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数学这门学科有多有趣?

发布时间:2019-06-07 10:54 来源:未知 编辑:admin

  中学数学建立在150年前精通数学意味着能够做复杂计算或熟练符号推演这样的传统观念之上。大学数学也就是十九世纪以后的数学相对于过去几百年数学不是内容的扩张而是焦点的转换:从强调计算到注重理解。数学对象不局限于特定函数,而是某一抽象性质的载体,证明不仅仅是按照规则变换对象,而是从概念出发进行逻辑推演。

  古典数学 解题是通过非数值问题编码成数值问题建立数学方程建模计算求解再解码成问题的答案;

  而现代数学解题是不通过编码,直接通过非数值问题建立数据结构(对象,关系及对象上的操作)求得答案。

  这个思想最早的使用是线性代数,把方程表示成线性空间和线性空间的关系及对于线性空间与矩阵的操作(运算),解方程成为对于矩阵的操作(变换)或者是通过矩阵的抽象的对应物映射的核与像的语言描述。

  数学中最深刻的概念是将一个世界的思想与另一个世界的思想联系起来。Manin

  这本书的风格是这样的:力学中最深刻的是分析的两个分支一阶偏微分方程和变分学的联系。

  力学 (豆瓣)整本书就是对于这句话的注解。“力学中最深刻的是分析的一阶偏微分方程和变分学的联系”仅仅是这本书的第五章。 Lie 认为 HJ方程的解是余切丛的拉格朗日子流形的观点 并且表示这是基于微分方程哈密尔顿系统的解保持余切丛的典范二形式的不变的事实

  这本书的附录讲到:欧拉刚体定律的透过李群的提升可以推广到流体力学甚至是达广义相对论,更是杨米尔斯。。。(背后是主丛理论模型及纤维丛与李群关系)

  但是克莱因的这本书真正的重点:高斯的椭圆函数论来自正定二次型和算术几何平均及双纽线的关系;黎曼找到了复变函数和调和分析(函数论)及共形映射(几何)之间的联系。

  到了现代,高斯黎曼的上面的命题单值化和单变量代数函数存在性又被重新抽象为覆盖(纤维丛的离散)的模型中得到统一解答。

  黎曼曲面作为一维代数曲线仅仅是现代数学中的一个开端:代数几何原理 (豆瓣)

  真正的意义不是简单的引出这些科目而是真正的试图探讨一件事情:数学的统一性

  现代数学的开始是建立在概念途径,其基本的标志是:1.接受任意函数概念(任意函数就是说函数仅仅是一种关系的描述,没有显示表达仅仅是抽象表达)承认无穷大;2.关键的是用思想代替计算,更加关注公理刻画的结构;3.承认存在性证明。

  数学理论不应该以公式和计算为基础,应该以一般概念为基础:概念一是用确定性代替了模糊性,另一是很好的证明的工具:例如概念微分形式,单位分解,链,就把流形上的问题转化为欧氏空间的问题。

  而解析表达式和计算工具是理论的进一步发展,方程即使没有显式解但是我们依然可以讨论解的存在性和唯一性,这个是现代数学一个标志性转变:方程有解转化到代数结构的存在性---从高斯的二次互反律到可除代数结构存在性到伽瓦罗定理。

  不能求解的问题往往在数学里不是绝望而是希望:添加了新的概念,新抽象,数学就从此开始了。

  数学的几次抽象过程:小学未知量方程(变量),中学 函数(关系,一代模型),大学 映射(关系),线性代数(二代模型),群(结构),覆盖与纤维丛(映射,关系转化为对象)。

  过程式语言1.分为几个过程;摆和球的碰撞、运动的车上的摆和外部小球的碰撞等等又有很多过程,需要理解每个过程发生的原因和结果---牛顿力学--常微分方程;

  函数式语言2.利用能量定理和动量定理:不需要用对具体过程思考,而是整体黑箱,函数输出输入;(函数)

  面向对象语言3.而把整个过程转化为弦方程的解(曲线,研究曲线振动二阶偏微分方程)将过程转化为对象语言------(对象)

  本质就是随着复杂度的提升,数学从过程式语言转化为面向对象语言:表示动态过程的数学函数转化为映射,而映射转化为了静态结构,通过代数也就变为对象:

