומים סגורים במרחב תלת-ממדי.

אחד ההיבטים הידועים פחות של עבודתו של גאוס הוא שהוא היה גם חלוץ מוקדם של ענף הטופולוגיה, או כפי שנקראה בזמנו, analysis sytus. ההוכחה הראשונה שלו את המשפט היסודי של האלגברה כללה טיעון טופולוגי במהותו; הוא שב ופיתח את הטיעון הטופולוגי בהוכחה האחרונה שלו למשפט זה (מ-1849). אחד המסמכים משנותיו המוקדמות ביותר מתאר רשימה של קשרים אותה הכין ב-1794, כאשר באותה שנה הוא המציא גם שיטת סימון מיוחדת לקשרים המקודדת בתוכה את התכונות של קשר נתון (קוד גאוס). מאוחר יותר הוביל גאוס את ענף הטופולוגיה המוקדם בשלוש הזדמנויות שונות, כאשר בכל אחת הוא הגה רעיונות שהפכו למרכזיים בתחום.

ב-1804, בהקשר של חקירותיו באסטרונומיה, עסק גאוס לכאורה בשאלה פרקטית - קביעת התחום השמיימי שבו שביטים ואסטרואידים עשויים להופיע - אותו הוא מכנה zodiacus. בפתרון הבעיה גאוס הצביע על 3 מקרים אפשריים: כאשר המרחק המינימלי של השביט גדול מהמרחק המקסימלי של כדור הארץ מהשמש, ההפך, והמקרה השלישי הוא כאשר מסלול כדור הארץ ומסלול השביט שזורים (linked) זה בזה. במקרים הראשון והשני גאוס מצא את ה-zodiacus, ואילו במקרה השלישי הוא כותב כי מסיבות טופולוגיות התחום השמיימי הוא הספירה כולה. בכך נתעוררה בפעם הראשונה בעיה טופולוגית במחקר אסטרונומי. ב-1848 גאוס שב לבעיית ה-zodiacus ופרסם מאמר קצרצר על התחום השמיימי שבו עשוי להופיע האסטרואיד החדש שנתגלה, אייריס; במאמר הוא מרחיב את הדיון האיכותי בחישוב ה-zodiacus.

מאוחר יותר, בהקשר של חקירותיו על גאומטריה דיפרנציאלית ויסודות הגאומטריה, גאוס גילה את משפט גאוס-בונה. כן חקר את התמונה של משטחים שונים על ספירת היחידה תחת פעולת מיפוי גאוס; חקירה זו הובילה אותו לגרסה ראשונית של מושג האוריינטציה של משטחים, ונושא האוריינטציה מופיע בהקשר אחר בהתכתבויותיו מ-1846, שם עולה הנושא של הבחנה בין מערכות צירים ימניות לשמאליות. בפסקה מחיבורו על גאומטריה דיפרנציאלית, גאוס אף הביע את רצונו לחקור באופן מעמיק יותר תצורות של משטחים הממופים על ספירת היחידה (בעזרת מיפוי גאוס). במכתב לשומאכר מ-1825 שבו דיווח על ניסיונותיו להכליל את חקירותיו על משטחים עקומים לכיוונים חדשים, הוא כתב: "...(בחקירות הללו) יש להתחקות אחר כל השורשים של העץ עד קצותיהם, וכמה מהניסיונות הללו לקחו לי שבועות של חשיבה מאומצת. חלק ניכר מהחקירות הללו הוא בעל זיקה ל-Geometria situs, תחום כמעט לא מעובד עד עכשיו".

לבסוף, גאוס הרים תרומה יוצאת מן הכלל לתורת הקשרים, כאשר ב-1833, בהקשר של חקירותיו באלקטרומגנטיות, הגדיר את אינדקס השזירה (linking number) של שני עקומים סגורים במרחב ופיתח נוסחה לחשבו בעזרת אינטגרל כפול מתאים (Gauss's linking integral):

$link(\gamma _{1},\gamma _{2})={\frac {1}{4\pi }}\oint _{\gamma _{1}}\oint _{\gamma _{2}}{\frac {\mathbf {r} _{1}-\mathbf {r} _{2}}{|\mathbf {r} _{1}-\mathbf {r} _{2}|^{3}}}\cdot (d\mathbf {r} _{1}\times d\mathbf {r} _{2})$

לא ידוע מה הוביל אותו לכתוב את נוסחת האינטגרל שלו, ומשערים שהבעיה הספציפית אותה פתר עסקה בחישוב העבודה הדרושה כדי להזיז מונופול מגנטי בחוזק מסוים לאורך מסלול סגור בשדה המגנטי המופק על ידי לולאת זרם מסוימת. פתרונה הראה שערכה הוא למעשה אינווריאנט טופולוגי, מדד לדרגת השזירה של מסלול המונופול ולולאת הזרם. אינטגרל השזירה שב ונתגלה מחדש באופן בלתי תלוי ב-1867 בידי ג'יימס קלארק מקסוול, בהקשר של חקירות אלקטרומגנטיות. בפיזיקה עכשווית מתקיימת אינטראקציה פורה מאוד בין תחום הטופולוגיה לחישובים פיזיקליים מורכבים, ובמסגרתה הגישה של גאוס ומקסוול לחשב שמורות טופולוגיות באמצעים אנליטיים התגלתה כמועילה מאוד. בעשורים האחרונים מושג אינדקס השזירה עבר הכללות מרחיקות לכת דרך עבודתם של חוקרים הפועלים בממשק שבין מתמטיקה טהורה ופיזיקה בסיסית, הכללות המאפשרות למשל להגדירו גם עבור שזרים בעלי יותר משני מרכיבים. באותה הערה קצרה גאוס גם מלין על ההתקדמות המעטה שנעשתה בתחום: "על ה-geometria sytus, שלייבניץ הרחיק לראות, ואשר רק צמד גאומטרנים (אוילר וונדרמונד) זכו למבט חטוף בו, אנו יודעים, כעבור מאה וחמישים שנים, כמעט דבר. בעיה מרכזית של ה-geometria sytus תהיה למנות את מספר הליפופים של שני עקומים סגורים או אינסופיים אחד מסביב לשני".

מחברותיו של גאוס מכילות מספר רישומים מעניינים, שמעידים שהוא היה בין הראשונים לחקור גם תופעות טופולוגיות בעלות זיקה לקשרים כמו צמות (braids), לגביהן ניסה לפתח שיטת סימון המבוססת על קואורדינטות מרוכבות, או מארג (tangle) שפשרו עדיין לא מובן היטב. העורך של עבודותיו הגאומטריות של גאוס, המתמטיקאי Paul Stackel, שם דגש על העובדה שעמיתו של גאוס, אוגוסט פרדיננד מביוס, התייחס במפורש להרצאה בעל פה שניתנה על ידי גאוס בה הוא הדגים תכונות של משטח לו הוא קרא "טבעת כפולה"; על פי הפרשנות המתמטית המודרנית, בהרצאתו רמז גאוס למביוס שהמשטח שהדגים היה שקול טופולוגית לטורוס מנוקב, ושהטורוס המנוקב אינו פשוט קשר. כמו כן, בהערה שלו מ-1840 מופיעה ההתייחסות המוקדמת ביותר לבעיית הקשירות הטופולוגית של משטחים, וקרוב לוודאי שלבעיה שהציע בהערה זו הייתה השפעה מסוימת על רימן. בשנים 1825 - 1844 גאוס עסק בנושא שמסווג כיום כטופולוגיה קומבינטורית, והכין רשימה של קשרים עם מספר צמתים שאינו עולה על 4, וכמו כן שיער השערה מסוימת על רצף האותיות במילות גאוס (Gauss's words), שהוכחה לבסוף כמעט כמאה שנה מאוחר יותר, על ידי Julius v. Sz. Nagy. הערותיו ותוצאותיו בתחום קובצו ברשימה קצרה יחסית בכרך השמיני של הנכלאס שלו. השפעתו בשנותיו האחרונות הייתה בעיקר במתן גירוי ראשוני לתלמידיו לפתח את התחום, וראויה לציון העובדה שתלמידו, יוהאן בנדיקט ליסטינג, בחר להקדיש את ספרו על טופולוגיה לגאוס.

