內容簡介
不斷有許多隻言片語的數學傳聞從導師傳到學生或者從同事傳到同事,但這些常常是模糊的,而在正式文獻中去進行討論叉顯得不甚嚴肅。通常對知道這種“數學傳說”的人來說也隻是個碰巧的機會而已。
但是到瞭今天,這樣一些隻言片語也可通過研究博客這種半正式的媒體進行有效和高效率的傳播。《美國數學會經典影印係列 龐加萊的遺産(第2部分):第二年的數學博客選文(影印版)》便是由博客産生的。
2007年,陶哲軒(Terence Tao)創建瞭一個包含多種話題的數學博客,涵蓋瞭他自己的研究工作和其他新近的數學進展,也包括他的教課講義、非專業性的難題以及專業文章。第1年的博客已由美國數學會齣版。2008年的博文講義分兩冊齣版。
《美國數學會經典影印係列 龐加萊的遺産(第2部分):第二年的數學博客選文(影印版)》是他的第二年博文的第II部分,主要講述瞭幾何、拓撲和偏微分方程。《美國數學會經典影印係列 龐加萊的遺産(第2部分):第二年的數學博客選文(影印版)》的主要部分由陶哲軒的關於龐加萊猜想的課程講義和Perelman近期引起轟動的解答組成。他的課程包含瞭對黎曼幾何和較小範圍內的拋物偏微分方程所需要的基本概念和結果的迴顧。課程的目的在於詳細敘述論證的高水平特徵,並且為瞭完善處理問題而以豐富的參考資料概述其餘的問題,從而選擇齣論證的特定部分。這些講義盡可能地做到自足,而較之於技術細節則重視“大視圖”。除瞭這些講義外《美國數學會經典影印係列 龐加萊的遺産(第2部分):第二年的數學博客選文(影印版)》還討論瞭其他備類論題,包括諸如規範場論、Kakeya針問題,以及Black-Scholes方程。博客讀者的一些評論和反饋也被選進這些文章中。《美國數學會經典影印係列 龐加萊的遺産(第2部分):第二年的數學博客選文(影印版)》適閤於研究生和數學工作者閱讀。
作者簡介
陶哲軒,2014年數學突破奬得主。他是加州大學洛杉磯分校(UCLA)的James和Carol Collis講席教授,24歲就晉升為全職教授。2006年他就已經成為瞭獲得Fields奬的年輕數學傢。他的其他榮譽還包括瞭美國工業和應用數學學會的George Polya奬(2010),國傢科學基金會的Alan T.Waterman奬(2008),SASTRA Ramanujan奬(2006),Clay數學研究所的Clay奬(2003),美國數學會的Bochner紀念奬(2002)以及Salem奬(2000)。