  线性代数为什么难学?中间就有映射(关系)的集合转化为向量空间(对象)的思想-对偶空间;

  爱因斯坦的广义相对论的核心思想:动态运动过程转化为函数对象场方程最后到达静态结构本质(时空几何化);

  第一阶段:数学分析仅是一元,线性代数,这是基础中的基础,类似于加减乘除,但是不应该做为反复学习的对象,基础不是简单,而是根本,是更高层次的思考。

  第二阶段:拓扑学,微分几何初步,仅涉及去曲面和学习外微分形式,复分析,抽象代数,第三阶段:李群,微分流形,泛函分析及微分方程,第四阶段:复几何,代数几何 代数拓扑

  a.抽象代数与线性代数的关系:每个线性空间是一个加法交换群,换句话说线性代数仅仅是群论的一个特例,线性空间可以转化为环上模,然后线性映射分解定理Jordn基本型分解转化为模空间的分解;

  循环群(基本模型整数加法群)是挠群也是有限生成阿贝群的结构基础,循环群是区别线性代数(域论)和抽象代数(环论整数)的关键,换句话说抽象代数是线性代数理论增加了数论的基本方法和基本思想。阿贝群(交换群)推广了整数加法的算术。

  b.张量空间的本质是向量空间增加乘积(结合律)后的代数,它是直接类比是非交换的多项式;----理论物理中的概念只能放在《抽象代数》层次才能给出直接的理解,这是学习理论物理最大的诀窍

  现代微积分的框架是建立在拓扑向量空间之上的,而微分算子和积分算子都是拓扑向量空间之间的连续线性算子。函数空间的度量是利用内积的积分形式表示的。

  微积分基本定理(微分与积分的关系),中值定理(连续性),泰勒公式(函数局部图像),隐函数定理(方程有解条件)--四大基础定理;函数从单变量到多变量向量值的转变;一维区间连续函数性质中值定理不动点;二维是复分析儒歇定理环绕数;三维是向量场(梯度旋度积为0定义同调群);向量场推广就是K形式和Frobenius theorem。

  ,但是它过于完美(局部等于整体)过于特殊(二维),而面对现实复杂的四维数学对象,所以我们需要从高维往下看,最好的比

  较对象就是四维Yang-Mills对象:联络等价于黎曼曲面上复变函数;求导得到全纯和反全纯对应霍奇算子下的曲率分解,孤立子就是反自对偶联络S. K. DONALDSON---这就是学习复分析真正的含义

  复分析是综合性很强的学科,有很多角度和方法:偏微分方程角度……狄利克雷问题,群角度……莫比乌斯变换延伸是单值化原理,代数拓扑初步……同调同伦――stokes定理(包含了向量场分析),代数几何起点――椭圆函数

  最基础的是解析函数的局部整体性质等价:黎曼柯西方程等价与解析函数等价于幂函数等价于共形映射。

  2.就是承认自己有不会的东西,有犯错的可能性,但是,知道在那本书,那个数据库中寻找自己的问题的答案。

  数学中对偶是最为令数学初学者困惑的概念之一。两个不同数学对象的对偶来源于同一个对象自对偶:自对偶的本质是元素本身的两个不同表示,类比计算机科学中一段代码既可以看做程序也可以看做数据。

  向量空间同构于其自同构环上模;群同构与其自同态环上模,阿贝群同构于整数环上模;【Artin–Wedderburn theorem:有限长度单环同构于某个可除代数的矩阵环】-----有限群表示论基本定理;抽象环同构于某空间(概形)上函数环;交换bananch代数x同构于紧可分拓扑空间上连续函数代数的子代数,紧可分拓扑空间是代数x的极大理想这个思想在数学中是起到决定性作用:代数几何,泛函分析,代数拓扑;也是最古老的数与函数的类比------沙法列维奇

  2.泛函分析的本质思想就是一切皆对象:(曲线,曲面,函数,泛函,算子)都成为对象空间的点,定义范数测定性质,完备性决定递推计算完全收敛--空间的封闭性,将计算和各式各样的问题转化为对象存在性和唯一性问题。