אנליזה נומרית

בעבודתו היומיומית גאוס נעזר לעיתים קרובות באלגוריתמים יעילים כדי לפשט את עבודתו. כיוון שלעיתים קרובות הוא נעזר בעדות מספרית אמפירית כדי למצוא חוקיות מתמטית בתחומי המחקר שלו (למשל במקרה של משפט המספרים הראשוניים וההכללות שלו), השימוש באלגוריתמים יעילים היה חשוב מאוד לו. בהקשר זה, גאוס עשה תרומות רבות לאנליזה נומרית והמציא אלגוריתמים מתמטיים רבים. ב-1814 הוא פרסם את מאמרו הארוך יחסית על אינטגרציה נומרית "שיטה חדשה לחישוב ערכי אינטגרלים על ידי קירוב", בו תיאר את שיטת התרבוע הגאוסיאני (Gaussian quadrature). המאמר היווה השראה עבור חוקרים רבים בתחום להמשיך לפתח את הכלים של האינטגרציה הנומרית. בהקשר של חקירותיו על הממוצע האריתמטי גאומטרי, הוא המציא את אלגוריתם גאוס-לז'נדר, שיצר (יחד עם תרומות של חוקרים רבים אחרים) את הבסיס לכמה מהאלגוריתמים המהירים ביותר לחישוב פאי.

בהקשר של עבודתו האסטרונומית, גאוס פיתח במאמרו הארוך "שיטה חדשה לטיפול בתאוריית האינטרפולציה" מ-1805 את הגרסה המוקדמת ביותר של ה-FFT (אלגוריתם ה-Fast Fourier Transform) - התמרת פורייה מהירה, שתואר כ"אלגוריתם הנומרי החשוב ביותר של זמננו". הוא נעזר באלגוריתם זה כדי לעשות אינטרפולציה על מסלוליהם של פאלאס ויונו. למעשה, האלגוריתם שלו דומה לאלגוריתם הגנרי של ה-FFT ומתייחס למקרה כללי יותר מאשר בגרסה הידועה כ-radix 2; במאמר 28 של חיבורו זה הוא הדגים את פעולת האלגוריתם שלו למקרה של פאלאס, בו מתקבלת סדרה בעלת מספר פריק ($N=p\cdot q$) של ערכים השונה מחזקה של שתיים (במקרה של פאלאס התקבלה סדרה בעלת 12 ערכים). מבחינה היסטורית, חיבור זה לא היה חסר השפעה, שכן עותקים ספורים שלו הגיעו למכריו של גאוס ולמתמטיקאים נוספים במהלך המאה ה-19.

הישגים אחרים שלו כוללים פיתוח אלגוריתם יעיל לחישוב לוגריתמים, המבוסס על הממוצע האריתמטי גאומטרי. כמו כן, גאוס פרסם טבלאות לוגריתמים שיחד עם עבודתו של Z. Leonelli יצרו את הבסיס למערכת המספרים הנקראת כיום LNS - או Logarithmic number system. עבודתו בתחום הוקרה בכך שקראו לטכניקות מסוימות לחישוב לוגריתמים בשם "לוגריתמים גאוסיאניים".

כרונולוגיה מתמטית

כמה מעבודותיו המתמטיות של גאוס הוקדשו לכרונולוגיה, תחום העוסק בפיתוח אלגוריתמים יעילים לניתוח לוח השנה ואשר נגזרים ממנו יישומים מיידים לחיזוי מועדם של חגים מסוימים. בין עבודותיו אלו ראויים לציון מיוחד מאמרו מ-1802 על קביעת תאריך חג הפסחא לפי הלוח היוליאני והגרגוריאני - שבו התהליך הציקלי המפרך של חישוב מועד חג הפסחא מוחלף בתהליך אנליטי לגמרי, והנוסחה של גאוס לקביעת היום בשבוע המתאים לתאריך קלנדרי מסוים (עבודתו האחרונה נתפרסמה רק ב-1927). גאוס ראה באלגוריתמים אלו הדגמה של עקרונות "האריתמטיקה הגבוהה" שפיתח, ואזכור לבעיות קלנדריות אף מופיע במאמר 36 בפרק השני של "מחקרים אריתמטיים", בהקשר של הבעיה של פתרון מערכות של n קונגרואנציות ליניאריות ב-n משתנים. במילים אחרות, בליבם של האלגוריתמים הללו עומד פתרון משוואות דיופנטיות ליניאריות מסוימות וכן ידע אסטרונומי על מופעי גרמי השמיים, וגאוס אף כתב בפתיח למאמרו על חג הפסחא כי: "מטרתו של חיבור זה אינה לדון בהליך הרגיל של קביעת מועד הפסחא, אשר ניתן למצאו בכל ספר על כרונולוגיה מתמטית ולהבינו בקלות יחסית בהינתן היכרות בסיסית עם מונחים כמו מספר זהב, אפקט, ירח פסחא, מחזור שמשי... אלא לתת, באופן בלתי תלוי בקונספציות הללו, פתרון אנליטי לחלוטין, המבוסס אך ורק על פעולות החשבון הבסיסיות ביותר."

הישגים מתמטיים אחרים

עבודתו של גאוס לא רק התניעה התפתחות של תאוריות מתמטיות גדולות, אלא שהוא היה גם המחבר של נישות רבות במתמטיקה, במיוחד בגאומטריה אלמנטרית ובאלגברה. בעיסוקו גם בתחומים אלה, עזר להפיץ את הרעיונות המתמטיים החדשים של התקופה; באמצעות הדגמה כיצד הם "מאירים" ומקצרים את הדרך בפתרון בעיות מסוימות. בהקשר זה, גאוס השתמש במספרים מרוכבים במסגרת עבודתו על פרספקטיבה וגאומטריה פרויקטיבית - בכתב קצר "היטלי הקוביה" הוא ניסח את המשפט היסודי של אקסונומטריה נורמלית, העונה על השאלה כיצד לשרטט בצורה מיטבית קובייה תלת ממדית על גבי מישור דו ממדי, באמצעות שימוש במספרים מרוכבים. משפט גאוס-לוקאס, תוצאה בסיסית על מיקום שורשי פולינום במישור המרוכב, הוא דוגמה נוספת לנישה בעבודתו על מספרים מרוכבים. כמו כן, חלק מכתביו הלא מפורסמים מגלים שהוא היה הראשון להבין את החשיבות של המישור המרוכב המורחב על ידי נקודת האינסוף $C\cup (\infty )$; גאוס מצא ב-1819 שכל סיבוב של הספירה הדו-ממדית ניתן לביטוי על ידי טרנספורמציה מרוכבת מהצורה: $z\mapsto {\frac {az+b}{-{\bar {b}}z+{\bar {a}}}}$, כאשר $a,b\in \mathbb {C}$ ומקיימים $|a|^{2}+|b|^{2}=1$. הטרנספורמציה הזאת, שהיא בעצם העתקת מביוס אוניטרית, מתייחסת להטלה הסטריאוגרפית של הספירה אל המישור המרוכב - הטלה שמאפשרת להתאים מספר מרוכב לכל נקודה על הספירה. בגלל תוצאה זו ותוצאות נוספות יש מחברים שמתייחסים אל המרחב הפרויקטיבי המרוכב $\mathbb {CP1}$, הידוע יותר בשם הספירה של רימן, כאל "הספירה של גאוס".

