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拓扑学原理

来源:大科普网 | 时间:2013-06-05 | 关注度:794

学科起源

有关拓扑学的一些内容早在十八世纪就出现了。那时候发现一些孤立的问题,后来在拓扑学的形成中占着重要的地位。譬如哥尼斯堡七桥问题、多面体的欧拉定理、四色问题等都是拓扑学发展史的重要问题。

七桥问题

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哥尼斯堡七桥问题

  哥尼斯堡七桥问题

哥尼斯堡是东普鲁士的首都,普莱格尔河横贯其中。十八世纪在这条河上建有七座桥,将河中间的两个岛和河岸联结起来。一天有人提出:能不能每座桥都只走一遍,最后又回到原来的位置。这个看起来很简单又很有趣的问题吸引了大家,很多人在尝试各种各样的走法,但谁也没有做到。
1736年,有人带着这个问题找到了当时的大数学家欧拉,欧拉经过一番思考,很快就用一种独特的方法给出了解答。这是拓扑学的“先声”。[1]

欧拉定理

拓扑学

  拓扑学

在拓扑学的发展历史中,还有一个著名而且重要的关于多面体的定理也和欧拉有关。这个定理内容是:如果一个凸多面体的顶点数是v、棱数是e、面数是f,那么它们总有这样的关系:f+v-e=2。
根据多面体的欧拉定理,可以得出这样一个有趣的事实:只存在五种正多面体。它们是正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体、正二十面体。

四色问题

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著名的“四色问题”也是与拓扑学发展有关的问题,又称四色猜想。1852年,毕业于伦敦大学的弗南西斯.格思里来到一家科研单位搞地图着色工作时发现:每幅地图都可以用四种颜色着色,使得有共同边界的国家都被着上不同的颜色。
1872年,英国当时最著名的数学家凯利正式向伦敦数学学会提出了这个问题,于是四色猜想成了世界数学界关注的问题。1976年,美国数学家阿佩尔与哈肯在美国伊利诺斯大学的两台不同的电子计算机上,用了1200个小时,作了100亿判断,终于完成了四色定理的证明。不过不少数学家并不满足于计算机取得的成就,他们认为应该有一种简捷明快的书面证明方法。

学科简介

Topology原意为地貌,起源于希腊语Τοπολογ。形式上讲,拓扑学主要研究“拓扑空间”在“连续变换”下保持不变的性质。简单的说,拓扑学是研究连续性和连通性的一个数学分支。
拓扑学起初叫形势分析学,是德国数学家莱布尼茨1679年提出的名词。十九世纪中期,德国数学家黎曼在复变函数的研究中强调研究函数和积分就必须研究形势分析学。从此开始了现代拓扑学的系统研究。

等价

在拓扑学里不讨论两个图形全等的概念,但是讨论拓扑等价的概念。比如,圆和方形、三角形的形状、大小不同,但在拓扑变换下,它们都是等价图形;足球和橄榄球,也是等价的----从拓扑学的角度看,它们的拓扑结构是完全一样的。
而游泳圈的表面和足球的表面则有不同的拓扑性质,比如游泳圈中间有个“洞”。在拓扑学中,足球所代表的空间叫做球面,游泳圈所代表的空间叫环面,球面和环面是“不同”的空间。

性质

莫比乌斯曲面

  莫比乌斯曲面

“连通性”最简单的拓扑性质。上面所举的空间的例子都是连通的。而“可定向性”是一个不那么平凡的性质。我们通常讲的平面、曲面通常有两个面,就像一张纸有两个面一样。这样的空间是可定向的。而德国数学家莫比乌斯(1790~1868)在1858年发现了莫比乌斯曲面。这种曲面不能用不同的颜色来涂满。莫比乌斯曲面是一种“不可定向的”空间。可定向性是一种拓扑性质。这意味着,不可能把一个不可定向的空间连续的变换成一个可定向的空间。

