先以闵可夫斯基问题试身手

书名:大宇之形(第一推动丛书·宇宙系列)
作者:丘成桐 史蒂夫·纳迪斯
译者:翁秉仁,赵学信
出版社:湖南科学技术出版社
出版时间:2018-09-01
ISBN:9787535794482


一、练手

   但是即使已经具备了这些工具,仍然有许多准备工作要做。第一道难关,是在此之前,除了复一维的情形外,还没有任何人解过复系数蒙日—安培方程。就像登山者不断挑战更高的山岳,丘成桐则是向更高维挑战。为了培养攻克高维蒙日—安培方程的实力(它们有多么非线性是不消说的),丘成桐和他的朋友郑绍远开始研究某些高维的题目,先从实数的情况着手,然后再对付更难的复方程。

   首先找上的是闵可夫斯基在19世纪与20世纪之交所提出的著名难题。闵可夫斯基问题涉及先取一些预设信息为条件,然后判定符合这些条件的结构是否存在。以一个简单多面体为例,当你检视这样的结构时,可以借由其面数、边数和尺寸来刻画它。而闵可夫斯基问题则是反过来问:如果被告知面的形状、面积、数目和方向,你能否判定有没有符合这些条件的多面体?若有的话,是否唯一?

  实际的闵可夫斯基问题的范围更广,因为它适用于任意的凸面(convex surface),而不只是多面体。其中各面的方向条件,则改用曲面各点的指定曲率来取代,而这些曲率则是各点的法向量(normal vector)所对应的函数值,这相当于描述曲面各点所指的方向。然后你可以问,具有上述指定曲率的物体是否存在。
  将问题这样表述的一大好处,是问题不再以纯几何的形式来呈现,它也可以写成偏微分方程。纽约大学理工学院的鲁特维克(Erwin Lutwak)解释说:“如果能解出这个几何问题,附带还可以得到一项大礼:你同时也解决了一个可怕的偏微分方程。几何和偏微分方程之间的交互关系,是这个问题如此重要的原因之一。”

二、连续法

  郑绍远和丘成桐找到一个方法来解这题,论文在1976年发表。总结起来,关键在于解一个先前无人解过的复非线性偏微分方程。

  关于如何处理非线性偏微分方程,却已有一套明确的既定程序,称为“连续法”(continuity method),这是一种采取一连串估计的方法。
  方法本身并不新奇,诀窍在于能制定出一套对于手上问题特别有效的策略。连续法的基本想法是通过一次次愈来愈准确的估计来逐渐逼近解答。证明的本质在于论证经过足够多次的迭代之后,这个过程可以收敛到一个良好的解。如果一切顺利,最后你得到的,仍然不会是可以作为解而写下来的明确算式,而只是证明出该方程的解的确存在。就卡拉比猜想以及与它同性质的问题而言,证明某一偏微分方程有解,就等于几何里的存在性证明,说明给定某一“拓扑”条件,则合乎该条件的特定几何形体确实存在。不过这也并不表示你只证明了有解,却对解一无所知。因为你证明解存在的方案,可以转化成运用电脑计算来逼近答案的数值技巧。

  连续法这个名称的由来,是因为它从已知如何解的方程的解开始,然后将这个解连续不断地变形,直到得出你想求解的方程的解才结束。这个用于卡拉比猜想证明的程序,通常分为两部分,其中之一只在已知解的附近才有用。

三、例子

  假设你想求方程式f(x)=x2-x的根(想象我们不会直接解这个方程)。一开始我们可以试试x=2,得到的是f(2)=2,而不是0。不管怎样,2虽然不是x2-x=0的根,但至少2是类似方程x2-x=2的根。接下来,我写出一组以t为参数的方程x2-x=2t。我知道当t=1时的解是2,但我真正想解的是t=0的情形,也就是原始方程式x2-x=0。所以我该怎么做?观察参数t。我已经知道t=1时方程式解是2,若把t稍微挪一下,使得它不是1但仍很接近1,会发生什么事呢?我们可以猜测当t接近1时,x2-x=2t会有一个解在2附近。这个假定在大多数情形下都成立,这就表示,当t接近1时,我们可以解出这个方程。

  现在我把t渐渐变小,往0靠近,使得我们接近原来的方程式。在过程中,我不但不断把t变小,而且还确定对于所送的每个t值,都可以找到一个解。所以对这一系列愈来愈小的参数t,相对应的就有一系列解,在此将其统称为xi。这项操作的重点在于证明数列xi最后会收敛到某一特定值。要做到这点,我们必须先论证xi是有界的,不会跑到无穷大去,这是因为任何有界的数列至少其中某个部分数列必定会收敛。证明了xi收敛,等价于证明我们可以从t=1一路减少至0,途中不会碰到任何阻碍。若能做到这点,就表示方程式在t=0是可解的,因此就证明了本来的方程式x2-x=0必定有解。

  这正是丘成桐用来证明卡拉比猜想的论证方法,关键之一在于能够证明xi是个会收敛的数列。当然,在处理卡拉比猜想时,起始的方程式远比x2-x=0复杂许多。在这个情况里,方程解xi,并不是数而是函数,这大幅增加了证明的复杂度,因为函数的收敛性几无例外,总是非常难证明的。

  再次把一个大题目分割成几个小问题。卡拉比猜想的方程是二阶椭圆型方程,要解这样的方程,我们必须先求出其零阶、一阶、二阶和三阶估计。一旦完成这些估计,并证明它们收敛到想要的解答,也就证明完了整个猜想。不过,事情总是说来容易做来难,因为求出这四个估计绝非易事,否则也就不叫研究了。

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