דרך התכתבויותיו וכתביו הלא מפורסמים, לגאוס הייתה תרומה מסוימת להתחדשות של ענף הגאומטריה הסינתטית במאה ה-19, שהתפתחותו נזנחה במאה הקודמת (עקב ההתפתחות המטאורית של האנליזה); תחום זה התפתח מאוד בעשורים הראשונים של מאה זו, בעיקר דרך עבודותיהם של גאומטרנים כיאקוב שטיינר, יוליוס פלוקר, von Staudt, מביוס ואחרים. בין היתר, שכלל ב-1840 את המושגים החשובים של צמדי נקודות הרמוניים (harmonic pairs) והיחס הכפול. הישגים שלו בגאומטריה אלמנטרית כוללים את פתרונו מ-1810 לבעיית הבנייה המפורשת של האליפסה בעלת השטח הגדול ביותר החסומה בריבוע נתון (גם כן תוך שימוש במספרים מרוכבים) ואת התוצאה הנגזרת מפתרונו - משפט Bodenmiller על מרובעים שלמים, הצגת טכניקה משופרת לפתרון הבעיה הגאומטרית של קביעת המעגל המשיק לשלושה מעגלים נתונים - בעיית אפולוניוס, וגזירת תוצאות מעניינות כמו נוסחת גאוס לחישוב שטח מחומשים - תוצאה מפתיעה בגאומטריה אפינית. הוא תרם רבות גם לגאומטריה כדורית, הן מההקשרים האסטרונומיים (הוא תרם לפרקטיקה של ניווט בעזרת כוכבים והשתמש בטכניקות מטריגונומטריה ספירית כדי לפתור בעיות ניווטיות שונות) והן מההקשרים הגאומטריים שלה. בהקשר זה של עבודתו של גאומטריה כדורית, גאוס חקר לעומק את הסיבה לתופעה המתמטית שג'ון נפייר כינה "Pentagramma mirificum" - הקשורה בתכונותיו המופלאות של פנטגרם כדורי מסוים. גאוס הסביר את התופעה במלואה, ושב לנושא מספר פעמים בחייו; מאוחר בחייו גאוס ניסח והוכיח מספר משפטים שמכלילים את המקרה בו עסק נפייר.

כמה מההתכתבויות שלו בשנותיו המאוחרות יותר עסקו לעיתים קרובות בבעיות מתמטיות מינוריות יחסית, למשל בנושא של ריבועים לטיניים, או בהתכתבות מ-1836 עם שומאכר בה הוא עסק בבעיית העץ של שטיינר. במספר מכתבים לגרלינג ב-1844 גאוס הביע חוסר סיפוק מהעובדה שהתהליך הידוע היחיד להוכיח שוויון נפחים של פאון כלשהו עם תמונת הראי שלו מתבסס על שיטת המיצוי, ושיער שלא ניתן להוכיח שוויון נפחים של ארבעונים באמצעות פירוק למספר סופי של מרכיבים חופפים. ההתכתבות הזאת בין גאוס לגרלינג הייתה אחת המוטיבציות לניסוח הבעיה השלישית של הילברט.

פיזיקה

אלקטרומגנטיות

גאוס ניסח את חוק גאוס באלקטרוסטטיקה (שמהווה מקרה פרטי של משפט גאוס באנליזה וקטורית), אחד החוקים הבסיסיים והחשובים ביותר בתחום זה, כמו גם את חוק גאוס במגנטיות. ב-1833 הוא גילה את חוקי קירכהוף על מעגלים מסועפים, ומאוחר יותר ביסס את העקרון של ייצור חום מינימלי (principle of minimum heat), שגם הוא נתגלה באופן בלתי תלוי על ידי גוסטב קירכהוף (ב-1848). הוא יישם את העקרונות הללו כשניתח כמה קונפיגורציות מעניינות של מעגלים חשמליים. בנוסף, גאוס נתן הוכחה ניסויית מדויקת של הזהות של אפקטים חשמליים הנגרמים על ידי חיכוך לאלו שנגרמים על ידי זרמים גלוואניים וכוחות תרמואלקטריים. באותה שנה הוא וובר תיעלו את הידע הניסויי והתאורטי שלהם בתחום כדי להגיע להישג טכנולוגי מעשי; לבנות את הדגם הראשון של הטלגרף החשמלי - מעיין התקן תקשורת פרימיטיבי לשליחת מסרים באמצעות פולסים חשמליים בתיל. גאוס שילב בין מכשיר המולטיפליקטור של שוויגר למגנטומטר שלו כדי לבנות מכשיר רגיש יותר; הגלוונומטר. כדי להפוך את כיוון הזרם החשמלי, הוא בנה קומוטטור משלו. כתוצאה, הוא היה מסוגל להניע מחט מרוחקת בכיוון שהגדיר הקומוטטור בקצה השני של הקו. את האלפבית שלהם הם קודדו באמצעות קוד בינארי. מאוחר יותר הם פיתחו דגם יעיל יותר, שאפשר קצב העברת נתונים גבוה יותר (אם כי עדיין נמוך משמעותית מזה של הדגמים המסחריים הראשונים).

מוקד העניין המרכזי של גאוס בחקר האלקטרומגנטיות היה חקר חוקי האינדוקציה (השראה אלקטרומגנטית), והוא גילה במחקריו תוצאות ניסוייות ותאורטיות רבות בתחום. למשל, באמצעות טרנספורמציות מסוימות על משוואת אמפר לכוח בין אלמנטי זרם, הוא גילה את פונקציית הפוטנציאל הווקטורי ב-1835 (מושג זה הוצג לראשונה רק ב-1851, על ידי לורד קלווין), ונעזר בו כדי לתת ניסוח כמותי לחוק פאראדיי; הוא מצא שהכוח האלקטרומוטורי המושרה שווה לקצב השינוי של הפונקציה הזאת. במסגרת מחקריו ה"חישוביים" יותר של תופעת ההשראה, הוא אף מצא ביטוי מתמטי מפורש להשראות העצמית של כמה קונפיגורציות לא טריוויאליות; למשל, הוא חישב קירוב מסדר ראשון להשראותה העצמית של לולאה מעגלית יחידה כפונקציה של רדיוס הלולאה r ורדיוס התיל (המעגלי) a ממנו היא הורכבה. מנקודת המבט של מדע בסיסי, השיא של עבודתו של גאוס באלקטרומגנטיות עסק באלקטרודינמיקה, ובעוצמה של כוחות אלקטרודינמיים. ב-1835, עלה במחשבתו הרעיון שהאינטראקציה האלקטרומגנטית בין שני מטענים מתקדמת במרחב במהירות סופית, ולפיכך היא עשויה להיות תלויית מהירות-יחסית בין המטענים. הוא היה מסוגל לרשום, אם כי לא לגמרי נכון, את המשוואות המתארות את האינטראקציה האלקטרומגנטית הכללית - חוק האלקטרודינמיקה שניסח מהווה הכללה של חוק קולון למטענים נעים:

$F={\frac {q_{1}q_{2}}{r^{2}}}(1+k\cdot (r{\ddot {r}}-r\cdot {\ddot {r}}-{\frac {1}{2}}{\dot {r}}^{2}))={\frac {q_{1}q_{2}}{r^{2}}}(1+k\cdot (u^{2}-{\frac {3}{2}}{\dot {r}}^{2}))$.