发展简史

萌芽

拓扑学起初叫形势分析学,这是德国数学家莱布尼茨1679年提出的名词。欧拉在1736年解决了七桥问题,1750年发表了多面体公式;高斯1833年在电动力学中用线积分定义了空间中两条封闭曲线的环绕数。Topology这个词是由J.B.利斯廷提出的(1847),源自希腊文τόπος和λόγος(“位置”和“研究”)。这是拓扑学的萌芽阶段。
1851年,德国数学家黎曼在复变函数的研究中提出了黎曼面的几何概念,并且强调为了研究函数、研究积分,就必须研究形势分析学。黎曼本人解决了可定向闭曲面的同胚分类问题。
组合拓扑学的奠基人是法国数学家庞加莱。他是在分析学和力学的工作中,特别是关于复函数的单值化和关于微分方程决定的曲线的研究中,引向拓扑学问题的。他的主要兴趣在流形。在1895~1904年间,他创立了用剖分研究流形的基本方法。他引进了许多不变量:基本群、同调、贝蒂数、挠系数,探讨了三维流形的拓扑分类问题,提出了著名的庞加莱猜想。
拓扑学的另一渊源是分析学的严密化。实数的严格定义推动康托尔从1873年起系统地展开了欧氏空间中的点集的研究,得出许多拓扑概念,如聚点(极限点)、开集、闭集、稠密性、连通性等。在点集论的思想影响下,分析学中出现了泛函(即函数的函数)的观念,把函数集看成一种几何对象并讨论其中的极限。这终于导致抽象空间的观念。

一般

最早研究抽象空间的是M.-R.弗雷歇。他在19
拓扑学

  拓扑学

06年引进了度量空间的概念。F.豪斯多夫在《集论大纲》(1914)中用开邻域定义了比较一般的拓扑空间,标志着用公理化方法研究连续性的一般拓扑学的产生。随后波兰学派和苏联学派对拓扑空间的基本性质(分离性、紧性、连通性等)做了系统的研究。经过20世纪30年代中期起布尔巴基学派的补充(一致性空间、仿紧性等)和整理,一般拓扑学趋于成熟,成为第二次世界大战后数学研究的共同基础。
欧氏空间中的点集的研究,例如,一直是拓扑学的重要部分,已发展成一般拓扑学与代数拓扑学交汇的领域,也可看作几何拓扑学的一部分。50年代以来,即问两个映射,以R.H.宾为代表的美国学派的工作加深了对流形的认识,是问两个给定的映射是否同伦,在四维庞加莱猜想的证明中发挥了作用。从皮亚诺曲线引起的维数及连续统的研究,习惯上也看成一般拓扑学的分支。

代数

L.E.J.布劳威尔在1910~1912年间提出了用单纯映射逼近连续映射的方法, 许多重要的几何现象,用以证明了不同维的欧氏空间不同胚,它们就不同胚。引进了同维流形之间的映射的度以研究同伦分类,并开创了不动点理论。他使组合拓扑学在概念精确、论证严密方面达到了应有的标准。紧接着,J.W.亚历山大1915年证明了贝蒂数与挠系数的拓扑不变性。
随着抽象代数学的兴起,1925年左右A.E.诺特提议把组合拓扑学建立在群论的基础上,在她的影响下H.霍普夫1928年定义了同调群。从此组合拓扑学逐步演变成利用抽象代数的方法研究拓扑问题的代数拓扑学。如维数、欧拉数,S.艾伦伯格与N.E.斯廷罗德1945年以公理化的方式总结了当时的同调论,后写成《代数拓扑学基础》(1952),对于代数拓扑学的传播、应用和进一步发展起了巨大的推动作用。他们把代数拓扑学的基本精神概括为:把拓扑问题转化为代数问题,通过计算来求解。直到今天,同调论所提供的不变量仍是拓扑学中最易于计算和最常用的不变量[2]

论研究

同伦论研究空间的以及映射的同伦分类。W.赫维茨1935~1936年间引进了拓扑空间的n维同伦群,其元素是从n维球面到该空间的映射的同伦类,一维同伦群就是基本群。同伦群提供了从拓扑到代数的另一种过渡,其几何意义比同调群更明显,但是极难计算。同伦群的计算,特别是球面的同伦群的计算问题刺激了拓扑学的发展,产生了丰富多彩的理论和方法。1950年法国数学家塞尔利用J.勒雷为研究纤维丛的同调论而发展起来的谱序列这个代数工具,在同伦群的计算上取得突破。
从50年代末在代数几何学和微分拓扑学的影响下产生了K理论,以及其他几种广义同调论。它们都是从拓扑到代数的过渡。尽管几何意义各不相同,代数性质却都与同调或上同调十分相像,是代数拓扑学的有力武器。从理论上也弄清了,同调论(普通的和广义的)本质上是同伦论的一部分。

