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14 拓扑学(下)

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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。

微分拓扑

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(piecewise linear manifold)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。 四、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),30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。

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