拓撲學是什麼?歐拉、佩雷爾曼,研究拓撲學的都是什麼神級天才?

2020-12-11 歷史明鑑

拓撲學(topology)是研究幾何圖形或空間在連續改變形狀後還能保持不變的一些性質的學科。它只考慮物體間的位置關係而不考慮它們的形狀和大小。在拓撲學裡,重要的拓撲性質包括連通性與緊緻性。

聽著是不是很難懂?聽過一個神解釋:在拓撲學家眼裡,咖啡杯和甜甜圈是一樣的。

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拓撲學中著名的定理你一定有所耳聞,那就是歐拉定理。

如果一個凸多面體的頂點數是v、稜數是e、面數是f,那麼它們總有這樣的關係:f+v-e=2。

根據多面體的歐拉定理,可以得出這樣一個有趣的事實:只存在五種正多面體。它們是正四面體、正六面體、正八面體、正十二面體、正二十面體。

還有一個有意思的數學問題也和拓撲學有關,那就是四色問題。

1852年,畢業於倫敦大學的弗南西斯.格思裡來到一家科研單位搞地圖著色工作時發現:每幅地圖都可以用四種顏色著色,使得有共同邊界的國家都被著上不同的顏色。

1976年,美國數學家阿佩爾與哈肯在美國伊利諾斯大學的兩臺不同的電子計算機上,用了1200個小時,做了100億種判斷,終於完成了四色定理的證明。不過不少數學家並不滿足於計算機取得的成就,他們認為應該有一種簡潔明快的書面證明方法。

研究拓撲學的數學家思維都異於常人,今天就給大家介紹幾位神一般的天才。

數學史上公認的4名最偉大的數學家分別是:阿基米德、牛頓、歐拉和高斯。歐拉是其中之一,他是瑞士數學家、自然科學家。

幾乎每一個數學領域都可以看到歐拉的名字——初等幾何的歐拉線、多面體的歐拉定理、立體解析幾何的歐拉變換公式、數論的歐拉函數、變分法的歐拉方程、複變函數的歐拉公式……

不僅精通數學,他還是一位全才,據統計他那不倦的一生,共寫下了886本書籍和論文,其中分析、代數、數論佔40%,幾何佔18%,物理和力學佔28%,天文學佔11%,彈道學、航海學、建築學等佔3%,彼得堡科學院為了整理他的著作,足足忙碌了四十七年。

他的死也異於常人,1783年9月18日,晚餐後,歐拉一邊喝著茶,一邊和小孫女玩耍,突然之間,菸斗從他手中掉了下來。他說了一聲:「我的菸斗」,並彎腰去撿,結果再也沒有站起來,他抱著頭說了一句:「我死了」。「歐拉停止了計算和生命」。

第二位是格裡戈裡·佩雷爾曼,他是猶太人,俄羅斯數學家。一位Ricci流的專家,證明了數學中一個重要的未解決的問題:龐加萊猜想。

大學時代的佩雷爾曼就與眾不同,同學們都一致這樣形容:他像外星人一樣聰明,對所學的專業都很精通;在學習上,他很樂意幫助大家。一個叫格奧爾金那維奇的同學回憶說:「他只按他喜歡的方式生活。他對自己的外表漫不經心,經常拎著一個裝滿書的破袋子,穿著一件磨出洞的衣服,頭髮長長的也不去剪。他不吸菸,也不喝酒,是個乖乖仔。大學幾年,他和我們除了數學什麼都不談。儘管我們身邊都是這方面的優秀人材,但毫無疑問,他更出色。」

國際數學聯合會(IMU)曾經決定將有「數學諾貝爾獎」之稱的菲爾茨獎授予佩雷爾曼。然而,面對這巨大的榮譽他竟然選擇了拒絕。他潛心研究、淡泊名利、待人以誠、來去無蹤,十分神秘。