內頁插圖
目錄
Preface
A remark on notation
Acknowledgments
Chapter 1 Expository Articles
1.1 Dvir's proof of the finite field Kakeya conjecture
1.2 The Black-Scholes equation
1.3 Hassell's proof of scarring for the Bunimovich stadium
1.4 What is a gauge?
1.5 When are eigenvalues stable?
1.6 Concentration compactness and the profile decomposition
1.7 The Kakeya conjecture and the Ham Sandwich theorem
1.8 An airport-inspired puzzle
1.9 A remark on the Kakeya needle problem
Chapter 2 The Poincare Conjecture
2.1 Riemannian manifolds and curvature
2.2 Flows on Riemannian manifolds
2.3 The Ricci flow approach to the Poincare conjecture
2.4 The maximum principle, and the pinching phenomenon
2.5 Finite time extinction of the second homotopy group
2.6 Finite time extinction of the third homotopy group, I
2.7 Finite time extinction of the third homotopy group, II
2.8 Rescaling of Ricci flows and k-non-collapsing
2.9 Ricci flow as a gradient flow, log-Sobolev inequalities, and Perelman entropy
2.10 Comparison geometry, the high-dimensional limit, and the Perelman reduced volume
2.11 Variation of L-geodesics, and monotonicity of the Perelman reduced volume
2.12 k-non-collapsing via Perelman's reduced volume
2.13 High curvature regions of Ricci flow and k-solutions
2.14 Li-Yau-Hamilton Harnack inequalities and k-solutions
2.15 Stationary points of Perelman's entropy or reduced volume are gradient shrinking solitons
2.16 Geometric limits of Ricci flows, and asymptotic gradient shrinking solitons
2.17 Classification of asymptotic gradient shrinking solitons
2.18 The structure of k-solutions
2.19 The structure of high-curvature regions of Ricci flow
2.20 The structure of Ricci flow at the singular time, surgery, and the Poincare conjecture
Bibliography
Index
前言/序言
近年來,我國的科學技術取得瞭長足進步,特彆是在數學等自然科學基礎領域不斷湧現齣一流的研究成果。與此同時,國內的科研隊伍與國外的交流閤作也越來越密切,越來越多的科研工作者可以熟練地閱讀英文文獻,並在國際頂級期刊發錶英文學術文章,在國外齣版社齣版英文學術著作。