כש-r הוא המרחק הסקלרי, $r$ הוא וקטור המרחק, $q_{1}$ ו-$q_{2}$ הם ערכי המטענים ו-${\sqrt {\frac {1}{k}}}$ היא מהירות התקדמות האינטראקציה. בנוסחה הנכונה צריך להופיע המקדם $-1$ במקום $-3/2$, מה שעקבי עם העובדה שכאשר מטען אחד נייח ואילו השני נע בניצב לרדיוס וקטור במהירות השואפת למהירות האור אז הכוח המגנטי משתווה לכוח החשמלי. על אף השגיאה בנוסחה, הצעה זאת של גאוס נחשבת לראשיתה של שיטה מתמטית בפיזיקה תאורטית שנקראת פוטנציאלים מפגרים (Retarded potentials ), וכאשר מכניסים בה תיקונים יחסותיים היא נותנת את התוצאות הנכונות בעבור תנועות אינרציאליות. הישג מזהיר זה, שהוא נקודת מפגש בין תורת הפוטנציאל ותורת האלקטרומגנטיות (החוק הזה נגזר מפונקציית פוטנציאל סקלרי מסוימת), בא בהמשך ישיר לשנים של הרהורים פיזיקליים על טבע האינטראקציה האלקטרומגנטית. כפי שגאוס עצמו הבחין, משוואת האלקטרודינמיקה שנתן מפרה את חוק שימור האנרגיה בעבור תנועות כלליות (תנועות מואצות), ולכן העיר נכונה כי הנוסחה צריכה להסביר גם את האפקטים של השראה אלקטרומגנטית.

10 שנים מאוחר יותר, ובר התוודע לעבודה זאת של גאוס (שלא פורסמה), והכליל את משוואות האלקטרודינמיקה של גאוס גם למקרה של מטענים מואצים, כדי לכלול את האפקט של השראה אלקטרומגנטית. למעשה, תמונת גאוס-וובר של האלקטרודינמיקה הייתה הבסיס למחקרים תאורטיים בתחום עד אשר הוחלפה על ידי משוואות מקסוול השימושיות יותר. מבחינה היסטורית, בשל ההסתייגות של ג'יימס קלארק מקסוול, יוצר התאוריה האלקטרומגנטית המודרנית, מן התאוריה של גאוס וובר, נזנחה הגישה שלהם כליל מטקסטים לימודיים בתחום מאז ועד היום, שכן לגישה של מקסוול מעמד בלתי מעורער בקונצנזוס המדעי. הבדל מהותי אחד בין התאוריות הוא שבתמונת מקסוול חוק שימור התנע תקף רק כאשר מסתכלים על המערכת המורחבת של החלקיקים והשדות האלקטרומגנטיים יחד (כלומר התנע של החלקיקים לא בהכרח נשמר), בעוד שבתמונת גאוס-וובר התנע הכולל של החלקיקים תמיד נשמר. עם זאת, קרל שוורצשילד פרסם מאמר ב-1903 המתאר בפירוט כיצד ניתן לפתח את הגישה של גאוס וובר לכדי תאוריה עקבית חלופית.

גאומגנטיות

עבודתו של גאוס הובילה ליצירת האטלס המגנטי הראשון של כדור הארץ - מעיין מפה המכילה מידע על עוצמת השדה המגנטי והנטייה המגנטית בכל נקודה על כדור הארץ.

גאוס פיקח על בנייתו של מתקן מגנטי במצפה הכוכבים, ויחד עם ובר ייסד את magnetischer Verein ("המועדון המגנטי") אשר תמך במדידות של השדה המגנטי של כדור הארץ באזורים שונים, והניב את "האטלס המגנטי" הראשון של כדור הארץ. תרומותיו לגאומגנטיות מרוכזות בשני מאמרים חשובים ומשלימים אחד לשני: "צמצום חוזק הכוח המגנטי של כדור הארץ למדידות אבסולוטיות" (1832) ו"תאוריה כללית של מגנטיות כדור הארץ" (1839). המאמר הראשון עסק בהיבטים האמפיריים של מדע הגאומגנטיות: הוא תיאר מערכים ניסויים למדידת העוצמה והכיוון של שדה מגנטי, הסביר את עקרונות הפעולה של המגנטומטרים השונים שפיתחו הוא וובר, ועוד.

המאמר השני עסק בעקרונות התאורטיים של תיאור השדה המגנטי של כדור הארץ: גאוס נעזר בכלי המתמטי שהומצא כמה עשורים קודם לכן על ידי פייר-סימון לפלס, ההרמוניות הספריות, כדי לייצג את השדה המגנטי של כדור הארץ. באמצעות שימוש בכלים המתמטיים של ההרמוניות הספריות ושיטת הריבועים הפחותים שלו, גאוס הצליח להוכיח כי מקור השדה המגנטי של כדור הארץ הוא פנימי, והתאוריה המתמטית שלו אפשרה להפריד בין המקור הפנימי (הגלעין והקרום) והחיצוני (מגנטוספירה) של השדה המגנטי של כדור הארץ, ולחשב איזה חלק של השדה נתרם על ידי הגלעין. חישוביו הצביעו מיד על כך שעיקר השדה המגנטי של כדור הארץ הוא שדה דיפולי; זאת הייתה התקדמות חשובה, שכן באותה תקופה היו עדיין מדענים שהאמינו בקיומם של ארבעה קטבים מגנטיים לכדור הארץ. בסיום המאמר, גאוס אף הצליח להצביע על המיקום המדויק של שני הקטבים המגנטיים של כדור הארץ משיקולים תאורטיים.

תורת הפוטנציאל

עבודתו בתחום הגאומגנטיות הובילה אותו לעסוק באופן שיטתי בתחום מתמטי טהור שיונק רבות מהפיזיקה אולם מהווה ענף מתמטי העומד בזכות עצמו - תורת הפוטנציאל (potential theory). נושא זה העסיקו לראשונה במאמרו מ-1813 על כוח המשיכה שיוצרים אליפסואידים הומוגניים, שהיווה מרכיב חשוב בהתגבשות הרעיונות שלו על תורת הפוטנציאל. במאמרו גאוס סיפק לראשונה פתרון מתמטי סגור למשיכה הכבידתית שיוצר האליפסואיד במרחב שמחוצה לו, ונתן צורה מתמטית חדשה למשיכה בחלקו הפנימי. החידוש המרכזי של המאמר היה מתן ביטוי סגור למשיכה מחוץ לאליפסואיד; לפניו סיפקו בכירי המתמטיקאים הצרפתים (כדוגמת לגראנז', לפלס, אדריאן-מארי לז'נדר ואחרים), פיתוחים של פונקציית המשיכה לטור של הרמוניות ספריות, אולם ביטוי מתמטי סגור חמק מהם.