微分几何

微分拓扑是研究微分流形与可微映射的拓扑学。随着代数拓扑和微分几何的进步,在30年代重新兴起。H·惠特尼(H. Whitney)在1935年给出了微分流形的一般定义,并证明它总能嵌入高维欧氏空间。为了研究微分流形上的向量场,他还提出了纤维丛的概念,从而使许多几何问题都与同调(示性类)和同伦问题联系起来了。
1953年R·托姆(Rene Thom)的配边理论开创了微分拓扑学与代数拓扑学并肩跃进的局面,许多困难的微分拓扑问题被化成代数拓扑问题而得到解决,同时也刺激了代数拓扑学的进一步发展。1956年米尔诺发现七维球面上除了通常的微分结构之外,还有不同寻常的微分结构。随后,不能赋以任何微分结构的流形又被人构作出来,这些都显示拓扑流形、微分流形以及介于其间的分段线性流形这三个范畴有巨大的差别,微分拓扑学也从此被公认为一个独立的拓扑学分支。1960年斯梅尔证明了五维以上微分流形的庞加莱猜想。[3]J.W.米尔诺等人发展了处理微分流形的基本方法──剜补术,使五维以上流形的分类问题亦逐步趋向代数化。
近些年来,有关流形的研究中,几何的课题、几何的方法取得不少进展。突出的领域如流形的上述三大范畴之间的关系以及三维、四维流形的分类。80年代初的重大成果有:证明了四维庞加莱猜想,发现四维欧氏空间存在不同寻常的微分结构。这种种研究,通常泛称几何拓扑学,以强调其几何色彩,区别于代数味很重的同伦论。

学科影响

连续性与离散性这对矛盾在自然现象与社会现象中普遍存在着,数学也可以粗略地分为连续性的与离散性的两大门类。拓扑学对于连续性数学自然是带有根本意义的,对于离散性数学也起着巨大的推进作用。例如,拓扑学的基本内容已经成为现代数学工作者的常识。拓扑学的重要性,体现在它与其他数学分支、其他学科的相互作用。拓扑学在泛函分析、实分析、群论、微分几何、微分方程其他许多数学分支中都有广泛的应用。

微分几何

拓扑学与微分几何学有着血缘关系,它们在不同的层次上研究流形的性质。为了研究黎曼流形上的测地线,H.M.摩尔斯在20世纪20年代建立了非退化临界点理论(摩尔斯理论),把流形上光滑函数的临界点的指数与流形本身的贝蒂数联系起来,并发展成大范围变分法。莫尔斯理论后来又用于拓扑学中,证明了典型群的同伦群的博特周期性定理,并启示了处理微分流形的剜补术。微分流形、纤维丛、示性类给E·嘉当的整体微分几何学提供了合适的理论框架,也从中获取了强大的动力和丰富的课题。陈省身在40年代引进了“陈示性类”,就不但对微分几何学影响深远,对拓扑学也十分重要。纤维丛理论和联络论一起为理论物理学中杨-米尔斯规范场理论提供了现成的数学框架, 犹如20世纪初黎曼几何学对于A.爱因斯坦广义相对论的作用。规范场的研究又促进了四维的微分拓扑学出人意料的进展。

分析学

拓扑学对于分析学的现代发展起了极大的推动作用。随着科学技术的发展,需要研究各式各样的非线性现象,分析学更多地求助于拓扑学。要问一个结能否解开(即能否变形成平放的圆圈),3O年代J.勒雷和J.P.绍德尔把L.E.J.布劳威尔的不动点定理和映射度理论推广到巴拿赫空间形成了拓扑度理论。后者以及前述的临界点理论,都已成为研究非线性偏微分方程的标准的工具。微分拓扑学的进步,促进了分析学向流形上的分析学(又称大范围分析学)发展。在托姆的影响下,然后随意扭曲,微分映射的结构稳定性理论和奇点理论已发展成为重要的分支学科。S.斯梅尔在60年代初开始的微分动力系统的理论。就是流形上的常微分方程论。M.F.阿蒂亚等人60年代初创立了微分流形上的椭圆型算子理论。著名的阿蒂亚-辛格指标定理把算子的解析指标与流形的示性类联系起来,是分析学与拓扑学结合的范例。现代泛函分析的算子代数已与K理论、指标理论、叶状结构密切相关。在多复变函数论方面,来自代数拓扑的层论已经成为基本工具。