然而,在國內閱讀海外原版英文圖書仍不是非常便捷。一方麵,這些原版圖書主要集中在科技、教育比較發達的大中城市的大型綜閤圖書館以及科研院所的資料室中,普通讀者藉閱不甚容易;另一方麵,原版書價格昂貴,動輒上百美元,購買也很不方便。這極大地限製瞭科技工作者對於國外先進科學技術知識的獲取,間接阻礙瞭我國科技的發展。
高等教育齣版社本著植根教育、弘揚學術的宗旨服務我國廣大科技和教育工作者,同美國數學會(American Mathematical Society)閤作,在徵求海內外眾多專傢學者意見的基礎上,精選該學會近年齣版的數十種專業著作,組織齣版瞭“美國數學會經典影印係列”叢書。美國數學會創建於1888年,是國際上極具影響力的專業學術組織,目前擁有近30000會員和580餘個機構成員,齣版圖書3500多種,馮,諾依曼、萊夫謝茨、陶哲軒等世界級數學大傢都是其作者。本影印係列涵蓋瞭代數、幾何、分析、方程、拓撲、概率、動力係統等所有主要數學分支以及新近發展的數學主題。
我們希望這套書的齣版,能夠對國內的科研工作者、教育工作者以及青年學生起到重要的學術引領作用,也希望今後能有更多的海外優秀英文著作被介紹到中國。
《美國數學會經典影印係列:黎曼幾何講義(影印版)》 內容提要 本捲是“美國數學會經典影印係列”中的一部重要著作,聚焦於純粹數學領域中具有深遠影響的黎曼幾何。本書匯集瞭二十世紀中期以來,數學傢們在黎曼幾何基礎理論構建、關鍵定理證明及其在微分幾何其他分支應用方麵的精粹思考與研究成果。它並非對某位特定數學傢的專著進行簡單收錄,而是精選瞭一係列具有裏程碑意義的論文和講義片段,共同勾勒齣黎曼幾何從經典麯率概念邁嚮現代拓撲結構、測地綫流和譜理論的完整圖景。 全書內容深度涵蓋瞭黎曼流形的基本概念、麯率張量的計算與幾何意義、測地綫方程的性質、以及與拓撲學、分析學之間的深刻聯係。特彆值得一提的是,本書對黎曼度量、聯絡和麯率這三大核心要素進行瞭詳盡的闡述。讀者將通過閱讀本書中精選的材料,係統地理解裏奇麯率、斯卡拉麯率的幾何解釋,以及它們在愛因斯坦場方程(盡管本書側重純數學而非物理應用,但其幾何基礎是相通的)中的角色。 本書的選文嚴格遵循瞭學術價值與教學連貫性的原則。例如,其中包含瞭對正麯率流的經典論證片段,展示瞭如何利用微分方程的工具來研究流形的幾何演化。此外,書中也收錄瞭關於拓撲與麯率的關係(如高斯-邦內定理的現代推廣形式)的關鍵論述,這些論述揭示瞭局部幾何信息如何決定全局拓撲性質。 在幾何分析方麵,本書側重於譜理論。精選的篇章深入探討瞭拉普拉斯-貝爾特拉米算子在黎曼流形上的性質,特彆是本徵值與流形幾何特徵(如體積、周長)之間的關係。這部分內容為理解“聽起來像一個球體嗎?”(Can one hear the shape of a drum?)這類深刻的數學問題奠定瞭堅實的解析基礎。 本書的特色在於其“影印版”的原始風貌。所選取的每一篇文獻都代錶瞭當時數學前沿研究的原始錶達方式,保持瞭作者最初的論證結構和符號體係。這為高級研究人員提供瞭一個迴顧經典思想、追溯概念起源的寶貴視角。對於緻力於深入研究微分幾何、廣義相對論幾何基礎以及數學物理交叉領域的學者而言,本書無疑是一部不可或缺的參考資料,它提供瞭一個跨越時間、直抵核心思想的知識橋梁。 本書的結構旨在引導讀者從基礎的等距變換和測地綫概念齣發,逐步過渡到更高級的主題,例如霍奇理論在黎曼流形上的應用、辛幾何與黎曼幾何的交匯點,以及對截麵麯率的深入分析。全書的深度和廣度,使得它不僅適閤專業研究人員,也為具有紮實微積分和綫性代數基礎的高年級本科生或研究生,在探索黎曼幾何的宏偉殿堂時,提供瞭一條嚴謹而充實的學習路徑。它強調的是幾何直覺的培養與解析工具的精確結閤,而非僅僅羅列公式。 《美國數學會經典影印係列:代數拓撲中的同調理論(影印版)》 內容提要 本捲作為“美國數學會經典影印係列”中的重要組成部分,聚焦於現代數學的基石領域之一——代數拓撲的核心工具:同調理論。本書並非某個單一作者的教科書,而是精選瞭二十世紀中期至後期,代數拓撲學派在發展和完善同調理論(包括奇異同調、胞腔同調、上同調,以及相關的函子理論)過程中最具影響力、最具有啓示性的若乾篇係列講義和開創性論文的影印匯編。 本書內容力求全麵展現同調理論從其最初的拓撲直覺齣發,如何發展成為一套強大且具有普適性的代數工具。捲首的選文通常會追溯歐拉示性數和龐加萊對偶等經典思想,並迅速過渡到辛孫尼爾(Singular Homology)的嚴格構造。對奇異鏈復形的定義、鏈的映射、邊界算子以及鏈的同倫不變性,這些基本構件被詳盡地展示齣來,確保瞭讀者對同調群如何從拓撲空間中“提取”代數信息有一個清晰的認識。 本書特彆強調瞭函子理論在同調理論中的核心地位。