  Banach 的几个定理(一致收敛定理。。。)仅仅是说明如何复杂的条件下都有一个正规空间

  3.定向在《微分几何》中是用定向丛的整体截面表示,而有序性在《抽象代数》中用赋值环表示:数学性质利用对象的结构来讨论,这是数学最精道的思想。

  4.读数学最惊奇的在于:方程不需要求解就可以知道解的大体性质(本质借助抽象概念和系统结构参考阿诺德的《常微分方程》),而这条原则的基础在代数和几何理论的推理。研究偏微分方程(抽象,一般的问题),原则上转化为理解方程背后的具体,特殊的物理意义和几何意义,也就是方程的来源,这是先验估计和拓扑学研究其解的整体的思想背景。-------丘成桐

  5.在数学中常见到的一个似乎具有很大普遍性的概念实 质上与一个小的具体的特例是一样的. 通常,正是这个特例 首次揭示了普遍性. 阐述“在实质上是一样”的一个精确明晰 的方法就如同一个定理表述. --------P. R. Halmos 例如:一个有界线性泛函的抽象概念表面上看来具有很 大的概括性,然而线性泛函的Riesz定理:固定一个在内积中的向量就定义了一个有界 线性泛函;事实上,每个抽象概念都是以具体特定的方式 产生出来的,这个定理也是。证明就是把直观写作形式(直观的例子经过抽象得到数学)。

  6.对象具体的坐标变换表示转化为表示论:古典的坐标表示对象和几何带来了无限多的复杂计算:微分,张量这些关于坐标的计算都是非本质需要的。将几何对象赋予坐标是野蛮的一件事—————外尔。

  所有的关于坐标的都转化为群语言(同态和同构,自同态)描述,李群和李代数可有表达所有与坐标无关的计算。坐标变换看做拓扑群-----Norman Steenrod

  7.向量丛可以当成流形,嵌入映射,向量空间参数化,局部自由层,四种定义,每个都很有用,特别在理解底流形的曲线提升到丛空间时。

  学习《泛函分析》不会仅仅读泛函分析的书,而会去读偏微分方程,量子力学,微分拓扑,甚至一本概率和表示论的书:微分拓扑的很多问题可以重新翻译为泛函分析语言。—Hirsch 《微分拓扑学》;代数几何与泛函分析有很深的类比:赋值与范数,希尔伯特零点定理与Banach 代数极大理想。

  将数学中所有关于一般位置(微分拓扑,微分几何,代数几何),几乎处处(实分析)等等的概念翻译成大概率和小概率事件,所有的这些含糊不清的字眼都可以有具体的实现甚至是精准的估计,这就是统计学的对于理论数学真正的意义所在。

  按照这个思想准备,我们可以给以《实分析》这个学科下一个定义:实分析本质是对古典分析(尤其是黎曼积分的定义和交换性)的推广,及给予离散和连续现象统一的语言,最后是给予概率统计学严格的表述工具萨德定理:微分流形之间的光滑映射,则 N 的几乎每一点都是 f 的正则值。换句话说,f 的临界值在 N 中只是一个零测集。但是,其实是说,在适当的光滑性条件下,正则现象是通有的(generic),其几率为 l,而临界现象的几率为 0,常常可以忽略不计。

  其三,知道数学过程中语言和表示改变:古老的教科书和书籍会出现误导人的问题1.一阶偏微分方程利用的是解一组常微分方程组的办法,而现代解法是利用微分形式;

  3.层概念过去是代数函子方式,现代则有被一般化为某个合适的映射的截面的芽的层;

  4.曲率,联络,切向量场的计算放在丛理论计算中,而不是流形本身。――提升

  9.扩张是多项式的语言,同时代数拓扑学中同伦提升性质对偶于同伦扩张性质,这导致纤维化问题

  1.量子力学与现代数学:狄拉克表示在数学中就是 c*代数狄拉克的符号本质是通过希尔伯特空间Riesz对偶表示定理(f(x)=(x,f))将薛定谔的波函数和海森堡的矩阵法等价;将泛函分析解释为无穷维(函数域)的表示论,魏格纳:量子场论中粒子是庞加莱群(非齐次洛伦茨群)的表示,利用李群和李代数指数关系:得到时间演化生成子是哈密尔顿算子,平移群的生成子是动量算子

