「拓撲學」:因「七橋問題」而創立的數學分支,還與黑客技術有關

2020-12-11 數學真美

在今天的生活當中,網絡對我們生活的影響無疑是巨大的。

在網絡當中,隱藏著一個重要的數學分支——「拓撲學」

這麼重要的一個數學分支,卻是由「哥尼斯堡七橋」的故事引發而建立的。

今天我們就來講一講這個有趣的小故事:

這個小故事是這樣的:在哥尼斯堡的一個公園裡,有「七座橋」將普雷格爾河中的「兩個島」以及「島與河岸」連接起來(如上圖)。

哥尼斯堡的居民們常常在這些橋上散步,久而久之,他們發現了一個有趣的問題:人們無論從A、B、C、D這四塊陸地的哪一塊出發,再回到起點,結果發現,他們要麼會漏掉一座橋沒走,要麼一座橋要走兩次,都不可能「不重不漏」地恰好通過每一座橋。

這個問題被發現之後,很多人對此頗有興趣,紛紛進行反覆實驗,想一次性「不重不漏」地走完每一座橋,結果都失敗了。

人們只得求教於大數學家歐拉,歐拉經過對七橋問題的深入研究,提出了著名的「一筆畫定理」。

歐拉以此定理作為「判斷準則」,很快得出了這樣的結論:要一次不重複地走遍哥尼斯堡的7座橋,是不可能的。

歐拉繼續對該定理進行深入地研究,意外地取得了很多重大的數學成果。

1736年,29歲的歐拉將這些成果寫成論文《哥尼斯堡的七座橋》遞交給了科學院,從此一門具有劃時代意義的數學分支「拓撲學」誕生了,標誌著人類光輝燦爛的數學史又翻開了新的一頁。

拓撲學是建立在「幾何學」與「集合論」之上的重要數學分支,它只考慮物體間的「位置關係」而不考慮它們的形狀和大小。

1851年,德國數學家黎曼在「複變函數」的研究中創立了「黎曼面」的幾何概念,在研究「函數」、「積分」的過程中,使用「拓撲學」原理解

決了「可定向閉曲面」的「同胚分類」問題。

在此基礎之上,法國數學家「龐加萊」在關於「複函數」的「單值化」和關於「微分方程」決定的「曲線」的研究中,引入了「拓撲學」理論,從而建立了「組合拓撲學」,創立了用「剖分」研究「流形」的基本方法,提出了著名的「龐加萊猜想」。

拓撲學的「基本內容」已經成為現代數學研究者的「常識」,已經滲入了其它各大數學分支。

「拓撲學」與「微分幾何」學有著最為緊密的關係,相互從各個側面對「流形」的性質進行研究。在「泛函分析」、「實分析」、「群論」、「微分方程」中都有著重要的應用。

「拓撲學」對於現代「分析學」的發展起到了極大的推動作用。「分析學」如果沒有「拓撲學」的幫助,將寸步難行。

在網絡時代,常聽到一個詞:「黑客」,而黑客的專業叫法為「網絡安全分析師」,黑客們都是精通「分析學」的高手。

我們把網絡中的計算機、通信設備、工作站、伺服器等「網絡單元」抽象為一個「點」,把傳輸介質(電纜)等抽象為一條「線」,由「點」和「線」組成的「幾何圖形」就是計算機網絡的「拓撲結構」,黑客便是自由馳聘於「拓撲結構」中的技術精英。

事實上,我們最初的網絡就是由黑客們建立並運轉起來的。

不過,現在所謂的「黑客」這個詞,似乎已經變味了,對此,你有什麼看法呢?歡迎留言討論。

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