כמה עשורים מאוחר יותר, במאמרו "טענות כלליות בנוגע לכוחות משיכה ודחייה המשתנים בהתאם להיפוך ריבוע המרחק" משנת 1840, אשר סיים את פעילותו המחקרית בפיזיקה תאורטית, הוא סיפק את הטיפול השיטתי הראשון בתורת הפוטנציאל - תחום במתמטיקה העוסק בחקר פונקציות שמקיימות את משוואת לפלס (ונקראות פונקציות הרמוניות), אשר צמח מתוך בעיות פיזיקליות באלקטרוסטטיקה ותורת הכבידה והוכיח חשיבות עצומה בעבודותיו בפיזיקה של גאוס. במאמר גאוס טבע את המונח "פוטנציאל", והראה שעל אף המקור הפיזיקלי השונה של תופעות שונות, התיאור המתמטי שלהם נשען על גוף זהה של משפטים מתמטיים. הוא סיפק בסיס ריגורוזי חדש לתורת הפוטנציאל, ופיתח את התחום משמעותית מעבר להתקדמויות שנעשו על ידי דמויות מפתח קודמות. במאמר גאוס סיפק הוכחה ריגורוזית ראשונה למשוואת פואסון (חלקים §§9-10) $\nabla ^{2}\phi =-4\pi K\rho \;$ המתארת את הפוטנציאל החשמלי גם במרחב שאינו ריק ממטענים (בניגוד למשוואת לפלס). הוא הציג כלים כלליים חדשים באנליזה וקטורית כמו משפט הדיברגנץ של גאוס (חלק §§24) ומשפט גרין, יחד עם משפטים מקוריים חשובים לאפיון פונקציות הרמוניות כגון משפט הערך הממוצע של גאוס (חלק §§20), משפט ההדדיות של גרין (Green's reciprocity theorem) ועקרון המקסימום (חלק §§21). משפט חשוב מאוד אחד במאמר היה שגוי, אולם הכיל את ניצני הרעיונות של שיטת ה-sweeping (נקראת גם Bayalage method) המרכזית לתורת הפוטנציאל המודרנית. אחד העקרונות החשובים שגאוס זיהה במאמר הוא עקרון דיריכלה (חלק §§36), עקרון היוריסטי חשוב שגאוס לא נתן לו הוכחה (הצדקה לעקרון ניתנה רק במאה ה-20, על ידי דויד הילברט), אבל שהפך לעקרון מנחה בעבודות רבות מאוחרות יותר בתורת הפוטנציאל.

מכניקה

מגדל בעיר המבורג בו בנזנברג ערך ניסויים בהפלת כדורים מראשו. תוצאות הניסויים תאמו באופן מדויק את התחזיות של גאוס ולפלס.

גאוס עשה גם תרומות אחדות לבעיות ממכניקה קלאסית. ב-1803, גאוס היה נתון בתחרות עם לפלס בנוגע לפתרון הבעיה של חישוב הסטייה האופקית של גוף המופל ממגדל בגובה h. שניהם עסקו בבעיה בקונטקסט של הוכחה לסיבוב כדור הארץ (proof of earth rotation). גאוס ולפלס שניהם הגיעו לאותה נוסחה להסטה האופקית, במה שהפך לאנליזה התלת-ממדית הראשונה של תנועה ממערכת ייחוס מסתובבת, שראויה לציון כי היא נעשתה כ-30 שנה לפני עבודתו של גספאר גוסטב קוריוליס על כוחות מדומים במערכת מסתובבת (ביניהם כוח קוריוליס). גאוס פרסם את ממצאיו במאמרו "משוואות יסודיות לתיאור התנועה של גופים כבדים על כדור הארץ המסתובב", כשאחת המסקנות הנגזרות מן המשוואות הייתה הנוסחה להיסט האופקי d:

$d=2/3\omega cos(\theta ){\sqrt {\frac {2h^{3}}{g}}}$

כאשר $\omega$ היא המהירות הזוויתית של סיבוב כדור הארץ ו-$\theta$ הוא קו הרוחב. הנוסחה אפשרה לשניהם לחזות סטייה אופקית של 8.8mm עבור הפלה ממגדל בגובה של 90 מטר בקו הרוחב בו נעשה הניסוי, כאשר הערך שנמדד בפועל על ידי הנסיין יוהאן פרידריך בנזנברג (שערך ניסויים בהפלת כדורים) היה 8.5mm. ב-1837 יישם פואסון את המשוואות היסודיות של גאוס כדי להסביר את הסטייה הבליסטית של פגזים, ומאוחר יותר הן שימשו את לאון פוקו וחוקרים מאוחרים יותר לניתוח תנועת המשקולות של מטוטלות פוקו. בהמשך חייו עסק גאוס בבעיות מכניות נוספות הקשורות בסיבוב כדור הארץ; ב-1854, שנה לפני מותו, ובתגובה לניסוי המפורסם של פוקו, הוא הציע שיפורים למטוטלת פוקו, אשר הפחיתו משמעותית את הגודל שלה. הממציא האיטלקי איגנציו פורו (חי בשנים 1801–1875) הציע הצעות דומות בנוגע להקטנת הגודל של המטוטלת, וב-1878 האיקה קמרלינג אונס בנה מטוטלת פוקו בהתאם להצעות של גאוס ופורו, והשיג תוצאות טובות מאוד איתה.

גאוס עשה גם תרומה תאורטית למכניקה קלאסית באמצעות עקרון האילוץ המינימלי שלו, שאפשר לתת ניסוח וריאציוני חדש של המכניקה הקלאסית, ניסוח המאחד סטטיקה ודינמיקה. העקרון דומה ברוחו לעקרון הפעולה המינימלית של המילטון, שהופיע מאוחר יותר. גאוס כתב כי את ההשראה לנסח את העקרון הוא קיבל מבעיות של קפילריות, ובתחילת מאמרו על קפילריות הוא אף עשה בו שימוש נוסף. ב-1853 אחד מתלמידיו של גאוס, אוגוסט ריטר, כתב את עבודת הדוקטורט שלו "על העקרון של אילוץ מינימלי" בהנחייתו של גאוס, אשר עסקה בפירוט בעקרון שתואר על ידי גאוס ב-1829, ובאופן כללי יותר בגאומטריזציה של המכניקה. בעבודה זאת ניכר החותם שהטביעו בריטר הרצאותיו של גאוס בשנים 1850/51, שעסקו בהרחבה במושג החדשני דאז של מרחבים אוקלידיים n-ממדיים, ובזיקה שלהם לבעיות מכניות מרובות דרגות חופש. העקרון מצא שימושים בניסוחים מסוימים של מכניקה אנליטית, וכמה מדענים מאוחרים יותר התייחסו אליו בהרחבה ויישמו אותו לפתרון בעיות מכניות מסוימות; כך למשל, היינריך הרץ מצא ניסוח שקול שלו ("עקרון העקמומיות המינימלית של הרץ"), אשר ביטא ביתר בהירות את הקשר בין עקרונות אקסטרמליים לגאומטריה דיפרנציאלית.