  2.广义相对论与拓扑学:爱因斯坦的真空方程导致的里奇流方程解决三维拓扑问题。物理基本常数都是和几何量相关联--Frank Wilczek

  爱因斯坦和玻尔对于量子力学的本质的真正分歧是:爱因斯坦的理解是从黎曼几何角度考世界,黎曼几何是内蕴,是无关与嵌入和外在世界或者观察者作用,而量子世界是与观察者有关,与测量有关。其实这个用形变可以在形式上解决问题。

  3。微分几何与变分学的关系:微分几何是从局部推理整体性质而变分学是从整体推理局部;变分学在理论物理中应用极为重要:自然界里的平衡状态和运动状态可以用某种极小性质刻画

  每次我读数学书和计算机书都是感觉自己学会不少思想和概念,但是一段时间不读,我就忘记了,感觉还是什么也不懂,然后我就又回去读了。后来知道了如何使用数学指南 (豆瓣)

  知道了知识的联系和逻辑继承,又知道抽象和复杂的关系,最后知道了数学成熟度,慢慢就不担心自己的遗忘了

  附记:数学抽象的意义:1. 四维黎曼流形的大多数几何性质可以利用SP(1)表示来理解,对称张量就是SP(1)的表示,对称张量同构于多项式代数。利用抽象,就把复杂的几何问题转化为代数运算。

  SO(3)的基本群的元素是SO(3)的闭曲线,这个闭曲线)的点集合,但是SO(3)的点不是通常空间我们想象的点,而是每个点都代表了旋转。----------这就是SO(3)三维空间旋转群最为抽象和初学悖论的感觉

  J. W. Milnor的《莫尔斯理论》最初几页让人难忘:其实就是把过去一直平躺的环面竖直了,然后就没然后了。

  代数拓扑的微分形式 (豆瓣)(博特这本书真正的意义是给阿蒂亚博特指标定理搭建了一个脚手架,现代数学也就这样从莫尔斯定理到阿蒂亚指标定理再到杨米尔斯场的唐纳森的不变量分为代数几何的和到威腾的物理引申)

  附注:我开始懂了:德拉姆复形,庞加莱对偶(配对本质泛函关系)=Tom类=拖回(理解沿纤维积分)-欧拉类(高斯博内特:从积分到高斯映射拓扑的映射度的表达,庞加莱霍普福定理)-切场零点和-Stiefel-Whitney。用拓扑空间上局部常数函数组成的空间的维数定义空间连通分支的个数,

  是的,我理解了很多,但是,我还是无法理解为什么tom类原始证明是个比较直观的几何构造,到了博特这里出现了推前构造?(本质是K理论)

  直到有一天我读了维基中关于格罗滕迪克的关于黎曼罗赫定理证明的,后来我就理解了推前构造,并且读了代数几何中的拓扑方法 (豆瓣)

  然后我就理解了这本书全部奥秘,Hirzebruch通过托姆配边定理证明了流形的指标是庞特里亚金类的多项式的假设,然后就得到了高维的黎曼罗赫定理。格罗滕迪克代数化了这个定理得到了簇间的黎曼罗赫定理(簇间映射分解为投影和嵌入的形变)。博特和阿蒂亚通过整性概念的引导借鉴了Lefschetz复解析流形不动点定理,可以得到那个我一直不能理解的李群李代数最重要的公式外尔指标定理

  (附注:代数的概念:0维模是挠模,1维模是循环模,n维模主理想模-诺特模;

  域(代数扩张--嵌入,代数闭包,伽瓦罗定理,)-整环(整扩张,整闭包,希尔伯特零点定理,)-交换环;

  交换代数的第二个角度:利用素理想实现几何的点概念,实现类比点集拓扑的性质。

  关键的运算或者操作:局部化(模素理想保正合性和诺特性质),完备化(点集拓扑性质类比):Artin-Ree引理本质是子模的拓扑和诱导的拓扑等价,其导出了完备化的正合性;交换代数的唯一性-Krull定理类比复分析中解析函数由泰勒展开系数唯一确定拓扑可分性的定理的代数描述)