知乎上就有一個帖子「為什麼佩雷爾曼不領菲爾茨獎」,網友笑稱:佩雷爾曼是外星逃亡者,怕曝光後被宇宙同類發現。

相關焦點

  • 拓撲學
    拓撲學(topology)是研究幾何圖形或空間在連續改變形狀後還能保持不變的一些性質的學科。它只考慮物體間的位置關係而不考慮它們的形狀和大小。在拓撲學裡,重要的拓撲性質包括連通性與緊緻性。拓撲英文名是Topology,直譯是地誌學,最早指研究地形、地貌相類似的有關學科。拓撲學是由幾何學與集合論裡發展出來的學科,研究空間、維度與變換等概念。這些詞彙的來源可追溯至哥特佛萊德·萊布尼茨,他在17世紀提出「位置的幾何學」(geometria situs)和「位相分析」(analysis situs)的說法。萊昂哈德·歐拉的柯尼斯堡七橋問題與歐拉示性數被認為是該領域最初的定理。
  • 神秘的拓撲學,起源於遊戲的數學,柔軟的數學
    它所關心的是圖形在彎曲、拉伸、壓縮或扭轉等連續變換下保持不變的拓撲性質。正因為研究這類性質,所以拓撲學獲得了一個更為通俗的叫法「橡皮幾何學」。在拓撲學上,歐拉做出的另一重要貢獻是發現並證明了簡單多面體的歐拉公式:V-E+F=2,其中V是頂點的個數,E是稜的個數,F是面的個數。為紀念歐拉的這一重要發現,德意志民主共和國還曾發行了如右圖所示郵票。
  • 哲學的拓撲學研究
    但是,蒙特費爾並沒有對「哲學拓撲學」給出一個清楚的界定,甚至沒有明確地把它看作是一門新興的哲學學科。事實上,當代許多哲學家都使用了「哲學拓撲學」這個概念,用以強調哲學家思想中的連續性而非斷裂性,但他們更多地是把它看作一種哲學方法論,而沒有從哲學學科的角度或哲學本體論的角度把握這個概念。
  • 吳國平: 拓撲學到底有多重要? 在數學中佔據多高的地位?
    如三角形變成四邊形,角度、長度、面積、形狀等等都很可能發生變化。此時,我們要求大家「摒棄」這些常規度量的性質(如長度、面積、形狀等等這些),只考慮物體間的位置關係,而不考慮它們的形狀和大小,這時候大家又發現什麼?有些人可能有點迷茫,如果一個幾何圖形不去研究周長、面積等等這些性質,那剩下還能研究什麼?
  • 數學中的「拓撲」到底是什麼?
    可以看到,這樣原始的拓撲是非常寬鬆的,它並沒有給集合太強的約束,在這種情況下,集合上的拓撲結構往往非常多,其中最簡單的拓撲由兩個元素組成,也就是空集和集合本身,這種拓撲稱為「最粗」的拓撲,相對的,就有「最細」的拓撲,它由集合的所有子集組成。顯而易見的是,這兩種拓撲都是滿足拓撲公理的。
  • 「拓撲學」:因「七橋問題」而創立的數學分支,還與黑客技術有關
    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」。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。
  • 頂級數學家佩雷爾曼:破解龐加萊猜想,拒絕菲爾茲獎和百萬獎金
    他在研究拓撲學的時候發現了個有意思的地方:若空間內的封閉曲線最後都能收縮匯聚到一點,那這個空間就是個三維圓球。說白了,這就是個關於形狀的猜想,在拓撲學領域中,形狀被稱為流形。龐加萊把他的發現稍作改動,提出了龐加萊猜想:任一單連通的封閉三維流形,必然同胚於一個三維球面。
  • 一道小學數學競賽題,居然是現代數學分支拓撲學的基礎,我服了
    這是一道第六屆華羅庚金杯賽複賽試題,這類最早由數學家歐拉解決,歐拉由此奠定了現代拓撲學的基礎。拓撲學(topology)是研究幾何圖形或空間在連續改變形狀後還能保持不變的一些性質的學科,早期的哥尼斯堡七橋問題、多面體歐拉定理、四色問題等都是拓撲學發展史中的重要問題。
  • 經典拓撲學教程:《一般拓撲學》
    本書是關於一般拓撲的一部經典著作,書中系統介紹了一般拓撲的基本知識。正文共分7章,包括拓撲空間、Moore-Smith收斂、乘積空間和商空間、嵌入和度量化、緊空間、一致空間、函數空間。此外,還有一章預備知識和一個附錄。每章之後有大量問題,作為正文的補充和延伸,有助於讀者更好地理解正文的內容。書末由譯者加寫了一個附錄,介紹了近期拓撲學發展的概貌。
  • 在拓撲學方面的貢獻
