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第三百八十一章 拓扑学(拓扑学)

1966年,英国拓扑学家马克·阿姆斯特朗对自己的老师知名拓扑学家 Erik Zeeman说:“拓扑学是如何开始的?”

Erik Zeeman说:“从欧拉的七桥定理开始的,从这个中间把七桥的模型画成图论,从图论中分析出拓扑等价。”

马克说:“听起来很简单,那如何去研究拓扑学呢?”

Erik Zeeman说:“主要就是分类,对不同的拓扑结构进行分类。分类出很多曲面,对曲面解构成抽象空间,然后找到拓扑不变量去分类。”

马克说:“那要分类很多曲面,是什么曲面?有标准吗?”

Erik Zeeman说:“是的,要严格的连续曲面,不能是离散的。”

马克说:“如何说明是连续的?”

Erik Zeeman说:“就跟我说的一样,这是一个抽象空间,这个空间需要由开集和闭集这样的东西给组成。然后开集和闭集需要引入连续映射系统来完整这个函数的描述。”

马克说:“为什么要用开集和闭集这样的东西?”

Erik Zeeman说:“因为严格。如果使用几何、数字、符号或者是其他的描述拓扑的系统,都缺乏严格性。如果时间久了会出现很多我们不想要的漏洞。”

马克说:“我明白了。”

Erik Zeeman说:“在这样的前提下,就可以大胆的研究映射,让曲线充分的施展开来。可以让普通的曲线因为映射充满整个空间。同时开始使用tietze扩张定理。”

马克说:“扩张?如何扩张?”

Erik Zeeman说:“是R的n维空间的有理点集,扩张到整个空间。”

马克说:“扩张到所有的无理点集?”

Erik Zeeman说:“恩,是这个意思。”

马克说:“不错,可是刚刚说的这个开集和闭集,这个如何算严格,怎么去连续,变得光滑?”

Erik Zeeman说:“需要有紧致性和连通性,加有界闭集这种概念。闭集是bai两边类似[1,10];有界集两边是(1,10],[1,10)两种。”

马克说:“有界之后,如何紧致化?”

Erik Zeeman说:“这是海涅-博雷尔定理或有限覆盖定理、定理的主要内容是度量空间的子集是紧致的,当且仅当它是完备的并且完全有界的。”

马克说:“是子集紧致就行吗?那能不能在详细一些,紧致空间的性质是什么?”

Erik Zeeman说:“紧致性本质上是有限性条件,有限性条件破解类似一日之椎,日取其半,万世不可遏这样的意思。假如孙悟空在如来的手掌心翻跟斗,跟斗云是一个任意序列,停在如来的手指旁是存在一个子列收敛,留下到此一游的字和撒尿是在一个有界的闭集里。或者一个瓶子里装高尔夫球后,可以装石子,然后还可以装沙子,最后还可以装水,这都说明原来的东西不够紧。这些都可以作为例子来想。”

马克说:“不错,这个解释变得清晰了一些。”

Erik Zeeman说:“然后,就需要了解乘积空间。”

马克说:“乘积空间是干什么的,是要把拓扑空间乘起来吗?”

Erik Zeeman说:“没错,打个比方,就是R的n维空间是n个R直线乘起来的。”

马克说:“这个是在高维度实数坐标中的一种比喻。”

Erik Zeeman说:“现在开始研究连通性。如果非空的A和b都是分离并,他们都在x中,一般是不连通的。”

马克说:“什么?”

Erik Zeeman继续说:“如果x让分离并连通了,就称之为连通的。”

马克说:“R的n维空间是连通的吗?”

Erik Zeeman说:“是连通的。”

Erik Zeeman:“拓扑世界有两种,一个是连通,一个是不通。”

马克说:“如何去判定这些?”

Erik Zeeman:“比如一个实心圆球内部是处处通,若有一个洞,这个洞不通。”

马克觉得研究拓扑,终归就是说很多东西是不是等价的,或者是符合什么什么特性的,他说:“为了这是干嘛?是为了给各种不同的拓扑进行分类?这是最合理的分类方法?”

Erik Zeeman:“没错,之后谈拓扑分类时,都是用道路连通性这类符号去运算各种东西的。毕竟拓扑不看尺寸的长短和面积的大小之类的东西。计算的是一种性质,类似洞数等等之类的,同时也要研究这些不同拓扑直接是否是同一种类型。”

马克说:“然后运算是如何远算的?有四则运算这种吗?”马克脑子里有点晕,在想数字计算的事情,没有用心问问题。

Erik Zeeman:“拓扑中远算往往要做一些工作,一般讲一些复杂形状是如何用简单形状组成的。但此组成也不像简单的垒积木和焊接那么简单。”

马克笑说:“我当然知道你想说的是莫比乌斯带或者克莱因瓶,他们需要对材料进行一些翻转或者变形之后,才能组合在一起。”说到此处,马克在想长条粘贴旋转一遍时是莫比乌斯带,旋转两遍的时候那是什么?虽不是莫比乌斯带那么,但是也不是正常形状。但马克没敢说这些,因为太魔性了。先收一收搞好学问吧。

Erik Zeeman:“没错,这确是拓扑特点。明白这些拓扑粘合的灵活性。还有一个,就是复杂形状的拓扑是由简单拓扑形状粘合形成。那就需要问,什么是简单的拓扑形状?也就类似堆积木的积木是什么样的?这样的东西是最简单的吗,是不是还可以更简单。这些简单的元件拓扑,也是研究对象。”