כמו כן, העקרון מעורר עניין עכשווי מסוים כי אחד היישומים הטכנולוגיים הטבעיים שלו הוא בחישוב יעיל של התנועה המורכבת של מערכות רובוטיות הנתונות לאילוצי תנועה רבים (למשל, זרועות רובוטיות מרובות מפרקים); כיוון שהעקרון מצביע כי בעיות של דינמיקה מאולצת ניתנות לפתרון בעזרת שיטת הריבועים הפחותים (בדומה לפתרון בעיות סטטיסטיות), הוא מאפשר לרתום את הכלים החזקים של הרגרסיה והאלגברה הליניארית כדי לתאר את הדינמיקה שלהן.

קפילריות

בחיבורו החשוב על קפילריות מ-1831 "עקרונות כלליים של תאוריית הצורה של נוזלים בשיווי משקל", גאוס עסק בבעיית שיווי המשקל של נוזלים מנקודת מבט שונה משל קודמיו תומאס יאנג ופייר-סימון לפלס. חיבור זה בא בהמשך ישיר לחיבורו המהולל של לפלס על קפילריות (מ-1806), אשר תיאר ביסודיות מופתיות ובדייקנות מתמטית שפע של תופעות ותצורות נימיות בקונפיגורציות פיזיות שונות (צורות שונות של כלי הקיבול המכיל את הנוזל), אך חרף זאת היה חסר ריגורוזיות מתמטית. למעשה, כל התוצאות הפיזיקליות בחיבורו של גאוס הן לא חדשות אלא אודות ליאנג ולפלס, ותרומתו הייחודית היא בכך שהעניק לתחום בסיס מדעי "איתן" יותר וחופשי מהיפותזות. החיבור מפורסם בשל הביקורת שלו כלפי השיטות של יאנג ולפלס, שביססו את פיתוחיהם על היפותזות לא מבוססות על אופי כוחות המשיכה הבין-מולקולריים של הנוזל, ובפרט על גזירת משוואת יאנג-לפלס. בחיבור הוא נקט בגישה "אנרגטית", הגדיר את כוחות הקוהזיה והאדהזיה (בין נוזל למוצק) כאנרגיה לשטח, וגזר את משוואת יאנג לפלס ואת הנוסחה לזווית ההרטבה מנקודת מבט וריאציונית, באופן שפתח צוהר ליישומים תאורטיים מתקדמים יותר. תחת ידיו של גאוס, עקרונות וריאציוניים כמו עקרון העבודה הווירטואלית ועקרון האילוץ המינימלי שלו הפכו בהדרגה לבסיס לגישה האנרגטית המודרנית לחקר הקפילריות.

כיוון שפתרון הבעיות בחיבור מבוסס על קבלת מינימום לאנרגיה של המערכת אודות למתח הפנים, האדהזיה והכבידה, הוא מעניין מאוד גם מבחינה מתמטית, שכן הוא הציג את הפתרון הראשון לבעיה וריאציונית המערבת אינטגרלים כפולים, תנאי שפה וגבולות משתנים; מבחינה מעשית הבעיה בחיבור כרוכה בהבאה למינימום של הביטוי הבא לאנרגיה:

$W={\frac {1}{2}}\iint (z^{2}-g^{2}(x,y))dxdy+(\alpha ^{2}-2\beta ^{2})\iint {\sqrt {1+g_{x}^{2}+g_{y}^{2}}}dxdy+\alpha ^{2}\iint (z-g(x,y))dxdy$

האיבר הראשון מייצג את האנרגיה הפוטנציאלית הכובדית של הנוזל, השני את אנרגיית מתח הפנים והשלישי את האנרגיה אודות לאינטראקציית נוזל-מוצק. כמסקנות מיידיות מן התאוריה שלו גאוס גוזר את הנוסחה לטיפוס נימי של נוזל במעלה צינור (חוק ג'ורין), כמו גם את המשוואה של פני השטח של נוזל בצינור בעל סימטריה גלילית. גאוס חוקר בחיבור מזווית מתמטית גם את תצורות פני הנוזל המתקבלות בכלי קיבול בעלי צורה מורכבת ולא פשוטה. בכך שהחיבור פרץ דרך בטיפול בבעיות וריאציוניות עם משתנים מרובים, הוא תרם בעקיפין גם לחקר המושג המתמטי החשוב של משטח מינימלי - שכן משוואת יאנג לפלס משקפת את העובדה שמשטח היציבות הוא משטח מינימלי בעל עקמומיות ממוצעת קבועה - ולראיה תוך זמן קצר חלה פריחה מדעית בחקר הקפילריות ונושאים קרובים מנקודת מבט וריאציונית, כפי שמעידה הרשימה הארוכה של החוקרים שתרמו לתחומים אלה. המתמטיקאי Oscar Bolza, שכתב חיבור על תרומותיו של גאוס לחשבון וריאציות, ציין שבכך שבמאמרו גאוס טיפל בבעיות וריאציוניות המערבות אינטגרלים רב-ממדיים, הוא "שבר את הצוואר הקשיח של ענף חשבון הווריאציות".

קריסטלוגרפיה

גאוס פירש מחדש את התוצאות של Seeber במונחים של צפיפות ממוצעת של אריזות כדורים.

אחד היישומים היותר ראויים לציון ומרחיקי לכת של עבודתו של גאוס בתורת המספרים היה השימוש בתבניות ריבועיות לפתרון בעיות קריסטלוגרפיות. ב"מחקרים אריתמטיים" גאוס נתן פיתוח כמעט שלם של התורה של תבניות ריבועיות בינאריות (binary quadratic forms) והחל גם לפתח בצורה מרחיקת לכת את התורה של תבניות ריבועיות טרנריות (ternary quadratic forms); דהיינו תבניות שהן ריבועיות בשלושה משתנים. אחת הדרכים בהן גאוס יישם את התורה של תבניות טרנריות, אשר הופיעה עוד במחקרים אריתמטיים, הייתה קביעת מספר ההצגות של מספר טבעי כסכום של שלושה ריבועים. אולם, נכון ל-1801, התורה של תבניות טרנריות הייתה רחוקה מהשלמה.

בשנים 1830–1831 השלים הפיזיקאי והמתמטיקאי הגרמני Ludwig August Seeber את התורה של תבניות טרנריות בהתאם למתווה שהציג גאוס במחקרים אריתמטיים. Seeber פרסם חיבור ארוך שמתאר את תוצאותיו על הרדוקציה של תבניות טרנריות, אולם למרות התוצאות המרשימות שבחיבור, הוא לא הוכיח את התוצאה האחרונה והמרכזית של החיבור, וזו נשארה בגדר השערה. בסיכום שכתב גאוס על חיבורו של Seeber הוא שיבח את ממצאיו, פישט רבים מטיעוניו הסבוכים, ונתן הוכחה של ההשערה המרכזית של החיבור. ההיבט המעניין של הסיכום לא היה ההוכחה בלבד אלא הפרשנות המפתיעה שנתן גאוס - גאוס ציין שההשערה של Seeber שקולה לטענה שהאריזה הצפופה ביותר של כדורים המסודרים בצורה מחזורית היא זו שיוהאנס קפלר תיאר ב-1611; כלומר שהתוצאה שלהם מוכיחה כבדרך אגב את השערת קפלר במקרה של מארז סריגי.