抽象代数

拓扑学的需要大大刺激了抽象代数学的发展,并且形成了两个新的代数学分支:同调代数与代数K理论。代数几何学从50年代以来已经完全改观。托姆的配边理论直接促使代数簇的黎曼-罗赫定理的产生,后者又促使拓扑K 理论的产生。现代代数几何学已完全使用上同调的语言,代数数论与代数群也在此基础上取得许多重大成果,例如有关不定方程整数解数目估计的韦伊猜想和莫德尔猜想的证明。范畴与函子的观念,是在概括代数拓扑的方法论时形成的。范畴论已深入数学基础、代数几何学等分支,对拓扑学本身也有影响。如拓扑斯的观念大大拓广了经典的拓扑空间观念。

经济学

在经济学方面,冯·诺伊曼首先把不动点定理用来证明均衡的存在性。在现代数理经济学中,对于经济的数学模型,均衡的存在性、性质、计算等根本问题都离不开代数拓扑学、微分拓扑学、大范围分析的工具。在系统理论、对策论、规划论、网络论中拓扑学也都有重要应用。

其他学科

托姆以微分拓扑学中微分映射的奇点理论为基础创立了突变理论,为从量变到质变的转化提供各种数学模式。在物理学、化学、生物学、语言学等方面已有不少应用。除了通过各数学分支的间接的影响外,拓扑学的概念和方法对物理学(如液晶结构缺陷的分类)、化学(如分子的拓扑构形)、生物学(如DNA的环绕、拓扑异构酶)都有直接的应用。

初等实例

除去七桥问题,四色问题,欧拉定理等,拓扑学中还有很多有趣并且很基本的问题。

纽结问题

空间中一条自身不相交的封闭曲线,会发生打结现象。要问一个结能否解开(即能否变形成平放的圆圈),或者问两个结能否互变,并且不只做个模型试试,还要给出证明,那就远不是件容易的事了(见纽结理论)。

维数概念

什么是曲线?朴素的观念是点动成线,随一个参数(时间)连续变化的动点所描出的轨迹就是曲线。可是,皮亚诺在1890年竟造出一条这样的“曲线”,它填满整个正方形!这激发了关于维数概念的深入探讨,经过20~30年才取得关键性的突破。

向量场问题

考虑光滑曲面上的连续的切向量场,即在曲面的每一点放一个与曲面相切的向量,并且其分布是连续的,其中向量等于0的地方叫作奇点。例如,地球表面上每点的风速向量就组成一个随时间变化的切向量场,而奇点就是当时没风的地方。从直观经验看出,球面上的连续切向量场一定有奇点,而环面上却可以造出没有奇点的向量场。 进一步分析,每个奇点有一个“指数”,即当动点绕它一周时,动点处的向量转的圈数;此指数有正负,视动点绕行方向与向量转动方向相同或相反而定。球面上切向量场,只要奇点个数是有限的,这些奇点的指数的代数和(正负要相消)恒等于2;而环面上的则恒等于0。这2与0恰是那两个曲面的欧拉数,这不是偶然的巧合。这是拓扑学中的庞加莱-霍普夫定理。

不动点问题

考虑一个曲面到自身的连续变换(映射),即曲面的每一点被移到该曲面上的新的位置,连续是指互相邻近的点被移到互相邻近的点,新旧位置相同的点叫作这变换的不动点。随后,每个不动点也有个“指数”,即当动点绕它一周时,从动点指向其像点的向量转动的圈数。拓扑学家们发现,曲面到自身的映射的不动点个数如果是有限的,它们的指数的代数和不会因对这映射做细微的修改而改变,因而可从这映射的某些粗略的特征计算出来。特别是对于实心圆上的映射,指数和恒为1,所以实心圆到自身的映射总有不动点。