精選的材料細緻地闡述瞭張量積(Tensor Product)與極小-極大構造(Ext Groups)在理解同調群之間的關係方麵所起的作用。其中涵蓋瞭關於長精確序列構造的經典範例,例如邁耶-維托裏斯(Mayer-Vietoris)序列的推導與應用,這揭示瞭如何通過分解一個復雜空間來計算其代數不變量。 在涉及上同調理論(Cohomology Theory)的部分,本書選取瞭那些奠定上同調環(Cohomology Ring)基礎的文獻。讀者將學習到楔積(Wedge Product)和庫涅特積(Künneth Formula)的構造,這些工具使得研究兩個空間乘積的拓撲結構成為可能。特彆是對積空間的上同調分析,展示瞭上同調如何比同調群提供更豐富的代數結構信息。 本書對微分幾何與代數拓撲的交叉領域也給予瞭足夠的關注。盡管側重於離散的代數方法,但選文仍包含對德拉姆上同調(de Rham Cohomology)的經典論述。這些材料展示瞭光滑流形上的微分形式如何通過積分和外導數構造齣與拓撲同構的上同調群,從而直觀地聯係瞭微積分與代數拓撲的深刻統一性。 作為“影印版”,本書保留瞭原始文獻的排版、符號和論證的原始味道。這對於希望理解特定數學傢或特定時期研究風格的學者而言,具有極高的史料價值。它避免瞭現代教科書中為瞭簡化初學者的理解而可能進行的過度重組,而是直接呈現瞭概念誕生的現場。 本書的選文深度與廣度,確保瞭它不僅能作為高級代數拓撲研究生課程的參考資料,也為研究代數幾何、微分拓撲以及理論物理(如規範場論的拓撲基礎)的研究人員提供瞭必不可少的背景知識。它旨在清晰、嚴謹地梳理同調理論的代數框架,展示其在解決經典拓撲難題時的無與倫比的威力。全書貫穿著對“不變性”和“構造性”的追求,是數學分析其自身結構的典範之作。 《美國數學會經典影印係列:橢圓型偏微分方程的正則性理論(影印版)》 內容提要 本捲隸屬於“美國數學會經典影印係列”,專注於分析數學領域中極具挑戰性和應用價值的分支——橢圓型偏微分方程(Elliptic Partial Differential Equations, PDE)的正則性理論。本書並非單一的現代教材,而是精選瞭二十世紀中葉以來,該領域取得突破性進展的關鍵性論文和係列講義的影印版本。這些文獻共同構建瞭我們對橢圓型算子解的平滑性、邊界行為及其內在性質的理解。 全書的核心內容圍繞最大值原理、先驗估計以及提升正則性展開。開篇的選文往往從經典的拉普拉斯方程和泊鬆方程入手,通過對弱解的定義,逐步引入Hölder空間和Sobolev空間等泛函分析工具。本書對Sobolev空間的構造和性質進行瞭詳盡的展示,這構成瞭現代PDE理論分析解的基石。讀者將能深入理解為何必須引入這些“弱導數”的概念,以及它們如何使我們能夠在比經典可微函數空間更廣闊的框架內討論解的存在性。 本書的重點之一是橢圓算子的先驗估計。其中收錄的經典文獻詳細闡述瞭Schröder方法和Wieners’ estimates的精妙之處。特彆值得關注的是對梯度估計的推導過程,這些估計直接決定瞭我們對解的局部性質的掌握程度。通過對內點估計的分析,本書清晰地展示瞭橢圓算子解的無限可微性(即$C^infty$正則性)是如何從較低階的正則性(如$W^{2,p}$)中“湧現”齣來的。 在涉及更復雜的方程時,本書選入瞭關於非綫性橢圓方程(如穩態Navier-Stokes方程、哈密頓-雅可比方程的某些形式)的初步分析片段。這些片段側重於緊緻性方法和變分原理的應用。例如,書中會重現關於Sobolev嵌入定理在證明全局解存在性方麵的關鍵作用,以及如何利用山路定理等臨界點理論來尋找非綫性方程的駐值解。 本書的影印特性保證瞭讀者能夠接觸到原始的數學論證風格。例如,某些篇章可能采用對稱化方法(如Hopf引理的早期證明),這在現代教科書中常被簡化或替代。這些原始論述對於理解理論的曆史發展脈絡和不同證明技巧的細微差彆至關重要。 此外,本書也涵蓋瞭對邊界行為的精細分析。對於Dirichlet問題而言,解在邊界上的行為是至關重要的。選文探討瞭內正則性與邊界正則性之間的關係,以及當係數不光滑時,解的正則性如何受到邊界形狀的限製。 總體而言,本捲是分析數學研究者的重要資源,它將抽象的泛函分析工具與具體的幾何偏微分方程緊密結閤。它提供瞭一個無與倫比的視角,審視經典分析大師們如何利用嚴謹的估計和巧妙的構造,將綫性與非綫性橢圓方程的解“磨光”至最高的光滑度。本書的深度和廣度,使其成為深入理解現代數學物理和連續介質力學中基礎方程的必備參考書。 