    吳文俊從1946年開始研究拓撲學, 1974年後轉向中國數學史研究,30年中在拓撲學領域取得了一系列重大成果,其中最著名的是「吳示性類」與「吳示嵌類」的引入以及「吳公式」的建立。吳文俊示性類是刻畫流形與纖維叢的基本不變量, 1940年後開始起步研究瑞士的Stiefel,美國的Whitney,前蘇聯的Pontrjagin和美籍華人陳省身等著名數學家先後從不同角度引入示性類的概念,但大都是描述性的.吳文俊將示性類概念從繁化簡,從難變易,形成了系統的理論。
  • UTM拓撲學入門經典:​《基礎拓撲學》
    內容簡介:《基礎拓撲學》是一部拓撲學入門書。
  • 一個怪異的科學世界——拓撲數學探秘
    我們都知道現實世界中的事物往往具有固定的形狀。字母 L 與字母 M 不同。但是,在拓撲的遊樂園世界中,數學領域正在逐漸改變我們對世界的看法,通常的規則並不適用。拓撲數學的研究者認為 L 基本上與 M 或 C 或 Z 相同。在拓撲學家看來,一個物體可以通過輕輕彎曲、扭曲和拉伸變成另外一個物體形狀,前者和後者在本質上是相同的。
  • 20世紀拓撲學簡介
    值得注意的是,他們雖都因拓撲學上的成就獲獎,但大都在其他數學領域乃至理論物理和哲學方面取得新的突破,而這正反映了拓撲學的地位。許多人是真正的數學大師,是當今數學界的領袖人物。這12位獲獎者的工作顯示出20世紀拓撲學的發展軌跡。
  • 中國科大微分幾何研究及《微分幾何與拓撲學》叢書
    據了解,他們的研究耗時5年,論文篇幅長達120多頁。王兵說,就像在寫一篇小說,「不同之處在於,靠的是邏輯推導而不是故事情節推動。」《微分幾何學雜誌》審稿人評論認為,這篇論文是幾何分析領域的重大進展,將激發諸多相關研究。菲爾茲獎獲得者西蒙·唐納森稱讚說,這是「幾何領域近年來的重大突破」。中國科大在微分幾何與拓撲學研究方面源遠流長,聚集了一大批人才。
  • 為ML帶來拓撲學基礎,Nature子刊提出拓撲數據分析方法
    不論是以前通過常微分方程或偏微分方程形式化神經網絡,還是這一篇從拓撲學的角度強化神經網絡的魯棒性,也許當更多的數學基礎被賦予機器學習時,它的發展與創新就會變得更加有「規律」。「我們想要控制模型學習到的特徵所在空間,」論文一作 Mattia Bergomi 表示,「這有點像平庸和大師級象棋選手的差別,前者看到了所有可能的棋路,但是後者只看到那些好的路子。」據研究者們介紹,他們的研究只集中解決一個問題:「訓練識別路標的深度神經網絡時,如何告訴網絡只需要關注三角形、環形等簡單的幾何形狀即可。」
  • 淺談「拓撲」
    字典或詞典裡給出「拓撲學(topology)」的意思是指對不受形狀或大小變化影響的幾何圖形或固體物體性質的研究
  • 硬核科普:什麼是拓撲?
    如果你曾經在網上搜索過拓撲,你肯定會遇到將甜甜圈變成咖啡杯的動畫,同樣,我給出的答案也都與此相關:為什麼甜甜圈跟咖啡杯在拓撲結構上是一樣的,立方體和球體拓撲上也是一樣的。但是這樣的答案並不能真正解釋真實的拓撲是什麼,拓撲怎麼應用以及其真正的價值是什麼。
  • 代數拓撲學大師江澤涵
    他毅然歸國,開源拓流,傳揚拓撲學,將自己的美好青春與祖國高等數學的發展緊緊聯繫在一起。1902年10月6日,江澤涵出生於安徽旌德縣的一個小鄉村。由於家境不錯,在很小的時候,江澤涵便進入當地一所小學讀書,在學習中度過了一個美好而又充實的童年。
  • 佩雷爾曼拒絕百萬巨獎的背後
    1904年,他提出有關空間幾何結構的猜想:在一個三維空間中,假如每一條封閉的曲線都能收縮成一點,那麼這個空間一定是一個三維的圓球。這就是著名的「龐加萊猜想」。 華裔數學家、哈佛大學教授丘成桐在接受《科學時報》專訪時說:「三維空間是人類生存於其中的空間,是最重要也是最難於研究的空間。」 龐加萊猜想表面簡單,實則令人迷惑,它的基礎是拓撲學。
  • 分子拓撲學研究獲突破性進展
    「這項研究最大的創新點是:我們首次利用單一分子股線,通過模擬分子伴侶蛋白誘導蛋白摺疊的過程,實現了三種不同分子拓撲結構的構築,完全區別於該領域以前報導的一種合成方法對應一種拓撲結構的策略,大大拓展了分子拓撲學在未來研究拓撲類蛋白功能及構象關係的潛力。」