בהוכחה גאוס לראשונה פירש תבניות ריבועיות כסריגים (lattices) במרחב; כלומר לכל תבנית ריבועית בינארית מתאים סריג יחיד במישור, ובדומה לכך לכל תבנית ריבועית טרנרית מתאים סריג יחיד במרחב. בסיום ההוכחה הוא אף נתן המחשה גאומטרית יפה למשפט: "היחס בין הנפח של המקבילון היסודי של סריג מרחבי לזה של קובייה שאורך צלעה שווה לזה של הצלע הקצרה ביותר של המקבילון תמיד גדול או שווה ל-$1/{\sqrt {2}}$". החסם התחתון הזה מושג כאשר המקבילון היסודי הוא תא יחידה של סריג קובי ממורכז-פאה - ולכן זו האריזה הצפופה ביותר. בכך חישב גאוס למעשה את ערכו של קבוע הרמיט במקרה התלת-ממדי. הכרחי לציין כי גאוס הוכיח זאת רק עבור סריגים שמתאימים לתבניות ריבועיות שעברו רדוקציה (reduced quadratic forms), הגם שאלו למעשה היחידים שרלוונטיים לבעיית אריזת הכדורים האופטימלית, ומכאן נובע הפן האריתמטי של התאוריה של סריגים ב-$\mathbb {R} ^{3}$. לסריגים אלו יש מקבילון יסודי בו כל הצלעות קצרות יותר מאלכסוני הפאות ומאלכסוני המקבילון.

הקישור שיצר גאוס בין תבניות ריבועיות לסריגים הכווין מאוד את המחקר המתמטי העתידי על תבניות ריבועיות ב-n משתנים. שארל הרמיט והרמן מינקובסקי, שני מתמטיקאים שתרמו רבות להכללת התאוריה של תבניות ריבועיות, נעזרו רבות באנלוגיה הזאת.

אופטיקה

פרק זה לוקה בחסר. אנא תרמו למכלול והשלימו אותו.

ההליוטרופ של גאוס (משנת 1822).

ב-1817 גאוס פרסם מאמר מקורי שמתאר את עינית גאוס (Gauss eyepiece) שהמציא, שהייתה עדשה-כפולה שתוכננה כך שתפחית את האברציה הכרומטית. כמה מממצאיו במאמר זה נמנים עם תרומותיו היותר מעמיקות לאופטיקה; במאמר הוא טיפל באופן תאורטי בבעיית הכרומטיות וגזר את רדיוסי העקמומיות של העדשות ומקדמי השבירה שלהן הנדרשים כדי למזער את הכרומטיות. עבודתו זו לא הייתה חסרת השפעה, וכמה עשורים מאוחרים יותר בנה קרל אוגוסט פון שטיינהייל עינית בהתאם למתווה של גאוס. כמה שנים מאוחר יותר, במסגרת הטריאנגולציה של ממלכת הנובר, גאוס פיתח את ההליוטרופ, מכשיר אופטי העושה שימוש במראה כדי להחזיר אור שמש על פני מרחקים גדולים במטרה לסמן ולמדוד מרחקים של עמדות. בהקשר זה גאוס חקר גם את השבירה האטמוספירית של קרני אור במטרה לשפר את הדיוק של המכשיר שלו (ובעקבות כך את מדידות הגובה שנערכו בסקר הגיאודזי שהוביל).

במכתבו מ-1831 לאסטרונום היינריך וילהלם ברנדס, עסק גאוס בכמה בעיות אופטיות לא סטנדרטיות (בראי התקופה): במכתבו סיפק גאוס תוצאות הנוגעות בגודלו של עיגול הטשטוש במערכות אופטיות ובפילוג עוצמת האור הנופל בתוכו. מטרת מכתבו של גאוס הייתה להבהיר לברנדס כמה נקודות לא ברורות בנוגע לעדשה הכפולה האכרומטית שלו (שבו דן כאמור ב-1817). מכתבו זה ראוי לציון מיוחד כאחת מתרומותיו היחידות שאינן נוגעות במישרין לתיאוריה האופטית הקלאסית, שכן היא עסקה דווקא בהיבטים מתקדמים יותר כגון אברציות כדוריות.

ראויה לציון גם תרומה קטנה שעשה גאוס לתחום הפוטומטריה של כוכבים ב-1829; באותה תקופה לא הייתה קיימת שיטה אמינה לקבוע באופן מדויק את הבהירות של כוכבים שונים. גאוס יזם באותה שנה תחרות מטעם אוניברסיטת גטינגן שנושאה הוא בניית פוטומטר אמין, והציע סוג של פוטומטר השוואתי; המכשיר שהציע היה מסוגל "לכוונן" את עוצמת האור הנצפית מכל כוכב, עד אשר הכוכב היה שווה בבהירותו לכוכב ידוע - כאשר שוויון הבהירויות צריך היה להיקבע ויזואלית על ידי העין. לאחר מכן ניתן לקבוע את יחס הבהירויות המקורי בעזרת ידיעת התאוריה המתמטית של הגברת המערכת האופטית. תלמידו של גאוס, גרלינג, השתתף בתחרות עם פוטומטר שנבנה על פי העקרונות שתיאר גאוס, וזכה בציון לשבח.

בין התכתבויותיו של גאוס בשנים 1813–1846 מפוזרות תוצאות רבות באופטיקה שנחשבות לאלמנטריות למדי בימינו. אף על פי כן, יש לזכור שנושאים אלו עדיין לא הובנו היטב על ידי הפיזיקאים של התקופה. הן עסקו בתכונות הכלליות של מסלול קרני אור בטלסקופים, כמו הגדלה, בהירות, התאמה לעיניים קצרות-ראי ועוד. ניתן לאמר איפה שתרומתו המרכזית של גאוס לאופטיקה גאומטרית היא הפשטות והאלגנטיות שהעניק לתחום - באמצעות הבהרת מושגי יסוד אופטיים שונים, הוא נתן תמריץ חזק לפיתוח התחום, הן במישור התאורטי והן במישור המעשי. חיבורו הקלאסי מ-1840 של גאוס על אופטיקה, "חקירות דיופטריות", בא בהמשך ישיר ל"דיופטריקה" של אוילר, שהייתה העבודה המקיפה ביותר שנכתבה על אופטיקה גאומטרית על לזמנו של גאוס. חיבורו של גאוס אמנם לא מכיל תוצאות חדשות רבות בהשוואה לקודמו אוילר, אולם מצטיין בפשטות אלגוריתמית ובבהירות רבה יותר. ראשית, גאוס התחיל ממושגי יסוד שלא הוגדרו והוצגו כהלכה לפניו, כגון מרחק מוקד (focal distance), נקודות מוקד, נקודות קרדינליות, הגברה (magnification) וכו'. בכך הוא היה הראשון שהציב את עבודותיהם של קודמיו במסגרת מושגית נוחה. שנית, גאוס נתן פן מעשי לחקירות האופטיות התאורטיות שקדמו לו בכך שטיפל לראשונה בעדשות בעלות עובי שרירותי (שכן כל עדשה מציאותית היא בעלת עובי סופי), והראה כיצד לטפל במערכות המורכבות מכמה מראות ועדשות באמצעות החלפתן במערכת מצומצמת.