《美國數學會經典影印係列:群的錶示論基礎與應用(影印版)》 內容提要 本捲隸屬於“美國數學會經典影印係列”,集中展示瞭群的錶示論這一現代代數核心分支的奠基性工作及其在代數、幾何和物理學中的早期應用。本書並非一本標準的、結構化的教科書,而是匯集瞭二十世紀中葉至後期,數學傢們在發展和完善有限群和緊李群錶示論方麵所做齣的具有裏程碑意義的論文和講義的影印精選。 本書的敘事綫索從群錶示的基本定義開始,清晰界定瞭錶示空間、特徵標(Character)和等變性(Equivariance)的概念。選文細緻地推導瞭馬施剋定理(Maschke's Theorem),這是理解有限維半簡單李代數和有限群錶示結構的關鍵。讀者將通過閱讀原始文獻,掌握特徵標理論的建立過程,特彆是關於特徵標正交性的基本關係式,這成為瞭計算不可約錶示維數和個數的強大工具。 本書的一個核心部分緻力於誘導錶示(Induced Representations)和限製(Restriction)理論。精選的篇章詳細闡述瞭如何從一個子群的錶示齣發,構造齣原群上的更大錶示。這些構造不僅在代數結構分類中至關重要,也是後續傅裏葉分析在群上的推廣(如非交換傅裏葉分析)的基礎。 在對有限群錶示的分析之外,本書也收錄瞭關於緊李群錶示論的奠基性工作。這部分內容引入瞭李代數的概念,並展示瞭維格納的定理在分析連續群錶示時的重要性。讀者將接觸到關於權重(Weights)和根嚮量(Root Vectors)的早期討論,這些概念是理解李群結構,特彆是半單李群分類(如Cartan子代數理論)的關鍵。 本書的“影印版”特色在這裏體現得淋灕盡緻。它保留瞭原始文獻中對群代數(Group Algebra)的深刻洞察,以及如何利用中心(Center)的性質來分解錶示。對於那些緻力於理解這些理論是如何在代數結構與函數空間之間架起橋梁的研究人員而言,直接接觸原始的證明結構和符號體係是無價的。 此外,本書也包含瞭錶示論在具體問題中的應用片段,例如在晶體學中對對稱性群的分類,以及在量子力學中對角動量算子代數的處理。這些應用側重於錶示論如何提供一個係統性的框架來處理對稱性問題。 總而言之,本捲並非一部為初學者準備的入門教材,而是一份麵嚮專業代數研究者和理論物理學傢的珍貴資料集。它濃縮瞭錶示論從基礎構建到核心工具確立的各個關鍵階段,是追溯和掌握群錶示論深刻內涵的權威性影印匯編。 《美國數學會經典影印係列:拓撲群與李群的結構理論(影印版)》 內容提要 本捲收錄於“美國數學會經典影印係列”之中,聚焦於拓撲群(Topological Groups)和李群(Lie Groups)的結構理論,這是現代代數、幾何與分析學交匯的核心領域。本書精選瞭二十世紀中葉,數學傢們在理解連續對稱性群的內在結構、構造和分類方麵所做齣的最富洞察力的講義與突破性論文的影印版本。 本書的理論核心在於李群的局部結構與李代數之間的緊密聯係。開篇的選文詳細闡述瞭從一個光滑的李群如何自然地導齣其切空間上的李代數,以及指數映射(Exponential Map)在連接這兩個結構中的關鍵作用。讀者將通過閱讀這些經典材料,深入理解為什麼局部研究李群可以用強大的綫性代數工具(李代數)來處理。 全書內容係統地覆蓋瞭李群的分類。精選的篇章著重於半單李群(Semisimple Lie Groups)的結構分析。書中包含瞭關於Cartan子代數、根係(Root Systems)以及Weyl群的早期且嚴謹的討論。這些材料清晰地展示瞭如何通過代數工具(如根的正交性、簡單根的選取)來係統地對所有有限維半單李群進行分類,這被視為該領域最偉大的成就之一。 本書特彆強調瞭緊群和局部緊群(Locally Compact Groups)的理論。收錄的文獻深入探討瞭哈爾測度(Haar Measure)的構造及其性質,這是泛函分析在群上進行傅裏葉分析(如錶示論)的先決條件。對於緊李群,本書重申瞭Peter-Weyl定理的經典錶述及其對錶示論的深遠意義。 在結構分析方麵,本書探討瞭李群的分解定理。精選的篇章闡釋瞭如何將任意李群分解為其局部歐幾裏得部分(對應於平移對稱性)和緊李群部分(對應於鏇轉對稱性)。這為理解所有連續對稱群的拓撲和代數屬性提供瞭一個統一的框架。 作為“影印版”係列的一部分,本書保留瞭原始文獻的論證風格和符號體係,為研究人員提供瞭一個直接接觸概念起源的視角。例如,在討論連通性與單連通性對李群結構的影響時,原始的拓撲論證往往比現代簡化版本更為直觀地揭示瞭背後的幾何直覺。 本書的內容深度和廣度,使其成為微分幾何、代數拓撲、錶示論以及理論物理(特彆是廣義相對論和量子場論中的對稱性處理)研究人員的必備參考書。它不僅是理論的匯集,更是一部展現連續對稱性數學結構之美的經典文獻集。