马克说:“那当然,这是必须的,拓扑元件知道怎么弄,才能知道拿什么东西去粘。而元件往往就难免的涉及数学中群的知识了。群就是研究数学对象的各种元件的,拓扑肯定也是需要群分类,群运算也需要了。”马克才想起刚刚说四则运算是不合适的。

Erik Zeeman:“没错,弄清一堆元件后,我们就敢粘贴了,而粘贴的时候必须弄好顺序,先粘哪个,后粘哪个,这种先后顺序就是轨道空间。不同的轨道空间,肯定会粘出不一样的东西。”

马克说:“没错,然后我们就要开始这些工作了。”

Erik Zeeman:“走到这一步,想必要让自己思想升华一下了,其实知道拓扑学的计算本质后,那是不是就跟数学中图论的东西是相似的,毕竟图的形状,里面也包含洞这些信息,唯一不同的是,图论中连接点和传输线的权重不一样。而拓扑学中这些节点和连线都是平等的。”

马克说:“所以一个个等价的拓扑形状,就成了......”

Erik Zeeman:“这种等价称之为同伦。”

马克说:“这是?”

Erik Zeeman:“一个形状,通过连续变化,变成另外一个形状。不破坏其中洞,或者亏格。”

马克恍然大悟道:“所以开始要构造基本的这些群,使用同论这个方法,可以让一个很简单的形状变成各种各样的样子。这些样子当然都是同一类的。之后我们去计算这种各种各样的映射了。一个简单的拓扑元件会出现各种各样同伦型。但是如何很多同伦型的变换物放在一起,也难以判断出这是否是一个简单的元件同伦变换出来的。”

Erik Zeeman:“布劳威尔不动点定理可以解决这个麻烦的问题。”

马克知道布劳威尔不动点,但头一次听说要解决这个问题。

Erik Zeeman:“只要是同一形状的各种不同映射,变化出千变万化的各种同伦型的拓扑形状,那他们的布劳威尔不动点一定是相同的。”

马克兴奋说:“太好了,很机智。”

“然后大战拳脚了吧。”

Erik Zeeman说:“没错,在研究一些复杂平面的时候,我们可以分而治之,把平面都分成一个个简单的形状,这就是我们研究复杂问题的办法。”

“然后研究清楚了,最后粘在一起?或者说那种分离开,我们也要知道他们怎么粘的才对。”

Erik Zeeman说:“我们把这些每个分开的东西的边际研究清就行,这在前面的连通性中,已经说清了。”

马克指着一棵树,上面有一个扭曲的木头,马克说:“我们研究这个扭曲的木头,里面的旋就算一个洞。我们对这个空间进行刨分。”

Erik Zeeman说:“在这里刨分完后,要对每一个被分开的东西,进行编号,存在的依据就是其中心,也就是重心出。有几个重心,就代表分成了几个形状,以此方便研究。”

马克说:“然后尽量分成最基本的单元,分到不能再分处。”

Erik Zeeman说:“这就是单纯逼近。”

马克说:“如何能够实现这一过程呢?主要是看什么呢?”

Erik Zeeman说:“不看这个扭曲的树,打个比方,我们挖出来一个钻石原石,要把他们分成简单的四面体一类的形状,当然不是钻石那种的。我们尽可能剩下材料,不浪费任何一个区域,尽可能多的去切割。”

马克说:“听起来很困难啊。”

Erik Zeeman说:“需要对原来石头的棱进行测量和分析,这就是复形的棱道群,再根据此,进行轨道空间的单纯刨分。尽量分的要合理,一步步来。当然结果就是得知轨道和对应的元件单形。”

马克说:“确实难,但极具备实用性。”

Erik Zeeman说:“切割钻石是三维空间,而我们要面对的很多更加复杂的高维复形。”

马克说:“那怎么办,听起来不见得,让人望而却步啊!”

Erik Zeeman说:“先对其进行分类,其中要得到轨道和单形,所以要把轨道定向工作做好。而分类的过程,要看总体的欧拉示性数,然后把割开和修补进行运算,着都用对应的运算方式。曲面需要很多符号来表示,方便区分和运算。”

马克开窍也快的说:“之后要用同调理论,使用一个有方向的轨道,结合每个拓扑的边缘加上方向,然后对不同复杂形状,分析其形状是否可以连续变换得到。本质上是拓扑变成类似图的一种计算和对比的过程。其中轨道联系单形会以一串数字来表示这种组成。这里很多就会涉及到链,和很多单形的边缘。直接把单形边缘放入轨道中,形成一个链子,这个链子就是带着方向和组合方式的长链。”

Erik Zeeman说:“想想,世间万事很多都可以用同调论,同调论不仅在微分几何、复变函数、代数几何、抽象代数、代数数论、微分方程、对策论等其他许多数学分支中有着广泛的应用。而且在自然科学和其它工程技术领域的许多学科诸如:电路网络、理论物理、计算机、电子通讯、现代控制理论乃至原子核构造理论等学科都具有广泛的应用。已成为现代数学及现代技术领域中不可替代的基础工具之一,也是非数学类众多领域的本科生及研究生必修的数学基础课程。”

马克说:“是的,它可以让很多问题变得简单化。”

Erik Zeeman:“同调群也需要分类研究,以示方便研究复杂形状。在此过程中免不了会有单纯映射这种简单的,也有辐式重分的相对复杂的。区分其中复杂形分类的时候......”

马克说:“也需要有布劳威尔不动点之类的不变量。”