拓扑法的原理


拓扑法的原理

拓扑学的英文名是Topology,直译是地志学 , 也就是和研究地形、地貌相类似的有关学科 。
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我国早期曾经翻译成“形势几何学”、“连续几何学”、“一对一的连续变换群下的几何学” , 但是,这几种译名都不大好理解,1956年统一的《数学名词》把它确定为拓扑学 , 这是按音译过来的 。拓扑学是几何学的一个分支,但是这种几何学又和通常的平面几何、立体几何不同 。
通常的平面几何或立体几何研究的对象是点、线、面之间的位置关系以及它们的度量性质 。
拓扑学对于研究对象的长短、大小、面积、体积等度量性质和数量关系都无关 。
举例来说,在通常的平面几何里 , 把平面上的一个图形搬到另一个图形上,如果完全重合 , 那么这两个图形叫做全等形 。但是 , 在拓扑学里所研究的图形,在运动中无论它的大小或者形状都发生变化 。
在拓扑学里没有不能弯曲的元素,每一个图形的大小、形状都可以改变 。
例如,前面讲的欧拉在解决哥尼斯堡七桥问题的时候,他画的图形就不考虑它的大小、形状,仅考虑点和线的个数 。
这些就是拓扑学思考问题的出发点 。拓扑性质有那些呢?首先我们介绍拓扑等价,这是比较容易理解的一个拓扑性质 。在拓扑学里不讨论两个图形全等的概念 , 但是讨论拓扑等价的概念 。
比如 , 尽管圆和方形、三角形的形状、大小不同 , 在拓扑变换下 , 它们都是等价图形 。
左图的三样东西就是拓扑等价的 , 换句话讲,就是从拓扑学的角度看,它们是完全一样的 。
在一个球面上任选一些点用不相交的线把它们连接起来,这样球面就被这些线分成许多块 。
在拓扑变换下,点、线、块的数目仍和原来的数目一样,这就是拓扑等价 。
一般地说,对于任意形状的闭曲面,只要不把曲面撕裂或割破,他的变换就是拓扑变幻,就存在拓扑等价 。应该指出,环面不具有这个性质 。
比如像左图那样,把环面切开,它不至于分成许多块,只是变成一个弯曲的圆桶形 , 对于这种情况,我们就说球面不能拓扑的变成环面 。
所以球面和环面在拓扑学中是不同的曲面 。
直线上的点和线的结合关系、顺序关系,在拓扑变换下不变,这是拓扑性质 。
在拓扑学中曲线和曲面的闭合性质也是拓扑性质 。
我们通常讲的平面、曲面通常有两个面,就像一张纸有两个面一样 。
但德国数学家莫比乌斯(1790~1868)在1858年发现了莫比乌斯曲面 。
这种曲面就不能用不同的颜色来涂满两个侧面 。拓扑变换的不变性、不变量还有很多 , 这里不在介绍 。
拓扑学建立后 , 由于其它数学学科的发展需要 , 它也得到了迅速的发展 。
特别是黎曼创立黎曼几何以后 , 他把拓扑学概念作为分析函数论的基础 , 更加促进了拓扑学的进展 。
二十世纪以来 , 集合论被引进了拓扑学,为拓扑学开拓了新的面貌 。拓扑学的研究就变成了关于任意点集的对应的概念 。
拓扑学中一些需要精确化描述的问题都可以应用集合来论述 。
因为大量自然现象具有连续性,所以拓扑学具有广泛联系各种实际事物的可能性 。
通过拓扑学的研究,可以阐明空间的集合结构 , 从而掌握空间之间的函数关系 。
本世纪三十年代以后,数学家对拓扑学的研究更加深入,提出了许多全新的概念 。比如,一致性结构概念、抽象距概念和近似空间概念等等 。
有一门数学分支叫做微分几何,是用微分工具来研究取线、曲面等在一点附近的弯曲情况,而拓扑学是研究曲面的全局联系的情况 , 因此 , 这两门学科应该存在某种本质的联系 。
1945年,美籍中国数学家陈省身建立了代数拓扑和微分几何的联系,并推进了整体几何学的发展 。拓扑学发展到今天,在理论上已经十分明显分成了两个分支 。一个分支是偏重于用分析的方法来研究的,叫做点集拓扑学,或者叫做分析拓扑学 。另一个分支是偏重于用代数方法来研究的,叫做代数拓扑 。现在,这两个分支又有统一的趋势 。拓扑学在泛函分析、李群论、微分几何、微分方程额其他许多数学分支中都有广泛的应用

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