  抽象代数的底层或者的起点是复杂的多项式,线性代数,数论,组合学计算和定理:线性代数中的Cayley–Hamilton 定理推理出抽象代数中Nakayama引理(交换环上有限生成模同构于域上向量空间),中山引理的整体定理Serre–Swan定理:交换环的投射模同构紧空间的向量丛---维基Nakayama lemma

  这些书的前言都提到了数学成熟度。它的含义是:什么是值得读,什么是不值得读的,什么是重点,什么是次要,什么是关键, 这些都需要一定经验和知识储备体系才能达到,需要时间和思想的抽象的提升,当数学的抽象概念从刚性变为柔性,概念就转化为自己的工具。类比侦探是目的是正义和公平,而其技术基础在于:细节,线索,交叉点,但是拼的是见识-----这就是成熟!

  读数学书不能总是停留在低级教材,这样不能提高自己的水平,读一些通论,读一些水平比自己知道的要高一些的书,这样才能有助你的理解和提升。

  读完这些书或者没有读懂这些书怎么办?学真正的学习的框架体系是什么?英文经典书或者关键学者著作和英文论文构造的,书和论文两者都不可缺少数

  研究的对象是真实的世界,而教材的对象是模拟的世界,人为的世界。数学就是学抽象,在抽象上构造新的几何直观,研究复杂度,

  阿蒂亚辛格指标定理------它是现代数学和理论物理最低入门界限。S. K. DONALDSON的论文可以作为现代数学起点

  学习数学或者推广到所有的学习:独立思考是最好的学习方法,理解是最好的记忆。

  组合学就是研究双射,双射具体表示是集合的排列(一大堆等价模型:编码 函数 序列 树),排列模型的组合参数量: 圈 下降集逆序。(欧拉)其中用图路径计算代数的结构和不变量是代数与组合的关键联系。

  关键内容是有限域结构的几何表示和模型:平面直线构型,图论模型,几何体的分解(平面凸体组合学),拓扑变换(连续形变下不变的性质),集合的分解和组合(图形分解无数个可以重新组合的点集合)

  书中最实用的结论:香农信息论定理,它本身是一首关于数学的诗:组合学图论的模型,概率论的概念与公式,凸优化(线性规划)的方法。让人联想到黎曼的代数函数存在性的证明:转化为流形上热方程的解的存在性又联系到高斯的局部微分几何证明。所以,好的数学结构会反复出现在数学各个角落。

  2016.6.12读华罗庚的数学书,经常感觉一种智慧,仿佛深夜中的一道闪电,深深觉得学的有味道,但是学不会;读西方学者的书,经常读到一种思想,就像太阳升起的规律,通过反复练习和思考,可学的

  数学最开始学习的坑:其一,误认为数学直接就是创造,或者是智慧,数学大多数时候都是学习阅读思考数学的定理和概念并建立新的联系;其二,误认为数学就是与实用有关,或者是组合术,其实数学是抽象,抽象才能更深入的更本质的看待世界。其三,误认为数学就是计算,其实现代数学都是利用思想替代计算

  有限非Abel(阿贝尔)群中的平衡,表示,和因子分解问题.有趣的是,这些问题可以看做是Rubik魔方 的推广。----抽象的理论负载在具体的模型中,数论如此,类数论的群论如是之,物理如此。重新复习希尔伯特那句话:

  2016.10.25探讨了那么多数学的美丽的思想和关键的定理,现在要探讨数学的困难:

  也许我更应该提醒大家的是,某些内容一时看不懂其实无伤大雅。我在从事数学研究时,有90%的时间会有不甚明白的感觉,所以,不必紧张,欢迎来到我的世界。困惑(有时甚至是挫败感)是数学研究的一个必不可少的组成部分。

  为了研究数学现象,从开始起唯一明显的困难就是,首先必须对数学的主要领域有个全面的、大概的了解

  数学与雕塑一样,普通的木头里没有埋着定理。但从外面却看不出里面究竟埋着什么,只好雕刻着看。数学中的雕刻就是一边进行繁复的计算,一边调查文献,决不是简单的。在许多情况下什么结果也没有。

  学习和研究数学应该是一门充满快乐的艺术和一种高水平的游戏。你需要游戏,你需要用心,需要乐于探索。

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