אישיות

גאוס היה דתי אדוק ואדם שמרן. הוא תמך במונרכיה והתנגד לנפוליאון. כמו כן היה פרפקציוניסט נלהב ומסור לעבודתו. לפי אייזק אסימוב, גאוס הופרע פעם באמצע תהליך פתרון בעיה וסופר לו שאשתו גססה. נטען כי תשובתו של גאוס הייתה: "תגיד לה לחכות רגע עד שאסיים". אנקדוטה זו נידונה בקצרה בביוגרפיה של גאוס שנכתבה על ידי וולדו דונינגטון: "Gauss, Titan of Science", ובה נטען כי זהו סיפור מפוקפק.

המוטו האישי של גאוס היה "pauca sed matura" - "מעט, אך בשל". בהתאם לכך הוא התמיד בסירובו לפרסם עבודות אותן לא החשיב למושלמות ומעל לכל ביקורת, והעדיף ללטש עבודות גמורות שוב ושוב. מחקר של יומניו הפרטיים חושף כי למעשה הוא גילה מושגים ומשפטים מתמטיים רבים שנים ואף עשורים לפני שנתגלו באופן בלתי תלוי על ידי אחרים. היסטוריון המתמטיקה הידוע אריק טמפל בל העריך שאם גאוס היה מפרסם את כל תגליותיו בזמנו, המתמטיקה הייתה מתקדמת בלמעלה מ-50 שנה.

גאוס היה ידוע ביכולתו המדהימה לחישוב בעל פה. כאשר נשאל איך הצליח לחזות את מסלולו של קרס בכזו דייקנות הוא ענה: "השתמשתי בלוגריתמים". השואל רצה לדעת איך הוא מסוגל לשלוף במהירות כל כך הרבה מספרים גדולים מהסתכלות בטבלאות, גאוס ענה: "להסתכל בהם? אני פשוט מחשב אותם בראש".

יחסיו של גאוס עם מתמטיקאים אחרים היו נתונים לביקורת: לעיתים נדירות, אם בכלל, שיתף פעולה עם מתמטיקאים אחרים ונחשב למרוחק ומסוגר על ידי רבים. נאמר עליו שהוא נכח אך ורק בכינוס מדעי אחד, שהתקיים בברלין ב-1828. גאוס סירב בדרך כלל להציג את האינטואיציה שמאחורי ההוכחות שלו, שהיו לעיתים קרובות אלגנטיות מאוד. גישה זו מוסברת במלואה אך בקצרה על ידי גאוס עצמו ביצירתו "Disquisitiones Arithmeticae", בה הוא מכריז כי על הדרך לפתרון הבעיה להיות תמציתית. כמו כן נטען כי גאוס לא תמך במתמטיקאים הצעירים שהמשיכו בעקבותיו. אף על פי שלימד מספר תלמידים, היה ידוע בשנאתו להוראה. למרות זאת, כמה מתלמידיו נעשו למתמטיקאים רבי השפעה, ביניהם ריכרד דדקינד, ברנהרד רימן ופרידריך בסל. גאוס אף ניהל חליפת מכתבים ארוכת שנים עם סופי ז'רמן והמליץ עליה לשם קבלת תואר כבוד מאוניברסיטת גטינגן.

כתחביבים עסק גאוס ותרם לקריסטלוגרפיה (ואף פרסם חיבור על נושא זה), ביוסטטיסטיקה, מדע אקטוארי וכן התעניין במינרלוגיה ובוטניקה. תחום עניין מעט יוצא דופן מבחינת פועלו של גאוס, הוא חקר האפשרות של קיום צורות חיים נבונות מחוץ לכדור הארץ. הוא היה הראשון שהעלה רעיון להעביר מסר אופטי ליצורים חוצניים (על תקשורת רדיו לא דובר אז, שכן היה זה הרבה לפני גילוי גלי הרדיו): לנטוע במדבר סהרה שטח מוריק בן מאות קמ"ר בצורה של תרשים משפט פיתגורס, ואם יבחינו בו יצורים חוצניים, יבינו כי לא נוצר במקרה אלא על ידי יצורים תבוניים אחרים וייצרו קשר עם בני האדם באופן כלשהו.

הנצחת שמו

• עשרות מושגים במתמטיקה
  • ראו קטגוריה: קרל פרידריך גאוס
• מערכת היחידות cgs המכונה לעיתים "המערכת הגאוסיאנית"
  • גאוס (יחידת מידה)
• תמונתו ועקומת ההתפלגות הנורמלית הופיעו על שטר גרמני בן עשרה מארק
• פרס קרל פרידריך גאוס למתמטיקה
• מכתש גאוס – מכתש על הירח
• אסטרואיד 1001 Gaussia
• הספינה ששימשה ב-1901 את המשלחת הגרמנית הראשונה לאנטארקטיקה נקראה גאוס
• הר גאוס המכונה גם "גאוסברג", הר געש כבוי בארץ קייזר וילהלם השני שבאנטארקטיקה
• הר גאוס (ארץ ויקטוריה) - הר ברכס קירקווד בארץ ויקטוריה שבאנטארקטיקה
• מגדל גאוס, מגדל תצפית בגרמניה
• מחקריו של גאוס ופגישתו עם אלכסנדר פון הומבולדט תוארו, בין השאר, בספרו של הסופר הגרמני דניאל קלמן "מודדים את העולם", שיצא בעברית בשנת 2009.
• ב-30 באפריל 2018, לכבוד יום הולדתו ה-241 של גאוס, דמותו וסיפור חייו קיבלו במה במסגרת ה"דודל" של גוגל, במדינות רבות, כולל ישראל.

ראו גם

• רשימת כתבי גאוס
• ציר זמן של המהפכה התעשייתית השנייה

לקריאה נוספת

• Gauss, Carl Friedrich (1965). Disquisitiones Arithmeticae, tr. Arthur A. Clarke, Yale University Press. מסת"ב 0-300-09473-6.
• Dunnington, G. Waldo. (June 2003). Carl Friedrich Gauss: Titan of Science. The Mathematical Association of America. מסת"ב 0-88385-547-X.
• Hall, T. (1970). Carl Friedrich Gauss: A Biography. Cambridge, MA: MIT Press. מסת"ב 0-262-08040-0.
• Asimov, I. (1972). Biographical Encyclopedia of Science and Technology; the Lives and Achievements of 1195 Great Scientists from Ancient Times to the Present, Chronologically Arranged.. New York: Doubleday.
• Simmons, J. (1996). The Giant Book of Scientists: The 100 Greatest Minds of All Time. Sydney: The Book Company.

קישורים חיצוניים

• לירן זיידמן, נסיך המתמטיקאים, הידען, 8 באוגוסט 2009
• יוסי לוי, הכוכב הנעלם והאמד הכחול: משפט גאוס מרקוב ושיטת הריבועים הפחותים, באתר "נסיכת המדעים"
• The Sesquicentennial of the Birth of Gauss (ארכיון האינטרנט)
• מתמטיקאי המילניום, מאת Juergen Schmidhuber
• 
  שגיאות פרמטריות בתבנית:Find a Grave
  פרמטרי חובה [ 1 ] חסרים
• 
  שגיאות פרמטריות בתבנית:בריטניקה
  פרמטרי חובה [ 1 ] חסרים

הערות שוליים

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0

31784991קרל פרידריך גאוס