突變理論的發展與廣泛應用

2020-12-14 中學生數學園地

20世紀60年代末70年代初,突變理論「熱」轟動一時。菲爾茲獎獲得者、法國數學家勒內託姆從1968年開始陸續發表文章,論述「突變理論」。1972年,託姆出版《構造穩定性和形態發生學》一書,一時風靡全球。

託姆是一位卓有成就的拓撲學家。20世紀60年代以來,他致力於高維空間曲面的研究,用微分拓撲的方法分析曲面的奇點,並進行分類。他考察由不超過4個自變量的函數(一個或兩個)決定的曲面,用局部微分同胚的方法考察奇點周圍的性質,共得出7種基本類型。每一種類型表示一種不連續現象,當變量進入分支區域時,函數可以取n個值,相當於n葉摺疊的曲面,這表明在分支區域內,函數值處於不穩定狀態,即可從一個值跳到另一個值。這正是不連續現象的特徵。

託姆在《構造穩定性和形態發生學》這本書中,用微分拓撲中的結論去解釋胚胎生長的突變、物理光學中的突變以及語言學上的突變等等。許多學科都涉及突然變化現象,這本書為這些突變現象提供了理論支撐,如胚胎學、人性學、醫學、生態學、地質學、光學、激波、船舶穩定,甚至囚犯騷動、戰爭爆發、市場崩潰等等,都可以用突變理論來解釋。

值得一提的是英國沃裡克大學著名的數學教授齊曼在「突變熱」中起了很大的推動作用。當他接觸了託姆的突變理論後,便被吸引住了。他認為,微積分是一種數學模型,它能解釋像地球繞太陽旋轉那樣連續變化的自然現象,並加以計算和預測。然而對於充滿突變和跳躍的自然現象來說,這是太不夠用了。水突然沸騰,火山爆發,房屋倒塌,蝗蟲急速繁殖,病人忽然休克,由量變發展為質變,乃是司空見慣的現象,但迄今為止,還沒有一種數學理論能夠從數量上給出一個模型。現在託姆居然做到了。齊曼十分興奮,他組成一個研究團體,細心鑽研,擴展應用。

齊曼教授稱突變理論是微積分以後最重要的發現。

現在,突變理論在許多領域得到了越來越廣泛的應用。

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